第4篇 電力電子應用裝置

1、4-1第第4 4篇篇 電力電子應用裝置電力電子應用裝置4-2高壓直流輸電（高壓直流輸電（HVDC）無功控制裝置（無功控制裝置（TCR、TSC、TSR、TCT）可控串聯(lián)補償（可控串聯(lián)補償（TCSC）有源濾波器（有源濾波器（APF）發(fā)電機勵磁發(fā)電機勵磁直流操作電源直流操作電源4.1 電力系統(tǒng)中的應用裝置電力系統(tǒng)中的應用裝置 電力電子技術廣泛應用于電力系統(tǒng)中電力電子技術廣泛應用于電力系統(tǒng)中4-3輸電容量：可達輸電容量：可達300萬千瓦萬千瓦700萬千瓦萬千瓦輸送距離：直流工程輸電距離不受限制?？蛇_輸送距離：直流工程輸電距離不受限制?？蛇_3000公里公里輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)輸送功率的

2、大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)接入后不會增加原有電力系統(tǒng)短路容量接入后不會增加原有電力系統(tǒng)短路容量直流輸電線路走廊窄直流輸電線路走廊窄500KV直流走廊寬度直流走廊寬度30m,送電送電300萬千瓦萬千瓦500KV交流走廊寬度交流走廊寬度55m,送電送電100萬千瓦萬千瓦4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 與交流輸電相比，直流輸電系統(tǒng)具有：輸送距離遠、與交流輸電相比，直流輸電系統(tǒng)具有：輸送距離遠、輸電容量大、線路走廊窄、控制靈活、調(diào)度方便等顯著輸電容量大、線路走廊窄、控制靈活、調(diào)度方便等顯著優(yōu)勢優(yōu)勢高壓直流輸電的特點高壓直流輸電的特點4-4直流電纜線路沒有電容電流問題，所以遠距離海底送直流電纜線

3、路沒有電容電流問題，所以遠距離海底送電往往采用直流電往往采用直流直流工程的一個極發(fā)生故障時，另一極可繼續(xù)運行，直流工程的一個極發(fā)生故障時，另一極可繼續(xù)運行，并可發(fā)揮過負荷能力，保持送電功率不變或減少功率并可發(fā)揮過負荷能力，保持送電功率不變或減少功率損失損失直流系統(tǒng)本身配有調(diào)制功能，可以根據(jù)系統(tǒng)要求作出直流系統(tǒng)本身配有調(diào)制功能，可以根據(jù)系統(tǒng)要求作出反應，對機電振蕩產(chǎn)生阻尼，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平反應，對機電振蕩產(chǎn)生阻尼，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平使用換流站無功功率控制進行系統(tǒng)的交流電壓調(diào)節(jié)使用換流站無功功率控制進行系統(tǒng)的交流電壓調(diào)節(jié)大電網(wǎng)之間通過直流互聯(lián)（如背靠背方式），兩個電大電網(wǎng)之間通過直流互聯(lián)（如

4、背靠背方式），兩個電網(wǎng)間不會互相干擾和影響，必要時可以迅速進行功率網(wǎng)間不會互相干擾和影響，必要時可以迅速進行功率支援支援 這恰是我國電網(wǎng)發(fā)展所需要的這恰是我國電網(wǎng)發(fā)展所需要的！4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電4-5葛洲壩葛洲壩上海直流工程上海直流工程 500kV，1200A，1200兆瓦，兆瓦， 1052km， 1990年雙極年雙極天生橋天生橋廣州直流輸電工程廣州直流輸電工程 500kV，1800A，1800兆瓦，兆瓦， 960km， 2001年雙極年雙極三峽三峽常州直流輸電工程常州直流輸電工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 890km， 2003年雙極年雙極舟山直流工程舟

5、山直流工程 -100kV，500A，50兆瓦，兆瓦， 42km架空架空12km海底電纜，海底電纜， 1987年年三峽三峽廣東直流工程廣東直流工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 956km， 2004年雙極年雙極貴州貴州廣東直流工程廣東直流工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 900km， 2004年雙極年雙極4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電我國已投運的高壓直流輸電工程我國已投運的高壓直流輸電工程4-64.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電4-7交流濾波交流濾波器器換流換流變壓器變壓器換流變閥換流變閥側(cè)套管側(cè)套管穿墻套管穿墻套管旁路旁路開關開關旁路刀閥旁路刀閥平波

