第4篇 电力电子应用装置

1、4-1第第4 4篇篇 电力电子应用装置电力电子应用装置4-2高压直流输电（高压直流输电（HVDC）无功控制装置（无功控制装置（TCR、TSC、TSR、TCT）可控串联补偿（可控串联补偿（TCSC）有源滤波器（有源滤波器（APF）发电机励磁发电机励磁直流操作电源直流操作电源4.1 电力系统中的应用装置电力系统中的应用装置 电力电子技术广泛应用于电力系统中电力电子技术广泛应用于电力系统中4-3输电容量：可达输电容量：可达300万千瓦万千瓦700万千瓦万千瓦输送距离：直流工程输电距离不受限制。可达输送距离：直流工程输电距离不受限制。可达3000公里公里输送功率的大小和方向可以快速控制和调节输送功率的

2、大小和方向可以快速控制和调节接入后不会增加原有电力系统短路容量接入后不会增加原有电力系统短路容量直流输电线路走廊窄直流输电线路走廊窄500KV直流走廊宽度直流走廊宽度30m,送电送电300万千瓦万千瓦500KV交流走廊宽度交流走廊宽度55m,送电送电100万千瓦万千瓦4.1.1 高压直流输电高压直流输电 与交流输电相比，直流输电系统具有：输送距离远、与交流输电相比，直流输电系统具有：输送距离远、输电容量大、线路走廊窄、控制灵活、调度方便等显著输电容量大、线路走廊窄、控制灵活、调度方便等显著优势优势高压直流输电的特点高压直流输电的特点4-4直流电缆线路没有电容电流问题，所以远距离海底送直流电缆线

3、路没有电容电流问题，所以远距离海底送电往往采用直流电往往采用直流直流工程的一个极发生故障时，另一极可继续运行，直流工程的一个极发生故障时，另一极可继续运行，并可发挥过负荷能力，保持送电功率不变或减少功率并可发挥过负荷能力，保持送电功率不变或减少功率损失损失直流系统本身配有调制功能，可以根据系统要求作出直流系统本身配有调制功能，可以根据系统要求作出反应，对机电振荡产生阻尼，提高电力系统稳定水平反应，对机电振荡产生阻尼，提高电力系统稳定水平使用换流站无功功率控制进行系统的交流电压调节使用换流站无功功率控制进行系统的交流电压调节大电网之间通过直流互联（如背靠背方式），两个电大电网之间通过直流互联（如

4、背靠背方式），两个电网间不会互相干扰和影响，必要时可以迅速进行功率网间不会互相干扰和影响，必要时可以迅速进行功率支援支援 这恰是我国电网发展所需要的这恰是我国电网发展所需要的！4.1.1 高压直流输电高压直流输电4-5葛洲坝葛洲坝上海直流工程上海直流工程 500kV，1200A，1200兆瓦，兆瓦， 1052km， 1990年双极年双极天生桥天生桥广州直流输电工程广州直流输电工程 500kV，1800A，1800兆瓦，兆瓦， 960km， 2001年双极年双极三峡三峡常州直流输电工程常州直流输电工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 890km， 2003年双极年双极舟山直流工程舟

5、山直流工程 -100kV，500A，50兆瓦，兆瓦， 42km架空架空12km海底电缆，海底电缆， 1987年年三峡三峡广东直流工程广东直流工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 956km， 2004年双极年双极贵州贵州广东直流工程广东直流工程 500kV，3000A，3000兆瓦，兆瓦， 900km， 2004年双极年双极4.1.1 高压直流输电高压直流输电我国已投运的高压直流输电工程我国已投运的高压直流输电工程4-64.1.1 高压直流输电高压直流输电4-7交流滤波交流滤波器器换流换流变压器变压器换流变阀换流变阀侧套管侧套管穿墙套管穿墙套管旁路旁路开关开关旁路刀阀旁路刀阀平波

6、平波电抗器电抗器电压电压分压器分压器电容器电容器隔离隔离开关开关直流线路直流线路直流滤波器直流滤波器电容器电容器避雷管避雷管接地刀阀接地刀阀换流换流阀阀交流系统交流系统4.1.1 高压直流输电高压直流输电换流站主设备换流站主设备4-84.1.1 高压直流输电高压直流输电4-9 1-换流变压器；换流变压器；2-换流器；换流器；3-平波电抗器；平波电抗器；4-直流输电线路；直流输电线路；5-接地极系统；接地极系统；6-两端交流系统两端交流系统4.1.1 高压直流输电高压直流输电双极直流输电系统接线示意图4-10整流站：因触发角小，所需无功量小整流站：因触发角小，所需无功量小逆变站：为防止逆变失败，

