电力是我国能源转型的中心环节,电网革命是能源转型的关键。近年来,人们对于电力生产、传输、消费等相关问题认识不断深入,对电网安全、可靠、高效、高质运行的需求也愈发迫切。“智能电网”建设成为电能质量问题治理、电网可靠性提升,乃至能源转型升级的一种有效途径。电力电子装置凭借其节能、环保、高效、柔性、智能等优势已经渗透到电力系统中的各个环节,成为智能电网建设中的核心。其中,串联型电力电子装置与电网形成两端甚至多端连接,系统耦合程度高,已成功应用于电网潮流优化调控、故障限流、电压质量治理等方面,可有效解决电网潮流分布不均、短路容量不断提高、电压波动繁杂且频次增多等新的问题。可见,串联型电力电子装置具有广阔的应用前景,相关关键技术的研究极具研究价值,对新一代电网安全可靠、优质高效发展具有重要意义。针对DVR等串联型电力电子装置在启动/退出过程的幅值/相角跳变问题、负荷侧短路/接地故障下的运行可靠性问题,本文在国家自然科学基金项目“串联接入电网的电压源型变流器暂态特性与故障穿越研究(51707014)”、“新型电能质量调节与故障限流复合系统关键技术研究(51377051)”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DVR输出特性、运行控制及其工程应用等相关问题。研究成果充分考虑了DVR拓扑结构特点和运行特性,遵循从DVR自身输出性能和容量配置角度出发,涵盖网侧小扰动到负荷侧大扰动下DVR优化运行的研究思路,提出了一系列关键技术与设计方法,为DVR及其衍生系统的推广应用奠定了基础。主要工作和创新点如下:(1)着重分析了DVR系统的输出特性与稳定运行区间,为参数设计和运行优化提供理论指导。首先,对比分析了储能型DVR和背靠背型DVR的工作特点,考虑背靠背型DVR输出能力会受电网电压跌落、负荷波动以及并、串联侧变流器耦合关系的影响,从背靠背型DVR并联部分在重载下的失稳机理出发,对其带载能力进行理论推导,得到背靠背型DVR并联部分最大带载能力的数学模型。从并联变流器带载能力角度出发,联立串联变流器输出时的等效模型,得到了串联变流器调制比与变流器电路参数、直流侧电压、负荷大小、电网电压幅度的关系,进而得到基于直流侧电压稳定下的DVR最大输出能力。(2)提出了电网侧电压扰动下DVR的相角跳变抑制方法。在分析DVR补偿期间相角跳变产生的原因以及影响因素基础上,提出基于DVR输出电压相角平滑过渡的柔性调控策略,保证DVR从待机模式平滑进入最小能量补偿模式,同样也能够平滑退出运行。基于DVR相角控制特点以及能量流动关系,提出一种适用于储能型DVR的能量自恢复策略,在弥补DVR补偿期间消耗的能量的同时有效保证了能量自恢复期间无大的相角跳变产生,且无需额外的充电环节。此外,分析了DVR稳定运行边界对其运行模式的影响,以及直流侧电压下降使得储能型DVR运行边界超出的可能,进而提出相应的DVR补偿参考值调整策略,避免过调制现象发生。基于相角控制的DVR可实现补偿期间的平滑启停,并实现储能型DVR补偿阶段完成后的直流侧能量快速自恢复。(3)提出了负荷侧短路故障下DVR的故障电流限制方法。充分考虑DVR在电网负载侧发生短路故障时的响应特征和拓扑演化情况,提出了分别基于滤波电感复用和不控整流桥复用的FCL-DVR典型拓扑结构。对两种方案的工作原理进行对比分析,建立了故障限流模式下的电气模型,得出基于滤波电感复用的方案在中高压场合优势明显,而基于不控整流桥复用的方案更适用于三相共直流母线的中低压场合;深入剖析了新型DVR系统在动态电压补偿模式与故障限流模式之间相互切换的暂态运行机理,给出了模式间灵活切换时功率器件的最优导通时序。FCL-DVR系统兼具电压质量调节与故障限流功能,可实现负荷侧短路故障下的自我保护,并减小故障过电流对其他电力设备的危害,一机多用,有效提高设备利用率。(4)提出了考虑多目标联合优化的串联电容耦合式DVR及其控制方法。基于DVR同相补偿、最小能量补偿在串联变流器工作电压、输出有功功率方面的特点,进行串联电容耦合型DVR初探。首先,详细分析了串联电容耦合型DVR的运行原则以及与传统策略的特征对比,研究了负荷波动对串联电容耦合型DVR运行边界的影响,给出补偿参考值调整策略。另外,探讨了负荷侧短路故障下串联电容耦合型DVR的故障穿越能力,给出限流期间的谐振抑制方法,保证运行可靠性。通过分析串联电容耦合型DVR控制系统在补偿电压跟踪、负载电流响应方面的幅频、相频特性,确定串联电容最优安装位置,并给出参数和控制策略设计原则。基于最小能量补偿策略的串联电容耦合型DVR兼顾同相补偿注入电压小的优点,可实现变流器容量、直流侧电压以及功率等级的最优配置。(5)建立了低压小功率实验平台以及基于RT-LAB的硬件在环实验平台,对新型DVR的运行机理和功能进行验证;从南方电网公司某110kV变电站电压质量调节和故障过电流限制的工程需求角度出发,提出了10kV/1.5MVA新型DVR的工程整机结构、功率模块、串联变压器、限流支路、控制系统等一套完整的设计方案。研制了新型DVR系统工程设备,制订了详细的装置出厂测试、现场安装及试验方案。本文依据“智能电网”在安全、可靠、高效、高质运行方面的要求,以串联型电力电子装置在配电网中应用的典型代表DVR为研究对象,以电压质量调节和故障限流技术研究为核心,重点关注DVR及其衍生系统与电网交互过程中存在的关键问题,在拓扑结构、控制策略、工程化应用等方面开展了系统性研究。研究成果可为其他串联型电力电子装置及其复合系统的技术研究与工程应用提供有益参考和借鉴。