电压源换流器在电力系统中的应用 同向前等编著 2012.pdf

“十二五”国家重点图书出版规划项目电力电子新技术系列图书电压源换流器在电力系统中的应用同向前 伍文俊 任碧莹 等编著机 械 工 业 出 版 社基于全控型器件的电压源换流器是现代电力电子电路的典型代表，在工业和电力系统两大领域应用广泛，本书主要阐述电压源换流器在电力系统控制中的应用。本书讲述了电力电子技术对电力系统发展的促进作用，阐述了电压源换流器的常用电路拓扑和 PWM 控制原理，结合电路仿真，全面论述了基于电压源换流器的静止同步补偿器、柔性直流输电、有源电力滤波器和分布式电源并网换流器的电路拓扑、工作原理、数学模型、控制策略和参数设计。本书可供从事电能质量研究、电力电子装置的设计开发与应用、电力系统的设计分析与运行的工程技术人员阅读，也可作为高等院校电气工程及其自动化专业研究生的教学参考书。图书在版编目（CIP）数据电压源换流器在电力系统中的应用 同向前等编著.北京：机械工业出版社，2012（电力电子新技术系列图书）“十二五”国家重点图书出版规划项目ISBN 978-7-111-37849-5.电.同.换流器-应用-电力系统.TM46TM7中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 054223 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：江婧婧 版式设计：霍永明责任校对：马精明 责任印制：罗 莉 责任编辑陈延翔 封面设计2012 年 6 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm17.5 印张360 千字0001册标准书号：ISBN 978-7-111-37849-5定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务门户网：http：教材网：http：封面无防伪标均为盗版49.803000杨曦北京市中兴印刷有限公司印刷电力电子新技术系列图书编 辑 委 员 会主 任：王兆安副主任：白继彬 牛新国 徐德鸿 杨 耕委 员：（按姓名拼音字母排序）白继彬 陈伯时 陈道炼 陈 坚 陈守良陈治明 高艳霞 郭世明 黄耀先 康 勇李崇坚 李永东 刘进军 吕征宇 牛新国钱照明 阮新波 孙流芳 童宗鉴 王鸿麟王旭东 王兆安 邬伟扬 肖湘宁 徐德鸿徐殿国 杨 耕 杨 旭 余岳辉 张 波张承慧 张为佐 张卫平 张 兴 赵善麒赵争鸣 钟彦儒 周 波 周维 查晓明秘书组：陈守良 刘进军 孙流芳 罗 莉电力电子新技术系列图书序 言 电力电子技术诞生近半个世纪以来，使电气工程、电子技术、自动化技术等领域发生了深刻的变化，同时也给人们的生活带来了巨大的影响。目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，新的电力电子器件层出不穷，新的技术不断涌现，其应用范围也不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群，如果再考虑到与电力电子技术相关的上游产业和下游产业，这个产业群就更加庞大了。与之相应，在电力电子技术领域工作的工程技术和科研人员的数量也相当庞大，且与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列书籍，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，成为眼下的迫切需要。在 20 世纪 80 年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套电力电子技术丛书，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿工作，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。本系列图书有如下特色：1.本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。2.理论联系实际，以应用技术为主。3.本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。电力电子新技术系列图书编辑委员会前言电力作为能源的一种利用形式，具有控制灵活、调节准确、输配方便、使用洁净等优点，使得以电力生产和输配为目的的电力系统成为国民经济和人民生活的命脉。保障电力供应的稳定可靠、促进电网的节能降耗、提高电网的电能质量和保持电力的可持续发展是电力系统进步的永恒课题。电力电子技术是推动这种进步的有生力量。电力晶闸管的诞生开创了电力电子技术，同时也开启了电力电子技术在电力系统的应用，早期的同步发电机励磁、静止无功补偿技术和高压直流输电技术就是这种应用的典型代表。随着新型全控型高频电力电子器件的出现，以电压源换流器电路及其 PWM 控制技术为主流的新型电力电子技术迅速应用到电力系统的各个方面，为电力系统的全面进步提供了技术支撑。本书将根据电力电子技术在电力系统控制中的最新应用和作者的相关研究成果，重点介绍电压源换流器在配电系统中的主要应用技术。全书共分 6 章。前两章为综述和基础部分，介绍了电力电子技术在电力系统控制中的应用概况和电压源换流器的电路拓扑、数学模型和 PWM 控制策略；后 4 章为应用部分，分别阐述了电压源换流器在静止无功补偿、柔性直流输电、电力谐波抑制和分布式电源方面的具体应用。本书第 1、3、4、5 章由西安理工大学同向前教授编著，第 2 章由伍文俊副教授编著，第 6 章由任碧莹副教授编著，申明讲师、博士生宁大龙、孙晓云、邓亚平、张新闻等参与了本课题的研究和部分内容的撰写。全书由同向前教授协调统一。西安理工大学钟彦儒教授始终关心本书的编写，提出了许多宝贵意见，在此深表感谢。