前  言

为了促进跨大区的水火共济和电网大范围资源优化配置能力，解决可再生能源接入、分布式发电并网、孤岛和大型城市供电等难题，加快建设坚强智能的大型互联电网、提高我国电网的运行稳定性和可靠性、满足绿色可持续发展的需求，已成为当前我国电力系统面临的基础性、关键性和迫切性问题，也是世界电网技术发展所面临的共性问题。

先进电力电子技术是半导体器件技术、现代控制技术和传统电网技术的有机融合。从20世纪50年代高压直流输电(HVDC)技术的研究与初步应用，到八九十年代灵活交流输电(FACTS)技术和柔性直流输电(VSC-HVDC)技术的提出，电力电子技术在电力系统的发电、输电、变电、配电、用电等各个领域都发挥出越来越重要的作用。

但是，在电力系统中应用电力电子技术来提高电网的运行可靠性，还需要解决两方面的问题。一方面是电力电子装置对电网的可靠性存在何种影响，如何应用电力电子技术来提高电网运行可靠性；另一方面是如何评估、保证和提高电力电子装置自身的可靠性问题。

为了解决上述问题，在国家重点基础研究发展计划(973)项目“提高大型互联电网运行可靠性的基础理论研究”的资助下，结合第七课题“提高电网可靠性的大功率电力电子技术基础理论研究”，本书从应用大功率电力电子技术提高大型互联电网可靠性、大功率电力电子装置的微秒-纳秒级动态过程的建模与机理分析、系统异常情况下电力电子装置与系统的相互作用及装置的控制保护共性技术、大功率电力电子装置试验方法等四个方面开展了基础理论的研究工作，得出了保证电力电子装置自身可靠性和应用电力电子装置提高大型互联电网运行可靠性的基础理论和方法。对于推动灵活交流输电技术和高压直流输电技术在我国电网中的应用、提高我国电网的输送能力和稳定性水平、改善和增强电网网架结构，都具有重要的意义。

在本书成果形成过程中，在汤广福博士和刘文华博士的带领下，来自中国电力科学研究院、清华大学、合肥工业大学等科研院所和高等院校的科研人员针对本课题开展了大量的基础性研究工作。课题组通过对当前电力系统发展情况的分析，深刻的揭示了大型互联电网对于大功率电力电子技术的重大需求，研究了典型电力电子装置在电力系统中的重要作用以及目前电力电子技术发展及应用中所存在的问题，从而得出在电网中大规模应用电力电子装置必须首先要解决装置自身的可靠性问题，继而是如何应用大功率电力电子技术来提高大型互联电网的可靠性，得出本课题研究的思路和重点方向。全体课题组成员为本书中的成果做出了较为突出的贡献，主要研究人员的贡献如下： 

鲁宗相博士和李生虎博士针对大功率电力电子装置可靠性的评估方法开展了研究，提出了大功率电力电子设备可用率的计算方法，并对典型FACTS设备自身以及包含可控串补(TCSC)等FACTS装置的电力系统可靠性进行了评估；陆超博士针对我国电网中交直流混合互联系统的日益增加，提出了交直流混合系统中HVDC的阻尼控制、基于广域测量系统(WAMS)的多直流自适应协调控制等控制方法，为提高交直流电网的稳定性提供了较好的手段；钱峰博士针对目前电力系统中FACTS装置的快速发展和广泛应用，提出了FACTS装置在电网中接入点、容量确定及多目标协调优化配置的类型选择方法，为FACTS装置在电网中的应用提供了理论依据。宋强博士和范子超博士提出了基于时间平均法的电磁暂态过程建模、基于器件实时化的开关暂态过程建模、基于RC网络热模型的热动态过程建模的混合实时仿真的理论体系和混合实时数字仿真平台，实现了链式STATCOM的混合实时数字仿真平台，可有效缩短电力电子装置的开发、设计和工程建设周期。袁志昌博士提出了一种改进的软锁相环同步算法、基于反馈线性化控制方法及瞬时电流控制方法的动态无功控制，解决了链式STATCOM在系统电压不平衡时的稳定运行问题。刘隽博士针对在系统异常情况下，单个FACTS装置控制器的不同功能之间以及多个FACTS装置控制器之间可能发生相互作用的产生机理、相互影响效果等问题进行了研究，提出了控制器之间的协调控制方法和控制器设计原则，为电力电子装置的可靠控制与应用提供了理论基础；谢敏华硕士针对大功率电力电子装置控制和保护的共性技术开展了研究，建立了标准、开放、高可靠性的控制保护平台体系结构及相应的通信体系，为电力电子装置控制保护平台的软硬件设计提供了参考；贺之渊博士针对大功率电力电子装置试验等效机理和试验方法论进行了研究，提出了试验等效机理的数学模型和分析方法以及两个层次“效”的等效性问题，为试验方法的研究提供了理论基础，并提出了用于晶闸管阀过电流试验的新型拓扑电路；查鲲鹏博士针对半控器件晶闸管阀在HVDC及FACTS装置运行工况下的应力进行了分析研究，提出了用于晶闸管阀和直流换流阀运行试验的新型合成拓扑电路，为大功率电力电子等效试验平台的建立奠定了基础；杨杰博士研究了两电平VSC-HVDC中IGBT阀的运行工况，详细分析了IGBT阀在系统中所承受的电气应力；罗湘博士基于工况分析提出了全控器件IGBT阀的绝缘试验及运行试验方法，以及针对IGBT阀运行试验的电路拓扑。

本书共分5章。汤广福博士拟定了本书的大纲，并编写了第1章和第5章。第2章由刘文华博士编写，第3章由宋强博士编写，第4章由贺之渊博士编写。全书由汤广福博士和刘文华博士共同修改并统稿。中国电力科学研究院的赵贺教授对本书进行了认真的审阅，提出了许多宝贵意见。同时，中国电力科学研究院的钱峰博士、罗湘博士、庞辉博士、查鲲鹏博士，清华大学的宋强博士、鲁宗相博士、袁志昌博士、陆超博士，合肥工业大学的李生虎博士等人认真细致地承担了本书的文字材料整理和编校工作，他们的聪明才智和付出加快了书稿完成，，在此一并致谢。作者还要对书中所列参考文献的作者表示深深的谢意。感谢国家科技部“973”项目的大力支持，感谢参与该课题的全体研究人员对本书研究成果所做出的贡献。

由于编者水平有限，书中难免存在不妥和错误之处，欢迎广大读者批评指正。

提高电网可靠性的大功率电力电子技术基础理论