6、平波電抗器電抗器電壓電壓分壓器分壓器電容器電容器隔離隔離開關開關直流線路直流線路直流濾波器直流濾波器電容器電容器避雷管避雷管接地刀閥接地刀閥換流換流閥閥交流系統(tǒng)交流系統(tǒng)4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電換流站主設備換流站主設備4-84.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電4-9 1-換流變壓器；換流變壓器；2-換流器；換流器；3-平波電抗器；平波電抗器；4-直流輸電線路；直流輸電線路；5-接地極系統(tǒng)；接地極系統(tǒng)；6-兩端交流系統(tǒng)兩端交流系統(tǒng)4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電雙極直流輸電系統(tǒng)接線示意圖4-10整流站：因觸發(fā)角小，所需無功量小整流站：因觸發(fā)角小，所需無功量小逆變站：為防止逆變失敗，

7、逆變角大，所需無功量大逆變站：為防止逆變失敗，逆變角大，所需無功量大4.1.1 高壓直流輸電高壓直流輸電無功配置無功配置濾波器配置濾波器配置交流側(cè)濾波器交流側(cè)濾波器 整流站：整流站：DT11/24雙調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、 DT13/36濾波器、濾波器、HP3濾波器、濾波器、并聯(lián)電容器（無功）并聯(lián)電容器（無功） 逆變站：逆變站：DT11/24雙調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、 DT13/36濾波器、并聯(lián)電容器濾波器、并聯(lián)電容器（無功）（無功）直流側(cè)濾波器直流側(cè)濾波器 無源濾波器：無源濾波器：TT11/24/45三調(diào)諧濾波器三調(diào)諧濾波器4-11晶閘管觸發(fā)角a 的移相范圍為90 180控制a 角可連續(xù)

8、調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率。配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變4.1.2 晶閘管可控電抗器（晶閘管可控電抗器（TCR） TCR TCR是晶閘管型靜止無功補償器（是晶閘管型靜止無功補償器（SVCSVC）的重要組成部）的重要組成部件之一，它是通過控制晶閘管的觸發(fā)角來改變電抗器的件之一，它是通過控制晶閘管的觸發(fā)角來改變電抗器的工作電流，從而等效于調(diào)節(jié)了電抗器的電感量工作電流，從而等效于調(diào)節(jié)了電抗器的電感量TCRTCR的工作原理的工作原理晶閘

9、管控制電抗器(TCR)電路4-12晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)TCR電路負載相電流和輸入線電流波形 a) =120 b) =135 c) =160 4.1.2 晶閘管可控電抗器（晶閘管可控電抗器（TCR）4-134.1.2 晶閘管可控電抗器（晶閘管可控電抗器（TCR）當晶閘管觸發(fā)角iL等效于電感 L ，即調(diào)節(jié) 等效于改變L 再配合固定的電容（實際上為濾波器） 可以作為無功償由于晶閘管觸發(fā)角 a 變化，TCR電路存在著低階諧波分量，為了防止此諧波電流流入系統(tǒng)影響其他設備，一般加裝2，3，4次濾波器。TCR一般應用于10kV，35kV配電系統(tǒng)，作為動態(tài)無功補償裝置TCRTCR的工作原

10、理的工作原理C2C3C4CFL2L3L4LF4-14把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電容器的作用。響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷。對無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。實際常用三相，可三角形聯(lián)結，也可星形聯(lián)結。4.1.3 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC） TSC TSC是當前廣泛應用的低壓無功補償裝置，它是通過晶是當前廣泛應用的低壓無功補償裝置，它是通過晶閘管的過零觸發(fā)來控制電容器組的投切，以實現(xiàn)對容性閘管的過零觸發(fā)來控制電容器組的投切，以實現(xiàn)對容性無功量的調(diào)節(jié)無功量的調(diào)節(jié)TSCTSC的作用的作用4-15晶閘管作為

