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电 力 电 子 学电 力 电 子 变 换 和 控 制 技 术 （ 第 二 版 ）第 10 章电 力 电 子 开 关 型 电 力 补 偿 、控 制 器 10 电 力 电 子 开 关 型 电 力 补 偿 、 控 制 器10.0 概 述10.1 晶 闸 管 开 关 型 并 联 电 抗 补 偿 控 制 器10.2 晶 闸 管 开 关 型 串 联 电 抗 补 偿 器10.3 PWM开 关 型 并 联 无 功 功 率 发 生 器 STATCOM10.4 谐 波 电 流 补 偿 器 HCC（ 或 并 联 型 电 力 有 源 滤 波 器 PAPF）10.5 谐 波 电 压 补 偿 器 HVC（ 或 串 联 型 电 力 有 源 滤 波 器 SAPF）10.6 PWM开 关 型 串 联 同 步 电 压 补 偿 器 SSSC*10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC*10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES10.9 小 结 10.0 概 述电 力 半 导 体 开 关 器 件 所 构 成 的 电 力 电 子 开 关 电 路 有 两 类应 用 ： 1. 电 力 电 子 变 换 电 源 。实 现 电 力 变 换 。 2. 电 力 电 子 补 偿 、 控 制 器 。输 出 可 控 的 电 压 串 联 在 线 路 上 ， 补 偿 控 制 线 路 电 压 。输 出 可 控 的 电 流 并 联 在 电 网 上 ， 补 偿 控 制 线 路 电 流 。串 联 在 线 路 上 补 偿 控 制 线 路 等 效 阻 抗 。并 联 在 电 网 上 补 偿 控 制 电 网 等 效 负 载 阻 抗 。 10.0 概 述 （ 续 ）分 类 ： 按 电 力 补 偿 控 制 器 中 所 用 开 关 器 件 及 其 控 制 方 式 的 不 同 ，可 以 分 为 ：晶 闸 管 相 控 型 电 力 补 偿 控 制 器 。 全 控 开 关 器 件 高 频 PWM补 偿 控 制 器 。 优 点 ： 使 电 力 系 统 的 有 功 、 无 功 功 率 潮 流 优 化 ， 平 衡 电 力 系 统 的有 功 、 无 功 功 率 ， 抑 制 功 率 振 荡 ， 可 以 改 善 电 力 系 统 的 供电 质 量 和 运 行 特 性 ， 可 以 提 高 运 行 的 经 济 性 和 可 靠 性 ， 提高 电 力 设 备 （ 发 电 机 、 变 压 器 、 输 配 电 线 路 ） 的 利 用 率 ，减 少 备 用 电 力 设 备 。 10.1 晶 闸 管 开 关 型 并 联 电 抗 补 偿 控 制 器10.1.1 晶 闸 管 投 、 切 并 联 电 容 器 TSC（ Thyristor Switched Capacitors)10.1.2 晶 闸 管 相 控 并 联 电 抗 器 TCR 10.1.1 晶 闸 管 投 、 切 并 联 电 容 器 TSC图 10.1 晶 闸 管 投 切 电 容 器 TSC )110(2sinsin2/ 222 fVICIIfCVXVI QCC 投 、 切 并 联 电 容 ： 减 少 线 路 及 发 电 机 、 变 压 器 无 功 功 率 ，提 高 其 有 功 功 率 极 限 ， 减 少 P， 补 偿 感 性 负 载 压 降 。 缺 点 ： 只 能 电 压 过 零 投 、 切 ， 不 能 相 控 。 10.1.2 晶 闸 管 相 控 并 联 电 抗 器 TCRq在 t=时 开 通 T1q在 t=+时 开 通 T2 2 22 2( ) cos cos ,(10 6) ; 2 , ( ) 1 cos (10 7)mV Vi t t t i t i aL L q在 t=时q在 t=2时 10.1.2 晶 闸 管 相 控 并 联 电 抗 器 TCR （ 续 1）q电 流 i(t)负 半 波 ： 2 22 2( ) cos cos (10 6), (1 cos ) (10 5)mV Vi t t iL L q作 傅 立 叶 分 析 ,基 波 有 效 值 21 sin 2 2( ) (10 8)VI L q电 感 L的 等 效 基 波 电 抗 为 21 1 (10 10)sin 2 2( )VX LI ， i(t)比 v落 后 90， 电 流 为 正 弦 波90 ;LX L180 , 0LX q电 流 i(t)正 半 波 ： 22( ) cos cos (10 4)Vi t tL 10.1.2 晶 闸 管 相 控 并 联 电 抗 器 TCR （ 续 2）q=90 时 i(t)为 完 整 的 正 弦 波 ： =t从 90 再 提 前 发 触 发 脉 冲 时 ， 由 于 i(t)还 是 负 值 ， T2仍 在 导 通 不 能 开 通 T1， 待 到 t= 90 时 ， iT2=0才 能 开 通T1， 所 以 波 形 与 =90 相 同 ； 调 控 范 围 90 180 qTSC与 TCR联 合 工 作 ， 可 连 续 改 变 等 效 并 联 电 抗 的 大 小 和 性 质 ， 使 无 功 电 流 的 补 偿 恰 如 其 分 。 