大功率电力电子系统的控制.ppt

1、大功率电力电子系统的控制及应用,提纲,已有的大功率电力电子技术基础 遇到的问题 电力系统的应用问题 电力电子系统的控制问题,一、已有的基础,电力电子领域的应用基础研究,先进的电力电子系统控制策略 基于Boost变换的重复学习控制策略 基于数字频率合成（DDS)的变频PWM生成技术 无需直流侧电压控制的有源逆变器技术 先进的逆变器并联交错PWM控制技术 先进的级联多电平逆变器的PWM调制技术 先进的逆变器并网控制技术,电力电子领域的应用基础研究,大功率电力电子拓扑结构的研究 基于功率单元级联的多电平拓扑结构及其在STATCOM和高压变频器中的应用 混合式有源电力滤波器的研究 多逆变器并联的有源电

2、力滤波器技术 基于-坐标变换的有源电力滤波器和STATCOM技术 （获国家发明专利） 四象限运行的PWM变流器 程控的交流调压电源逆变器,电力电子领域的应用基础研究,先进的电力电子设计与试验技术 基于能量变换的电力电子设计理论和方法 高频大电流的电抗器设计与制作 PSCAD/EMTDC仿真和MATLAB仿真 低能耗的逆变器试验平台 通用电力电子试验平台及试验方法 先进的电能质量试验电源技术 多端柔性直流输电系统试验平台 风电测试平台,二、遇到的问题,大功率电力电子技术的可靠性问题（致命的问题） 外部或内部的扰动引起暂态过程导致大功率电力电子装置可靠性问题，如何提高电力电子系统对外部故障穿越能力

3、？ 大功率电力电子系统的内部过电压产生的机理是什么，怎样分析计算？ 电磁暂态过程引起的电力电子器件特性变化是什么？ 温度场、电磁场相互之间的耦合及对电力电子系统的影响是如何产生的，能否有定量化的结果？ 复杂拓扑结构下的大功率电力电子装置的控制包容性问题。,大功率电力电子技术的设计问题 电力电子系统的设计计算理论在哪里？ 传统的按稳态条件计算的一些元件参数是否最优，电力电子装置本身是否存在成本浪费问题？ 电力电子系统设计是否要考虑故障条件下的穿越能力，如果评估暂态过程中电力电子系统结构参数是否合适？,大功率电力电子技术的试验问题 电力电子系统的试验理论和方法,三、电力系统的应用问题,（一）、发电

4、机励磁控制,三机励磁系统,手动控制过程 自动控制过程,1、励磁反馈控制原理,2. 励磁控制与电力系统稳定,发电机线性化状态方程,发电机的输出功率可写成：,励磁控制与静态稳定,励磁控制与静态稳定,设Ut=1.0,Us=1.0,发电机并网后运行人员不再手动去调整励磁,则无电压调节器时的静稳极限、有能维持E恒定的调压器时的极限、有能维持发电机端电压恒定的调压器时的静稳极限分别为：0.4、1.0和1.43。 维持发电机电压水平的要求与提高电力系统静态稳定极限的要求是一致的，是兼容的。当励磁控制系统能够维持发电机电压为恒定值时,不论是快速励磁系统,还是常规励磁系统,静态稳定极限都可以达到线路极限。,励磁

5、控制与暂态稳定,定义： 在电力系统遭受大扰动时，如输电设备上的故障、发电机跳闸或失掉大的负荷等，电力系统保持同步的能力。,特点： 在系统遭受大扰动时，由于系统的电压、电流、有功、无功、发电机转子角等的摆动幅度较大，因此不能用线性化方法来研究它。 概念： 面积定则,励磁控制与暂态稳定,在电力系统中，应用发电机励磁改善电力系统的暂态稳定性有两条途径： 增加发电机的强励能力，可以减少发电机的加速面积A1； 设计先进的励磁控制策略，维持较高的故障后发电机端电压水平，增加发电机的减速面积A2；,分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱（甚至变负）的最重要的原因之一。在一

6、定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用，在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。 许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定的要求是不兼容的。,励磁控制与动态稳定,（二）、FACTS技术,FACTS - Flexible AC Transmission Systems,淮南-上海特高压线路（单回）接线简图,减少高抗280Mvar后，安装600Mvar STATCOM，可将单回线路传输容量提高至 3800MW，60万STATCOM(约投资2-3亿)提高100万传输容量(效益相当30亿)，,656KM

7、,估计需投资105亿,大幅度提高输电线路传输能力与次同步振荡抑制,25,串联电容补补偿提高输电容量最经济有效的手段,提高输电容量效益显著 山西阳城到江苏串补工程：少建1回270公里500kV线路，输电极限提高10，节约投资约3.4亿元； 丰万线串补工程：少建1回500kV线路（6 亿元），采用固定串补（2. 53 亿）,提高送电能力60 万千瓦；,投资成本相对低廉，效益显著 增加线路：100-300万 /公里，阳城4.0亿 固定串补：60元/kvar, 阳城 800万$0.64亿￥；国产化后成本更低。,26,串补引起的次同步谐振（SSR）问题,串补,高压缸 中压缸 低压缸 发电机 励磁机,系统