11、投切電容的開關，為抑制電容投切瞬間的電流沖擊，要求過零投切：零電壓投入零電壓投入零電流切除零電流切除延伸方案：TSF 晶閘管投切濾波器4.1.3 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）TSCTSC的過零投切的過零投切TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖4-16晶閘管的投切選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，就不會產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusi

12、CuCCVT1VT2VT1TSC理想投切時刻原理說明4.1.3 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）4-17TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式由于二極管的作用，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值。成本稍低，但響應速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1TSC理想投切時刻原理說明4.1.3 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）4-18左圖：三相共補，可省一個晶閘管模塊中圖：可三相分補，實現(xiàn)不平衡補償右圖：三相共補或不平衡補償4.1.3 晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC

13、）TSCTSC的常用接線方法的常用接線方法TSC的幾種典型接線方式4-19當需要投入電抗器運行時，晶閘管在觸發(fā)角a 90時觸發(fā)，從而實現(xiàn)全導通，電抗器工作無諧波。當無需投入電抗器時，不觸發(fā)晶閘管，從而實現(xiàn)全關斷，電抗器不工作。配合固定的電容器實現(xiàn)無功補償配合固定的電容器實現(xiàn)無功補償4.1.4 晶閘管開關電抗器（晶閘管開關電抗器（TSR） TSR TSR是是TCRTCR的一種特例，它沒有使用變觸發(fā)角控制，而的一種特例，它沒有使用變觸發(fā)角控制，而只工作在兩種狀態(tài)：全導通或者全關斷，相當于開關電只工作在兩種狀態(tài)：全導通或者全關斷，相當于開關電抗器?？蛊鳌?克服克服TCRTCR工作時的諧波污染工作時的

14、諧波污染TSRTSR的工作原理的工作原理4-20將變壓器和電抗器合并為一，大大減小了體積、成本TCT鐵芯具有極大的過負荷能力，而TCR的空芯電抗器不具備配合固定的電容器實現(xiàn)無功補償配合固定的電容器實現(xiàn)無功補償4.1.5 晶閘管控制變壓器（晶閘管控制變壓器（TST） TCT TCT是一種特殊設計的高漏抗變壓器（漏抗典型值為是一種特殊設計的高漏抗變壓器（漏抗典型值為100%100%），其二次繞組通過反并聯(lián)晶閘管對來構成回路，），其二次繞組通過反并聯(lián)晶閘管對來構成回路，通過控制晶閘管的觸發(fā)角，就能提供連續(xù)變化的無功功通過控制晶閘管的觸發(fā)角，就能提供連續(xù)變化的無功功率（配合固定的電容器）率（配合固定的

15、電容器）TCTTCT的特點的特點4-21串聯(lián)電容器補償，產(chǎn)生的無功與線路電流的平方成正比，而并聯(lián)電容器補償，產(chǎn)生的無功與母線電壓的平方成正比，要達到相同的系統(tǒng)補償效果時，一般并聯(lián)補償容量為串聯(lián)補償?shù)?6倍；串聯(lián)補償電容器，因流過的電流大而導致耐壓高，使電容器的造價高（約為并聯(lián)電容的2倍）；串聯(lián)電容器補償所產(chǎn)生的無功隨負載電流大小而自動調(diào)節(jié)。4.1.6 晶閘管可控串補（晶閘管可控串補（TCSC） TCSC TCSC是一個可控的串聯(lián)容性電抗，能夠?qū)€路功率進是一個可控的串聯(lián)容性電抗，能夠?qū)€路功率進行大范圍的連續(xù)控制，它是將一對反并聯(lián)的晶閘管控制行大范圍的連續(xù)控制，它是將一對反并聯(lián)的晶閘管控制電抗