10.2 晶 闸 管 开 关 型 串 联 电 抗 补 偿 器10.2.1 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 TCSC10.2.2 可 关 断 晶 闸 管 GTO控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 GCSC 10.2.1 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 TCSC矢 量 图 q 无 C， A处 无 负 载 时 : 1 2 1sin ( ) , cos ( )d L q q L qE I X X E V I X X 2 2 22 2 2 21 1( cos )sin ,d qL q L qEV V E VP V I Q V IX X X X 2 2 2 22 1 1( cos )sin , cos( )E EL q L qEV E E VP P Q EIX X X X q 将 图 中 的 一 个 1/2Lc改 为 R， 即 构 成 同 步 振 荡 阻 尼 器 SSRD 1( )d L qI X X1( )L qI q X X2VEI dI qI 10.2.1 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 TCSC（ 续 1）q为 确 保 发 电 机 扰 动 状 态 运 行 稳 定 性 ， 不 宜 过 大 。 X L很 大时 ， P传 输 功 率 受 限 ， 远 小 于 导 线 发 热 所 允 许 的 功 率 极 限值 ， 在 线 路 中 串 入 电 容 ， 可 减 小 等 效 线 路 电 抗 ， 提 高 传 输功 率 。q固 定 C， 相 控 电 抗 XL， 构 成 TSCS（ Thyristor Controlled Series Capacitor) 矢 量 图 1( )d L qI X X1( )L qI q X X2VEI dI qI 10.2.1 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 TCSC（ 续 2）q相 控 电 感 l的 等 效 感 抗 ： 1 sin 2 2cLC lVX lI 1/CX C 1/ABX C lX l LX L X / 2 11C LAB C CCL C LX XX X XXX X X 传 输 功 率 21 sinq L ABE VP X X X q=180 时 ， AB两 点 等 效 容 抗q=90 时 ， AB两 点 等 效 容 抗q串 联 等 效 电 容 C容 抗 ： 10.2.1 晶 闸 管 控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 TCSC（ 续 3）q在 B点 T1关 断 后 +i(t)流 过 电 容 C， 使 v c增 大 ； t 时 ， -i(t)又 使 vc减 小 为 0；q在 D点 T2关 断 后 -i(t)流 过 电 容 C， 使 负 vc增 大 ， t 2时 ， +i(t)又 使 负 vc减 小 为 0。 qA点 开 通 T1， B点 关 断 T1， 则 在 AB期 间 T1通 态 短 接 电 容 C，vc=0 ；qC点 开 通 T2， D点 关 断 T2， 则 在 CD期 间 T2通 态 短 接 电 容 C，vc=0 。 