近些年,以风电、光伏发电、直流输电为代表的电力电子装备大规模接入电力系统,这些电力电子装备控制结构与动态特性不同于传统同步发电机;一方面典型控制结构和参数下这些电力电子装备等效惯量低,大规模接入电网并取代电网中的传统电源,导致电网等效惯量降低,频率变化速度升高,恶化了电网频率动态,威胁电网安全稳定运行;另一方面传统电力系统对电压动态问题的认识和研究较少,针对电压的控制方法都以电压偏差(△U)作为输入量控制电压水平,而对电压变化速度(d△U/dt)缺乏认识和有效控制手段;传统电力系统中,过快的电压变化速度和有限的电压控制响应速度会导致电压闪变、凹陷等电能问题以及过电压问题;当前这些电力电子装备大多采用电流控制技术,在交流电压控制器起作用前,这些装备表现为电流源特性,对电网电压动态支撑弱,导致扰动发生到电压控制起作用前这段时间内电网电压变化速度更快,更容易引起低电压、过电压问题,进一步恶化了电压动态;而且电力电子器件耐受过电压、过电流能力弱,对电压动态和电压水平的要求更加苛刻。本文以含大规模风电电力系统为例在深入理解电网电压、频率动态过程的基础上,提出了一种新型电力电子补偿装备——惯量-刚度补偿器;利用惯量-刚度补偿器内电势旋转惯量特性实现的惯量补偿可降低电网频率变化速度,改善含大规模风电电力系统频率动态;利用惯量-刚度补偿器内电势幅值刚度特性实现的刚度补偿可降低风电并网点电压的变化速度,改善电网电压动态。所述惯量-刚度补偿器不仅适用于含大规模风电电力系统,也适用于改善含多直流输电馈入、大规模光伏发电电力系统及偏远地区小容量电力系统的频率和电压动态。本文将理论分析和仿真、实验验证相结合,围绕惯量-刚度补偿器装备自身的控制保护方法、动态特性及其对电网频率、电压动态的影响完成以下几个方面的研究工作:1.研究了基于有功、无功功率偏差的内电势幅值、相位直接控制方法,用于实现惯量-刚度补偿器旋转惯量特性和幅值刚度特性;并利用内电势幅相运动方程分析了惯量-刚度补偿器装备自身的惯量特性和刚度特性。2.提出了适用于含惯量-刚度补偿器的电网频率、电压动态的分析模型和方法,研究了惯量-刚度补偿器惯量特性和刚度特性对电网频率、电压动态影响;并以风电场为例,研究了惯量-刚度补偿器改善含大规模风电电力系统频率动态和风电集中并网点电压动态的作用和工程价值。3.分析了电网对称、不对称短路故障时惯量-刚度补偿器的动态特性及故障穿越面临的挑战,提出了适用于惯量-刚度补偿器的故障穿越策略和电压静态不对称时惯量-刚度补偿器的不间断运行控制策略,提高了惯量-刚度补偿器的故障穿越能力和电网适应能力,是惯量-刚度补偿器实现其工程应用的重要保障。4.设计、研制了惯量-刚度补偿器实验样机,验证了惯量-刚度补偿器控制方法、运行性能和改善电网频率、电压动态的基本功能以及电网故障时的控制保护方法的正确性和有效性,对工程应用具有一定的参考价值。