16、器支路和一個固定的電容器支路并聯(lián)后，串聯(lián)到輸電抗器支路和一個固定的電容器支路并聯(lián)后，串聯(lián)到輸電線路中。電線路中。串聯(lián)補償與并聯(lián)補償串聯(lián)補償與并聯(lián)補償4-22提高串聯(lián)補償輸電線路的輸送能力；由于輸送功率的提高而導致的串聯(lián)補償線路上的額外功耗；系統(tǒng)中其他線路故障時，串聯(lián)補償輸電線路上的潮流響應能力得到了提高。4.1.6 晶閘管可控串補（晶閘管可控串補（TCSC）串聯(lián)補償?shù)淖饔么?lián)補償?shù)淖饔每勺兇?lián)補償?shù)谋匾钥勺兇?lián)補償?shù)谋匾源?lián)補償輸電線路的額外功耗可用可變串補改善；串聯(lián)補償線路對網(wǎng)絡故障響應的靈敏度增加，可能會使其負荷水平超出本身已增加的輸送能力，需要通過可變串補來避免；串聯(lián)補償度可以根據(jù)某

17、個時刻所需的功率水平來改變，但不會影響其他的系統(tǒng)性能指標。4-23可以快速、連續(xù)地控制輸電線路的串聯(lián)補償度；動態(tài)控制網(wǎng)絡中選定輸電線路的潮流，以達到最優(yōu)潮流的條件并防止功率環(huán)流的產(chǎn)生；阻尼由本地和區(qū)域間振蕩模式所引起的功率波動；抑制次同步振蕩，在次同步頻率下，TCSC呈現(xiàn)為一個固有的電阻電感性電抗，使次同步振蕩不可能維持，因而會最終衰減；降低直流偏移電壓，當加入串聯(lián)電容器后，總會產(chǎn)生直流偏移電壓，而在TCSC晶閘管的觸發(fā)角控制下，這個直流偏移電壓能夠快速衰減（在幾個周波內(nèi)）；電壓支持，TCSC與串聯(lián)電容器相結合，所產(chǎn)生的無功功率隨線路負荷的增加而增加，因而有助于調(diào)節(jié)本地網(wǎng)絡的電壓以及緩解電壓不

18、穩(wěn)定問題；4.1.6 晶閘管可控串補（晶閘管可控串補（TCSC）TCSCTCSC的優(yōu)點的優(yōu)點4-244.1.6 晶閘管可控串補（晶閘管可控串補（TCSC）提高串聯(lián)電容器的保護水平。當發(fā)生故障后電容器出現(xiàn)的高過電壓可通過晶閘管控制達到快速旁路，同樣地，當故障排除后也可通過晶閘管的動作而使電容器快速投入，以幫助系統(tǒng)的穩(wěn)定；降低短路電流。在短路電流較高時，TCSC可以從可控容性模式轉(zhuǎn)到可控感性模式，因而限制了短路電流TCSC的結構的結構TCSCTCSC的優(yōu)點的優(yōu)點4-254.1.6 晶閘管可控串補（晶閘管可控串補（TCSC）TCSC的可變串聯(lián)補償度是通過控制晶閘管觸發(fā)角而使串聯(lián)補償線路中的固定電容的

19、基頻電壓得以提高；如果L(1/C)，則表示固定電容器FC的電抗值要比與之并聯(lián)的可變電抗器的電抗值小，等效阻抗總體呈可變的容性電抗；如果L=(1/C)，諧振會產(chǎn)生，并導致一個無窮大的容性阻抗，這顯然是一種不可接受的狀態(tài)；如果L1時，p，q為交流分量由此可見，p，q的直流分量僅有基波分量產(chǎn)生 而p，q的交流分量則有諧波分量產(chǎn)生qp 、4.1.7 有源濾波器（有源濾波器（APF）4-301uuipiuuq qpuuuuquuuupuuuu 10 10 122uu 則：其中：基波有功基波無功檢測方法說明：諧波分量僅需檢測出諧波電流時，則qpqpqpqpuuuuuuiicc 1224.1.7 有源濾波器