10.2.2 可 关 断 晶 闸 管 GTO控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 GCSCq若 为 T1的 关 断 控 制 角 则 1 sin2 2C IV C 1 sin2 21( ) CC VX I C 等 效 基 波 电 容 容 抗对 vc(t)作 傅 立 叶 分 析 ， 可 得 vc(t)基 波 电 压 有 效 值1 2( ) 2 sin (cos cos )tc Iv t I tdt tC C 在 BC期 间 ， 1 2( ) 2 sin (cos cos )tc Iv t I tdt tC C 在 DE期 间 ， 10.2.2 可 关 断 晶 闸 管 GTO控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 GCSCq等 效 基 波 容 抗 CX 1/ 0C q/2 时 ，( ) 0CX q =时 ,=180 ， vc=0， C不 起 作 用 ；( /2) 1/CX C q =/2时 =0 ， C接 入 线 路 ， vc为 完 整 的 正 弦 波 ； sin 2 2( ) (10 12)C IX C 10.2.2 可 关 断 晶 闸 管 GTO控 制 的 串 联 电 容 补 偿 器 GCSCq =和 =/2时 GCSC的 v c都 不 会 引 起 谐 波 电 压 。 q采 用 N个 GCSC串 联 使 用 ， 根 据 所 需 的 等 效 补 偿 容 抗值 ， 只 控 制 一 个 GCSC的 在 90 180 之 间 变 化 ，可 以 减 小 GCSC所 引 起 的 谐 波 电 压 。 10.3 PWM开 关 型 并 联 无 功 功 率 发 生 器 STATCOM 图 10.5 (a) (b) (c) i sV V QIq 当 时 ， 输 出 超 前 无 功 电 流 ， 从 电 网 吸 收 滞 后 无 功 电 流 。q 三 相 桥 “ 逆 变 器 ” 输 出 三 相 对 称 基 波 电 压 ， 令 其 与 电 网 电 压 同 频 同 相 ，输 出 电 流 i S i S S iL L LV V V V V VI j jjX X X i sV V QIq 当 时 ， 输 出 滞 后 无 功 电 流 ， 可 补 偿 感 性 负 载 无 功 电 流 ； 10.3 PWM开 关 型 并 联 无 功 功 率 发 生 器 STATCOM（ 续 1）图 10.5 (a) (d) sin (10 17)i SS P V VP V I X ( cos ) (10 18)S i SS Q V V VQ V I X 输 入 有 功 功 率 输 出 滞 后 无 功 功 率q 从 电 网 输 入 有 功 功 率 P用 于 补 充 变 流 器 功 耗 使 VD恒 定 。 10.3 PWM开 关 型 并 联 无 功 功 率 发 生 器 STATCOM （ 续 2）1.电 压 V D闭 环 控 制 。2.无 功 功 率 Q闭 环 控 制 。 先 进 的 （ 或 高 级 的 ） 静 止 型 无 功 功 率 发 生 器 ASVG（ Advanced Static Var Generator） 。 也 被 称 为 静 止 同 步 补 偿 器 STATCOM（ Static Synchronous Compensator） ， 又 称 为 静 止 调 相 器 STATCON(Static Condenser)。图 10.5 (a) (e) 实 时 检 测 iA、 iB、 iC， 分 离 出 ih、 iL1Q ， 取 ih、 iL1Q为 变 流器 指 令 输 出 电 流 ， 控 制 变 流 器 实 际 输 出 电 流 ， 使 其 跟 踪 指 令电 流 ， 使 电 网 无 谐 波 电 流 ， 甚 至 没 有 无 功 电 流 。 10.4 谐 波 电 流 补 偿 器 HCC（ 或 并 联 型 电 力 有 源 滤 波 器 PAPF） 10.5 谐 波 电 压 补 偿 器 HVC（ 或 串 联 型 电 力 有 源 滤 波 器 SAPF）q非 线 性 负 载 ， 或 电 源 v S为 非 正 弦 ， 使 重 要 负 载 端 A、B、 C电 压 有 谐 波 vh。 hrv*c hv vq实 时 检 测 A、 B、 C处 的 谐 波 电 压 ， 取 变 流 器 的 指 令 输出 电 压 ， 则 重 要 负 载 R、 S、 T处 无 谐 波 电 压 。 10.6 PWM开 关 型 串 联 同 步 电 压 补 偿 器 SSSC 1. 若 ， 相 当 于 线 路 上 串 接 了 一个 容 抗 K， 等 效 串 联 电 容 补 偿 向 电 网 串 联 注 入 无 功 功 率 。, / / B A AB AB BAV V V jkI Z V I V I jk B AV V V kI P VI2. 若 ， 向 电 网 串 联 注 入 有 功 功 率 1V 2V V /( )LI V jX V3. 若 、 大 小 、 相 位 不 变 ， 串 入 则 增 加 线 路 电 流 改变 大 小 、 相 位 ， 可 调 控 线 路 有 功 、 无 功 功 率 潮 流 。1V V4. 若 大 小 、 相 位 不 变 ， 串 入 可 改 变 负 载 的 电 压 大 小 、 相 位 。 