本书的有关研究工作得到陕西省工业攻关计划（2010K09-09）、西安市科技创新支撑计划（CXY09014）、陕西省教育厅专项（09JK647，09JK666）和西安理工大学特色研究计划等基金的资助，在此一并致谢。本书是我们对电压源换流器及其在电力系统应用研究工作的总结。由于作者水平有限，不当之处还请读者不吝指正。作 者目录电力电子新技术系列图书序言前言第 1 章 电力系统及其电力电子控制1 1.1 电力系统的发展1 1.2 电力系统的结构与等效分析3 1.2.1 电力系统的结构3 1.2.2 电力系统的等效分析5 1.3 电力系统的运行特性6 1.3.1 有功功率-频率静态特性6 1.3.2 无功功率-电压静态特性7 1.4 电能质量8 1.4.1 电压偏差8 1.4.2 电压波动与闪变9 1.4.3 电力谐波9 1.4.4 三相不平衡10 1.5 电力系统中的电力电子控制新技术12 1.6 坐标变换与方向定义15 参考文献17第 2 章 电压源换流器及其 PWM控制19 2.1 电压源换流器的电路拓扑19 2.1.1 两电平电压源换流器19 2.1.2 三电平电压源换流器19 2.1.3 级联多电平电压源换流器21 2.2 电压源换流器的工作原理和数学模型23 2.2.1 两电平电压源换流器的工作原理与开关函数模型23 2.2.2 三电平电压源换流器的工作原理与开关函数模型25 2.2.3 电压源换流器的基频控制模型28 2.2.4 电压源换流器的运行状态30 2.3 两电平电压源换流器的 PWM控制策略31 2.3.1 滞环比较控制 PWM 策略31 2.3.2 定频控制 PWM 策略33 2.3.3 正弦波脉宽调制（SPWM）34 2.3.4 空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）36 2.4 三电平电压源换流器的 PWM控制策略42 2.4.1 传统电压矢量脉宽调制42 2.4.2 弃用中矢量的电压矢量脉宽调制48 2.4.3 虚拟合成矢量的电压矢量脉宽调制53 2.5 级联电压源换流器的 PWM 控制策略57 2.5.1 优化阶梯波宽度调制法57 2.5.2 三角载波移相 SPWM 法58 2.5.3 载波层叠 PWM 法58 2.5.4 开关频率优化 SPWM 法59 2.5.5 混合 PWM 法60 2.6 电压源换流器的优化脉宽调制（OPWM）63 2.6.1 优化 SPWM63 2.6.2 空间电压矢量的最小损耗脉宽调制66 2.6.3 特定谐波消去 PWM（SHEPWM）法69 参考文献71第 3 章 基于 VSC 的静止无功补偿技术74 3.1 概述74 3.1.1 无功功率的测量计算74 3.1.2 无功补偿的效益76 3.1.3 无功补偿容量的估算77 3.1.4 无功补偿装置的分类与比较78 3.2 SVG 的结构与原理81 3.2.1 低压 SVG 的主电路结构81 3.2.2 高压 SVG 的主电路结构83 3.2.3 SVG 的工作原理85 3.3 SVG 的控制方式88 3.3.1 他励单变量控制88 3.3.2 他励双变量控制89 3.3.3 自励单变量控制89 3.3.4 自励双变量控制90 3.4 SVG 的通用数学模型91 3.4.1 基于串联电抗的稳态功率模型91 3.4.2 基于损耗等效电阻的稳态功率模型91 3.4.3 稳态标幺化模型与静态运行特性92 3.4.4 基频控制模型95 3.5 SVG 的控制与仿真97 3.5.1 自励单变量控制系统与参数设计98 3.5.2 基于 SVG 电路模型的 PSIM仿真100 3.5.3 基于传递函数模型的 MATLAB仿真102 3.6 电源电压扰动对 SVG 的影响与对策105 3.6.1 电源电压不平衡引起的直流侧电压波动和交流侧非基波正序电流105 3.6.2 电源电压谐波引起的直流侧电压波动和交流侧谐波电流108 3.6.3 电源电压质量影响的前馈解决方案111 3.7 SVG 串联电抗器的选择114 3.7.1 按照允许谐波电流选择电抗率114 3.7.2 按照电压应力选择电抗率115 3.7.3 按照抗干扰能力选择电抗率116 3.8 SVG 直流电容器的选择116 3.8.1 PWM 控制对直流电压波动的影响及电容器的选择117 3.8.2 无功变化对直流电压波动的影响及电容器的选择117 3.8.3 电源电压质量对直流电压波动的影响及电容器的选择118 3.9 基于 SVG 的混合型动态无功补偿系统119 3.9.1 SVG FC 结构119 3.9.2 SVG MSC TSC 结构119 参考文献120第 4 章 VSC-HVDC 技术122 4.1 直流输电的特点与运行方式122 4.1.1 直流输电与交流输电的比较122 4.1.2 VSC-HVDC 的运行方式124 4.2 VSC-HVDC 的结构与原理125 4.2.1 VSC-HVDC 系统的组成结构125 4.2.2 VSC-HVDC 的特点130 4.2.3 VSC-HVDC 系统的稳态工作原理131 4.2.4 VSC-HVDC 的四象限功率运行特性134 4.2.5 VSC-HVDC 的基频控制模型136 4.3 VSC-HVDC 的控制策略140 4.3.1 VSC-HVDC 的控制系统结构体系140 4.3.2 VSC-HVDC 系统的控制目标142 4.3.3 VSC-HVDC 的幅相控制143 4.3.4 VSC-HVDC 的选择性控制146 4.3.5 VSC-HVDC 的矢量控制147 4.4 VSC-HVDC 系统的暂态过程仿真152 4.4.1 VSC-HVDC 系统仿真模型与参数152 4.4.2 幅相控制方式下的仿真154 4.4.3 矢量控制方式下的仿真156 4.5 IGBT 串联阀均压技术158 4.5.1 RCD 吸收电路与门极平衡核的复合均压技术159 4.5.2 基于门极 RCD 有源控制的均压技术164 4.6 VS