20、（有源濾波器（APF）4-31XXXXXXXXLPFLPFCCiiuuaubucucibiaiau iu i u i u i +-pq+-pqpq1uuuucici補償諧波的同時，也補償基波無功， 則 去掉LPF框及其后面的減法部分即可qpuuuuuuiicc 1224.1.7 有源濾波器（有源濾波器（APF）4-32僅補償基波無功則2201ccuuiiuuquu 按上述檢測框圖，只需計算q的直流分量即可。 上述檢測方法稱p-q法，它只適用于三相電源電壓對稱無畸變場所。 在三相電源電壓有畸變時，可采用ip-iq 法，其實現(xiàn)方案為：以實際的A相電壓為相位基準，虛構一個與之同步的三相對稱無畸變標準

21、電源 ，以此替代p-q法中的ua,ub,uc進行檢測，即為ip-iq 檢測法。 所以ip-iq 檢測法適用于三相電源電壓有畸變場所*au*bu*cu*au4.1.7 有源濾波器（有源濾波器（APF） 2. 電氣傳動的應用 直流傳動：DC電機，大功率應用場合電氣傳動 交流傳動：AC電機，應用廣泛 電機運動方程： 控制轉(zhuǎn)矩是關鍵 直流傳動 DC電機： ，與Ia正交，無耦合關系 在保持不變（勵磁電流If不變）時， 改變 Ia T LdTTJdtmTCaI調(diào)速方法：SCR可控硅整流電路，改變 U變化 電樞電流Ia=U/R變化 T改變 n變化 特點： 調(diào)速方便，性能優(yōu)，線性，但諧波大，功 率因數(shù)低交流傳

22、動 AC電機： 強耦合，非線性，T調(diào)節(jié)困難 調(diào)速方法： 調(diào)壓調(diào)速：風扇， TU2 ，UT ， 只適用于風扇2cosmTCi2, ,i 轉(zhuǎn)子回路串電阻：針對繞線式電機 - 改變sn變化，轉(zhuǎn)差率能量在電阻上消耗， 不節(jié)能 變型： - 串極調(diào)速；轉(zhuǎn)子回路接入“背靠背”可控整流及 有源逆變系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)差率能量回饋電網(wǎng) 改變SCR的，角 改變 s n 變化 變頻調(diào)速：適用各種電機，改變f n變化 變頻調(diào)速下的電機特性： a 當fdf 當ffe時，若按恒壓頻比特性，必有UUe，絕緣不允許 所以，只能最大限度地使電壓U達到最大限度Ue不變 UE=4.44fN=Ue不變時 f 則 T 此時電機工作在“恒功率”狀

23、態(tài)。C 當ffd時，由于f很小，n小 E小，IZ的值相對于E 的值不可忽略，則 為保持不變，只能適當提高U值 ，以補償IZ項 .UI ZEeECn=4.44fNIf4 .4 4UIZNf 綜上所述，對變頻器而言，必須滿足按恒V/f的特性（或按V/f的特性曲線變化）。 一般用于開環(huán)系統(tǒng)或要求不高的場合，如風機、水泵 高性能的交流傳動：需要控制電機的轉(zhuǎn)矩 常用策略：矢量控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制技術 基本思想：將三相感應電機經(jīng)過矢量坐標變換，變換成直流電機模型，實現(xiàn)勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，然后再按直流電機模型，分別對勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量獨立進行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和勵磁電流指令，并通過矢量坐標逆變換，將其指令轉(zhuǎn)化為3相電流指令值，由變頻器經(jīng)SPWM調(diào)制技術控制電機的實際電流按3相電流指令值變化，即可實現(xiàn)等效于直流電機的調(diào)速效果，實現(xiàn)高性 能的交流傳動。abcxxCxxxababccxxxCxx, abcCCC.+.+AB.Fw.+Fw+.MT可逆，唯一可逆，唯一需知角DC電機2相AC電機3相AC電機定子磁場：通AC電，產(chǎn)生三相磁場F，w旋轉(zhuǎn)定子磁場：通AC電，產(chǎn)生2相磁場F，w旋轉(zhuǎn)定子磁場：N,S極固定不變，靜止轉(zhuǎn)子：旋轉(zhuǎn)，W如果以轉(zhuǎn)子為參考系，定子旋轉(zhuǎn)w,F為常系數(shù)矩陣TabcCC假定軸與M軸夾角為則：0,360寫成矩陣形式有： 1coscosMT