7、逆变角大，所需无功量大逆变站：为防止逆变失败，逆变角大，所需无功量大4.1.1 高压直流输电高压直流输电无功配置无功配置滤波器配置滤波器配置交流侧滤波器交流侧滤波器 整流站：整流站：DT11/24双调谐滤波器、双调谐滤波器、 DT13/36滤波器、滤波器、HP3滤波器、滤波器、并联电容器（无功）并联电容器（无功） 逆变站：逆变站：DT11/24双调谐滤波器、双调谐滤波器、 DT13/36滤波器、并联电容器滤波器、并联电容器（无功）（无功）直流侧滤波器直流侧滤波器 无源滤波器：无源滤波器：TT11/24/45三调谐滤波器三调谐滤波器4-11晶闸管触发角a 的移相范围为90 180控制a 角可连续

8、调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变4.1.2 晶闸管可控电抗器（晶闸管可控电抗器（TCR） TCR TCR是晶闸管型静止无功补偿器（是晶闸管型静止无功补偿器（SVCSVC）的重要组成部）的重要组成部件之一，它是通过控制晶闸管的触发角来改变电抗器的件之一，它是通过控制晶闸管的触发角来改变电抗器的工作电流，从而等效于调节了电抗器的电感量工作电流，从而等效于调节了电抗器的电感量TCRTCR的工作原理的工作原理晶闸

9、管控制电抗器(TCR)电路4-12晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b) =135 c) =160 4.1.2 晶闸管可控电抗器（晶闸管可控电抗器（TCR）4-134.1.2 晶闸管可控电抗器（晶闸管可控电抗器（TCR）当晶闸管触发角iL等效于电感 L ，即调节 等效于改变L 再配合固定的电容（实际上为滤波器） 可以作为无功偿由于晶闸管触发角 a 变化，TCR电路存在着低阶谐波分量，为了防止此谐波电流流入系统影响其他设备，一般加装2，3，4次滤波器。TCR一般应用于10kV，35kV配电系统，作为动态无功补偿装置TCRTCR的工作原

10、理的工作原理C2C3C4CFL2L3L4LF4-14把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电容器的作用。响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。4.1.3 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC） TSC TSC是当前广泛应用的低压无功补偿装置，它是通过晶是当前广泛应用的低压无功补偿装置，它是通过晶闸管的过零触发来控制电容器组的投切，以实现对容性闸管的过零触发来控制电容器组的投切，以实现对容性无功量的调节无功量的调节TSCTSC的作用的作用4-15晶闸管作为

11、投切电容的开关，为抑制电容投切瞬间的电流冲击，要求过零投切：零电压投入零电压投入零电流切除零电流切除延伸方案：TSF 晶闸管投切滤波器4.1.3 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）TSCTSC的过零投切的过零投切TSC基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图4-16晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusi

12、CuCCVT1VT2VT1TSC理想投切时刻原理说明4.1.3 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）4-17TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1TSC理想投切时刻原理说明4.1.3 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）4-18左图：三相共补，可省一个晶闸管模块中图：可三相分补，实现不平衡补偿右图：三相共补或不平衡补偿4.1.3 晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC

13、）TSCTSC的常用接线方法的常用接线方法TSC的几种典型接线方式4-19当需要投入电抗器运行时，晶闸管在触发角a 90时触发，从而实现全导通，电抗器工作无谐波。当无需投入电抗器时，不触发晶闸管，从而实现全关断，电抗器不工作。配合固定的电容器实现无功补偿配合固定的电容器实现无功补偿4.1.4 晶闸管开关电抗器（晶闸管开关电抗器（TSR） TSR TSR是是TCRTCR的一种特例，它没有使用变触发角控制，而的一种特例，它没有使用变触发角控制，而只工作在两种状态：全导通或者全关断，相当于开关电只工作在两种状态：全导通或者全关断，相当于开关电抗器。抗器。 克服克服TCRTCR工作时的谐波污染工作时的

14、谐波污染TSRTSR的工作原理的工作原理4-20将变压器和电抗器合并为一，大大减小了体积、成本TCT铁芯具有极大的过负荷能力，而TCR的空芯电抗器不具备配合固定的电容器实现无功补偿配合固定的电容器实现无功补偿4.1.5 晶闸管控制变压器（晶闸管控制变压器（TST） TCT TCT是一种特殊设计的高漏抗变压器（漏抗典型值为是一种特殊设计的高漏抗变压器（漏抗典型值为100%100%），其二次绕组通过反并联晶闸管对来构成回路，），其二次绕组通过反并联晶闸管对来构成回路，通过控制晶闸管的触发角，就能提供连续变化的无功功通过控制晶闸管的触发角，就能提供连续变化的无功功率（配合固定的电容器）率（配合固定的

15、电容器）TCTTCT的特点的特点4-21串联电容器补偿，产生的无功与线路电流的平方成正比，而并联电容器补偿，产生的无功与母线电压的平方成正比，要达到相同的系统补偿效果时，一般并联补偿容量为串联补偿的36倍；串联补偿电容器，因流过的电流大而导致耐压高，使电容器的造价高（约为并联电容的2倍）；串联电容器补偿所产生的无功随负载电流大小而自动调节。4.1.6 晶闸管可控串补（晶闸管可控串补（TCSC） TCSC TCSC是一个可控的串联容性电抗，能够对线路功率进是一个可控的串联容性电抗，能够对线路功率进行大范围的连续控制，它是将一对反并联的晶闸管控制行大范围的连续控制，它是将一对反并联的晶闸管控制电抗

