陈坚---电力电子变换和控制技术(第10章)

单击此处编辑母版标题样式,*,电力电子学,电力电子变换和控制技术（第二版）,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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STATCOM,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,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SMES,10.9 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TSCThyristor 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,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,TCR,在,t=,时开通,T,1,在,t=+,时开通,T2,在,t,=,时,在,t,=2,时,10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR 续1,电流,i,(t),负半波：,作傅立叶分析,基波有效值,电感,L,的等效基波电抗为,，,i,(t),比,v,落后,90,，电流为正弦波,电流,i,(t),正半波：,10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR 续2,=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，,i,T2=0,才能开通,T1,，所以波形与,=90,相同；,调控范围,90,180,TSC,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,TCSC,10.2.2,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,无,C,，,A,处无负载时:,将图中的一个,1/2Lc,改为,R,，即构成同步振荡阻尼器,SSRD,10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC续1,为确保发电机扰动状态运行稳定性，不宜过大。XL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。,固定C，相控电抗XL，构成TSCSThyristor Controlled Series Capacitor),矢量图,10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC续2,相控电感,l,的等效感抗：,传输功率,=180,时 ，,AB,两点等效容抗,=90,时 ，,AB,两点等效容抗,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,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,v,c,减小为,0,；,在,D,点,T2,关断后,-,i,(t),流过电容,C,，使负,v,c,增大，,t,2,时，,+,i,(t),又使负,v,c,减小为,0,。,A点开通T1，B点关断T1，那么在AB期间T1通态短接电容C，vc=0；,C点开通T2，D点关断T2，那么在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,GCSC,假设为 T1的关断控制角那么,等效基波电容容抗,对,v,c,(,t,),作傅立叶分析，可得,v,c,(,t,),基波电压有效值,在,BC,期间，,在,DE,期间，,10.2.2,可关断晶闸管,GTO,控制的串联电容补偿器,GCSC,等效基波容抗,/2,时，,=,时,=180,，,v,c,=0,，,C,不起作用,；,=,/2,时,=0,，,C,接入线路，,v,c,为完整的正弦波；,10.2.2,可关断晶闸管,GTO,控制的串联电容补偿器,GCSC,=,和,=/2,时,GCSC,的,v,c,都不会引起谐波电压。,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,90180,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),当 时，输出超前无功电流 ，从电网吸收滞后无功电流。,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,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),输入有功功率,输出滞后无功功率,从电网输入有功功率,P,用于补充变流器功耗使,V,D,恒定。,10.3 PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM 续2,1.电压VD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ASVGAdvanced Static Var Generator。也被称为静止同步补偿器STATCOMStatic 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，别离出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,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,v,h,。,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,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。,2.若，向电网串联注入有功功率,3.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。,4.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,I经PT1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。,I在逆变状态向电网送出有功功率时，II那么高频整流从电网吸取有功功率；,I在高频整流状态从电网吸取有功功率时，II那么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1,10.7 统一潮流控制器UPFC续2,10.7 统一潮流控制器UPFC 续3,10.7 统一潮流控制器UPFC 续4,180,180,10.8,超导磁体储能系统,SMES,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。,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,电力系统任何时刻,P,0,，,发电机,P,负载,P,。,储能类型,：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。,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2,1三相桥高频整流，从电网输入PAC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；vEFVD，在Toff=(1-D)Ts期间，T7断态，T8仍导通，Isc经T8、D7续流，vEF0，平均值VEFDVD,起导线圈输入功率,T,7,导电占空比,D,Ton/Ts=P,AC,+,/V,D,I,SC,，,检测、，按指令要求的确定,D,，即可使,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Ton=DTs 期间令T8导通，ISC经T8、D7续流，VEF0，在Toff=(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,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4,10.9,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50100%，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、更高的平安可靠性、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开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