10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC qI经 PT 1并 联 在 电 网 上 ， 补 偿 电 流 ic； II经 PT2， 补 偿 电 压 V串 接在 线 路 上 。qI在 逆 变 状 态 向 电 网 送 出 有 功 功 率 时 ， II则 高 频 整 流 从 电 网 吸 取有 功 功 率 ；qI在 高 频 整 流 状 态 从 电 网 吸 取 有 功 功 率 时 ， II则 逆 变 向 电 网 送 出有 功 功 率 。 变 流 器 II输 出 的 串 联 补 偿 电 压 超 前 为 角 ； 超 前 为 + ， 串 入 后 ， 在 线 路 上 增 加 的 电 流 ， 滞 后 , 滞 后 的 相 角 为 10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC（ 续 1） 2VVV / /L LI V jX j V X I 902V 90 ( ) V 1V 1VI 10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC（ 续 2） 22 2 2cos cos90 ( ) sin( ) (10 19)P LV VP V I V I V I X 22 2 2sin sin90 ( ) cos( ) (10 20)Q LV VQ V I V I V I X 10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC （ 续 3） 2 2sin( ) ; cos( )L LV V V VP QX X 1 2 22 0 sin sin( );L LVV V VP P P X X 2 22 0 1 2( cos ) cos( )L LV V VQ Q Q V VX X 1 2 20 0 1 2sin ; ( cos )L LV V VP Q V VX X 10.7 统 一 潮 流 控 制 器 UPFC （ 续 4） 12 ( ) sinLV VP X 22 1 2( )cos LVQ V V VX 180 12 ( ) sin ,LV VP X 22 1 2( )cos LVQ V V VX 180 10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES q组 成 ： 1、 AC DC双 向 三 相 桥 四 象 限 变 流 器 ； 2、 二 象 限DC/DC变 换 器 ; 3、 超 导 线 圈 。q电 网 负 载 发 电 机 功 率 :变 流 器 逆 变 向 电 网 输 出 交 流 功 率 PAC，超 导 线 圈 磁 能 经 DC/DC输 出 PDC， 再 经 逆 变 器 向 电 网 输 出 PAC。 10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES（ 续 1）q电 力 系 统 任 何 时 刻 P 0， 发 电 机 P 负 载 P。q储 能 类 型 ： 电 池 ， 压 缩 空 气 ， 抽 水 储 能 ， 飞 轮 惯 性 储 能 。q优 点 ： 储 能 损 耗 小 ； 存 取 效 率 高 ； 响 应 快 ； 控 制 灵 活 ； 建 造不 受 地 点 限 制 ； 运 行 维 护 简 单 ； 投 资 不 断 下 降 ， 经 济 效 益 高 。 10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES （ 续 2）q （ 1） 三 相 桥 高 频 整 流 ， 从 电 网 输 入 P AC向 DC/DC变 换 器 输 出 ID， Buck型变 换 器 降 压 ， 在 整 个 开 关 周 期 中 T8都 导 通 ， 在 开 关 周 期 TS的 Ton=DTs期间 ， T7、 T8同 时 通 态 ； vEF VD， 在 Toff=(1-D)Ts期 间 ， T7断 态 ， T8仍 导通 ， Isc经 T8、 D7续 流 ， vEF 0， 平 均 值 VEF DVD SCIDV*ACP ACP *ACP q 起 导 线 圈 输 入 功 率 T7导 电 占 空 比 D Ton/Ts=PAC+ / VDISC， 检 测 、 ， 按 指 令 要 求 的 确 定 D， 即 可 使 DDACSCDSCEFSC IVPIDVIVP （ 2） 三 相 桥 工 作 在 逆 变 状 态 向 电 网 输 出 PAC， DC/DC变 换 器 从 超 导 线 圈 获得 直 流 功 率 ， DC/DC-Boost变 换 ， 升 压 后 输 出 电 压 VD， iD、 ID反 向 ， 在 整 