8、System,F(f0-fc),线路,L,C,ft,系统,system,Turbine generator,27,1970s，Mohave Power Plant （USA）,28,国内某电厂600MW 机组,#29螺栓孔处裂纹#29 crack,#35螺栓孔处裂纹#35 crack,#31螺栓孔处裂纹#31 crack,29,#31螺栓孔处裂纹(裂纹长180mm),国内某电厂600MW 机组,30,国内现有的不同SSR解决案例,（三）、电力电子系统的作用,时间尺度上的能控性： （响应时间的要求）,电压闪变改善与无功补偿的动态特性,大功率电力电子系统应用的作用机理分析,1、电力系统稳定控制中的

9、能量转移问题 （阻尼的实现） 2、电力系统稳定控制中的实现方式 （几何方法的实现（微分）还是系统演化方法（代数）,四、大功率电力电子的可靠性控制方法研究,功率和能量问题 功率变换与能量转移过程分析，尤其是动态过程中大功率电力电子功率变换状态及能量转移过程。 可靠性和稳态性能 电力电子功率变换过程控制应着眼于可靠性控制 电力电子装置应用系统的稳态性能控制 复杂电力电子系统的控制理论 针对复杂电力电子系统控制问题，简化拓扑结构 混合拓扑结构的电力电子系统的控制问题 模型建立及控制理论基础问题,静止同步补偿器（STATCOM）：,典型电力电子系统的研制,STATCOM的基本原理：将电压源型逆变器经过

10、电抗器或者变压器并联在电网上，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。,静止同步补偿器（STATCOM）：,典型电力电子系统的研制,静止同步补偿器（STATCOM）：,无变压器，直接与高压连接 无启动回路 占地小 绝缘要求高 需要冗余单元 调整算法程序，可以实现谐波、无功统一补偿,典型电力电子系统的研制,静止同步补偿器（STATCOM）：,链式STATCOM的某钢厂现场应用,典型电力电子系统的研制,有源电力滤波器（APF）：,=,+,典型电力电子系统的研制,有源电力滤波器（APF）-滤波效果：

11、,典型电力电子系统的研制,能源管理中的电力电子技术：,基于电力电子的节能技术-高压变频调速器,典型电力电子系统的研制,能源管理中的电力电子技术：,基于电力电子的供电变压技术 拓扑结构特点: 1、功率单元级联拓扑结构实现高电压或者降压功能； 2、部分单元具有能量回馈通道，满足部分负荷无功功率需求； 3、适合残余能量回收发电的接入。,典型电力电子系统的研制,基于轻型直流输电连接的风、光、储一体化系统：,2009年为浙江大学制造国内首个双端口轻型直流输电技术通用实验平台 2010年为武汉大学制造国内首个三端口轻型直流输电技术通用实验平台,典型电力电子系统的研制,基于轻型直流输电连接的新能源发电并网系

12、统：,典型电力电子系统的研制,面向电力系统，控制策略不仅要定位在电力电子功率变换器的控制上，而且还要定位在电力系统补偿上，其中： 电力电子变换器控制过程是着眼于开关周期内的功率转换控制，主要体现在开关切换与电感电流控制紧密关联；（安全性和鲁棒性指标） 电力系统补偿器系统往往只关心定义在频域上的电能质量指标，不关心PWM逆变器的开关周期内功率变换过程。（性能指标）,系统特点及其控制问题分析,电力系统补偿器系统的控制策略,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,电力系统补偿器系统的数字控制策略,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,PWM逆变器内的功率变换控制,设逆变器的开关频率为 ，在每个开关

13、周期中会有两种开关状态，即T1/T4导通和T2/T3导通。,T1、T4的导通时间为,T1、T4的导通时间为,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,PWM逆变器内的功率变换控制,在,时间内，,PWM逆变器功率变换控制稳态工作时，认为相邻的开关周期内 和 , 和 相同 。因此可得交流侧电压和直流侧电压的关系式为:,在,时间内,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,PWM逆变器内的功率变换控制,锯齿波 在一个开关周期内可表示为,当 时，有,令 锯齿波幅值，则有,两个结论： 通过电流 峰值点的采样可得到等效电压源 的全部信息; 功率潮流是由交流侧向直流侧方向流动。,基于功率变换控制的电力电子系统控

14、制策略,电力补偿器的系统电路等效,有源电力滤波器系统的 电路等效,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,电力补偿器系统的电路等效,并联结构APF系统的 电路等效,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,电力补偿器系统的电路等效,链式STATCOM系统的电路等效,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策略,重复学习Boost变换控制策略的提出,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,基于功率变换控制的电力补偿器系统控制策略,重复学习Boost变换控制策略的DSP+FPGA实现,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量分析,- 有利于系统参数设计，尤其是直流侧电容器参数的选择； - 依据的理论基础：系统的无源性理论。,有源电力滤波器的频域能量变换模型； 链式STATCOM直流侧电压的均衡控制构造下垂特性。,目前主要取得的理论研究成果：,基于功率变换控制的电力电子系统控制策略,基于功率变换控制的电力补偿器系统的能量分析,有源电力滤波器的频域能量变换模型,A