电力既是国民经济的重要支撑,也是人民生活的重要保障。近年来,人们对于电力生产、传输、消费等问题认识不断深入:电网规模迅速发展使得系统短路容量日益提高;含敏感性负载的用户对电能质量要求越来越高,但用户侧非线性负载数量增多却使得电能质量问题加剧恶化;风电、光伏等新能源大量接入深刻改变了传统配电网结构,使得电网电能质量问题更加复杂,同时,一定程度上助增了故障短路电流。因此,“智能电网”建设成为了能源转型升级、电能质量问题治理、电网可靠性提升的一种有效途径。针对传统串联型电能质量治理装置在电网故障下可能存在风险,及传统故障限流器功能单一、长期闲置、利用效率低下等问题,本文在国家自然科学基金项目“新型电能质量调节与故障限流复合系统关键技术研究”和南方电网公司重点科技项目“具有电能质量控制功能的配电网新型固态限流器关键技术研究”的资助下,研究了新型电能质量调节与故障限流复合系统(HPQFC系统)拓扑及其控制方法、HPQFC系统与配电网线路继电保护配合方法、HPQFC系统提高风电场低电压穿越能力及其相关工程化应用等问题,形成了较为完善的基础理论及关键技术,为HPQFC系统的推广应用奠定了基础,主要创新点如下:(1)提出了新型电能质量调节与故障限流复合系统拓扑结构。当负载侧未发生短路故障时,HPQFC系统运行在电能质量调节模式;当负载侧发生短路故障时,HPQFC系统运行在故障限流模式。在分析HPQFC系统工作原理的基础上,建立了不同运行功能的数学模型及统一电气模型;提出了一种适用于HPQFC系统的综合控制方法,包括:并联侧复合控制策略、串联侧复合控制策略、限流支路控制策略,能够确保不同电网运行状态下不同功能模式间的正确切换。分析了HPQFC系统串联侧逆变模块采用单极性载波调制输出性能与调制比的关系,提出了在特定补偿深度下逆变模块输出期望电平的直流侧电压选择方法。HPQFC系统具有故障限流功能、电能质量调节功能,能够有效提高设备利用率,降低电网投资成本,进而提升电网资产利用率。(2)着重分析了HPQFC系统优化运行的关键技术,能够确保其在不同功能间可靠切换。深入剖析了HPQFC系统从电能质量调节模式至故障限流模式、故障限流模式至电能质量调节模式的暂态切换过程,并给出了不同模式间的切换影响;提出了一种通过改变反并联晶闸管触发角大小与串联变压器变比相配合的故障电流调节方法,并给出了反并联晶闸管触发角、串联变压器变比、滤波电感三者的关系;分析了HPQFC系统在模式切换过程中可能造成直流侧电压泵升问题的特征,提出采用压敏电阻的直流侧电压泵升抑制技术,确保了HPQFC系统运行的可靠性。(3)提出了HPQFC系统与配电网线路继电保护配合方法。在分析HPQFC系统与配电网继电保护关系的基础上,分别提出了考虑灵敏性校核的HPQFC系统时间调节方法、考虑选择性校核的HPQFC系统故障电流调节方法,实现了HPQFC系统与配电网线路电流保护的正确配合;采用动作时序分析法,分别提出了瞬时短路故障下的HPQFC系统运行策略、永久性短路故障下的HPQFC系统运行策略,确保了HPQFC系统与线路重合闸保护正确配合。(4)提出了HPQFC系统提高风电场低电压穿越能力的方法。基于风电场低电压穿越技术现状,以鼠笼型异步发电机为例,深入分析了故障发生期间、故障发生后的风机运行特征,并基于此理论,提出了HPQFC系统改善风电场LVRT能力的综合控制方法:动态电压补偿策略、多功能补偿策略。当电网电压轻微波动时,采用动态电压补偿策略;当电网发生严重跌落时,故障期间采用串联阻抗补偿策略抬升并网点电压,故障后采用动态电压补偿策略抑制电压波动;提出了适用于风电场低电压穿越的HPQFC系统多模式切换流程,能够有效处理不同程度的电网侧电压跌落。(5)提出了HPQFC系统研制及工程应用基本原则,以南方电网公司某110k V变电站电能质量调节与故障限流综合控制工程为背景,提出了一套完整的方案设计思想。为确保HPQFC系统控制性能及设备长期安全运行,提出了HPQFC系统工程化中应当解决的关键技术问题;研制了HPQFC系统工程设备,并详细介绍了该设备现场安装进展及其电能质量调节功能、故障限流功能验证的试验方案。本文依据“智能电网”建设对具有电能质量调节、故障限流的多功能设备需求事实,提出了一种新型电能质量调节与故障限流复合系统,并对其控制策略、工程化应用等问题开展了深入研究。HPQFC系统克服了传统串联型电能质量治理设备在短路故障下无法实现自身保护,传统故障限流设备功能单一、利用效率低等问题,实现了电网企业投资单一设备便能达到电能质量治理与故障限流的目的。本文提出的HPQFC系统研究方法,可为其他复合系统研究提供一定借鉴意义;工程化设计思路及关键性技术还可分别推广至其他电能质量调节装置、故障限流装置的设计与工程应用中,为推动电力电子设备的实用化提供有益参考与借鉴。