个 开关 周 期 TS中 T7都 断 态 ， 在 T on=D Ts 期 间 令 T8导 通 ， ISC经 T8、 D7续 流 ， VEF 0 ， 在 T off=(1-D )Ts 期 间 T7、 T8都 处 于 断 态 ， ISC经 D8 、 D7反 送 回 直 流 母 线 ， VEF VD， VEF的 直 流 平 均 电 压10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES （ 续 3） (1 ) 1 1 (10 29)ACFE D DC D SC AC D SCPV D V P D V I P D V I ( / )on SD T T按 指 令 要 求 的 PAC及 检 测 到 的 VD、 ISC即 可 确 定 根 据 交 流 电 网 发 电 机 和 负 载 的 功 率 不 平 衡 情 况 ， 得 到 三 相 桥 变 换 器 输 入 交 流功 率 的 指 令 值 P*AC+ 、 Q*AC+ ， 或 输 出 的 交 流 功 率 指 令 值 P*AC - 、 Q*AC - ，再 根 据 实 测 的 VD及 ISC即 可 确 定 DC/DC变 换 器 的 工 况 及 占 空 比 D 或 D 。 而 按 P*AC 、 Q*AC及 交 流 电 网 电 压 值 即 可 确 定 三 相 桥 变 换 器 的 指 令 电 压 ，再 由 的 大 小 、 相 位 确 定 开 关 管 的 SPWM控 制 信 号 ， 并 使 三 相 变 换 器 交 流 侧 电压 与 电 源 电 压 之 差 产 生 电 流 ， 使 。10.8 超 导 磁 体 储 能 系 统 SMES （ 续 4） *iV*iV I * *,AC AC AC ACP P Q Q SV 10.9 小 结 利 用 电 力 半 导 体 开 关 器 件 可 以 调 控 电 感 、 电 容 、电 阻 的 数 值 ， 利 用 电 力 电 子 开 关 组 成 的 开 关 型 电 力变 换 电 路 可 以 构 成 各 种 类 型 的 电 压 、 电 流 补 偿 器 和控 制 器 。 这 些 电 力 补 偿 器 和 控 制 器 可 以 改 变 电 网 等 效 负 载的 感 抗 、 容 抗 和 电 压 、 电 流 ， 可 以 补 偿 谐 波 电 流 和谐 波 电 压 ， 可 以 调 控 电 网 负 载 的 基 波 电 压 的 大 小 和相 位 ， 可 以 补 偿 线 路 电 抗 ， 可 以 改 变 输 电 线 路 的 有功 和 无 功 功 率 ， 并 对 电 力 系 统 的 功 率 平 衡 进 行 快 速 、灵 活 、 有 效 的 调 节 和 控 制 。 （ 1） 灵 活 控 制 电 力 系 统 有 功 功 率 和 无 功 功 率 潮 流 ， 使电 力 系 统 、 电 网 中 的 潮 流 分 布 最 优 化 ， 减 少 损 耗 ，提 高 运 行 经 济 性 。（ 2） 线 路 传 输 的 功 率 有 可 能 增 大 至 接 近 导 线 的 热 极 限（ 比 以 往 由 电 力 系 统 稳 定 要 求 所 限 制 的 功 率 极 限 值提 高 50 100%） ， 最 充 分 地 利 用 输 电 线 的 传 输 能力 ， 又 能 确 保 电 力 系 统 的 运 行 稳 定 性 。（ 3） 减 少 备 用 发 电 机 组 的 容 量 。（ 4） 补 偿 无 功 功 率 ， 减 少 功 率 损 耗 ， 提 高 发 、 配 电 设备 利 用 率 。（ 5） 提 高 电 力 系 统 运 行 的 稳 定 性 和 供 电 可 靠 性 。（ 6） 消 除 非 线 性 负 载 的 谐 波 和 无 功 冲 击 对 电 力 系 统 的污 染 和 危 害 。 10.9 小 结 （ 续 1） 10.9 小 结 （ 续 2） 引 入 了 大 功 率 半 导 体 开 关 型 电 力 变 换 器 、 补 偿 器 、控 制 器 以 后 ， 原 有 电 力 系 统 的 结 构 将 发 生 重 大 变 化 。无 论 是 发 电 、 输 配 电 和 电 力 应 用 都 将 获 得 更 好 的 技术 经 济 效 益 、 更 高 的 安 全 可 靠 性 、 更 灵 活 有 效 的 控制 特 性 和 更 优 良 的 供 电 质 量 。 随 着 现 代 电 力 电 子 技 术 的 不 断 发 展 和 电 力 电 子 技术 在 电 力 系 统 领 域 中 的 广 泛 应 用 ， 传 统 的 电 力 系 统将 成 为 一 个 运 行 更 加 安 全 、 可 靠 、 经 济 、 控 制 灵 活的 柔 性 电 力 系 统 ， 传 统 的 电 力 技 术 将 发 生 革 命 性 的变 革 。