16、器支路和一个固定的电容器支路并联后，串联到输电抗器支路和一个固定的电容器支路并联后，串联到输电线路中。电线路中。串联补偿与并联补偿串联补偿与并联补偿4-22提高串联补偿输电线路的输送能力；由于输送功率的提高而导致的串联补偿线路上的额外功耗；系统中其他线路故障时，串联补偿输电线路上的潮流响应能力得到了提高。4.1.6 晶闸管可控串补（晶闸管可控串补（TCSC）串联补偿的作用串联补偿的作用可变串联补偿的必要性可变串联补偿的必要性串联补偿输电线路的额外功耗可用可变串补改善；串联补偿线路对网络故障响应的灵敏度增加，可能会使其负荷水平超出本身已增加的输送能力，需要通过可变串补来避免；串联补偿度可以根据某

17、个时刻所需的功率水平来改变，但不会影响其他的系统性能指标。4-23可以快速、连续地控制输电线路的串联补偿度；动态控制网络中选定输电线路的潮流，以达到最优潮流的条件并防止功率环流的产生；阻尼由本地和区域间振荡模式所引起的功率波动；抑制次同步振荡，在次同步频率下，TCSC呈现为一个固有的电阻电感性电抗，使次同步振荡不可能维持，因而会最终衰减；降低直流偏移电压，当加入串联电容器后，总会产生直流偏移电压，而在TCSC晶闸管的触发角控制下，这个直流偏移电压能够快速衰减（在几个周波内）；电压支持，TCSC与串联电容器相结合，所产生的无功功率随线路负荷的增加而增加，因而有助于调节本地网络的电压以及缓解电压不

18、稳定问题；4.1.6 晶闸管可控串补（晶闸管可控串补（TCSC）TCSCTCSC的优点的优点4-244.1.6 晶闸管可控串补（晶闸管可控串补（TCSC）提高串联电容器的保护水平。当发生故障后电容器出现的高过电压可通过晶闸管控制达到快速旁路，同样地，当故障排除后也可通过晶闸管的动作而使电容器快速投入，以帮助系统的稳定；降低短路电流。在短路电流较高时，TCSC可以从可控容性模式转到可控感性模式，因而限制了短路电流TCSC的结构的结构TCSCTCSC的优点的优点4-254.1.6 晶闸管可控串补（晶闸管可控串补（TCSC）TCSC的可变串联补偿度是通过控制晶闸管触发角而使串联补偿线路中的固定电容的

19、基频电压得以提高；如果L(1/C)，则表示固定电容器FC的电抗值要比与之并联的可变电抗器的电抗值小，等效阻抗总体呈可变的容性电抗；如果L=(1/C)，谐振会产生，并导致一个无穷大的容性阻抗，这显然是一种不可接受的状态；如果L1时，p，q为交流分量由此可见，p，q的直流分量仅有基波分量产生 而p，q的交流分量则有谐波分量产生qp 、4.1.7 有源滤波器（有源滤波器（APF）4-301uuipiuuq qpuuuuquuuupuuuu 10 10 122uu 则：其中：基波有功基波无功检测方法说明：谐波分量仅需检测出谐波电流时，则qpqpqpqpuuuuuuiicc 1224.1.7 有源滤波器

20、（有源滤波器（APF）4-31XXXXXXXXLPFLPFCCiiuuaubucucibiaiau iu i u i u i +-pq+-pqpq1uuuucici补偿谐波的同时，也补偿基波无功， 则 去掉LPF框及其后面的减法部分即可qpuuuuuuiicc 1224.1.7 有源滤波器（有源滤波器（APF）4-32仅补偿基波无功则2201ccuuiiuuquu 按上述检测框图，只需计算q的直流分量即可。 上述检测方法称p-q法，它只适用于三相电源电压对称无畸变场所。 在三相电源电压有畸变时，可采用ip-iq 法，其实现方案为：以实际的A相电压为相位基准，虚构一个与之同步的三相对称无畸变标准

21、电源 ，以此替代p-q法中的ua,ub,uc进行检测，即为ip-iq 检测法。 所以ip-iq 检测法适用于三相电源电压有畸变场所*au*bu*cu*au4.1.7 有源滤波器（有源滤波器（APF） 2. 电气传动的应用 直流传动：DC电机，大功率应用场合电气传动 交流传动：AC电机，应用广泛 电机运动方程： 控制转矩是关键 直流传动 DC电机： ，与Ia正交，无耦合关系 在保持不变（励磁电流If不变）时， 改变 Ia T LdTTJdtmTCaI调速方法：SCR可控硅整流电路，改变 U变化 电枢电流Ia=U/R变化 T改变 n变化 特点： 调速方便，性能优，线性，但谐波大，功 率因数低交流传

22、动 AC电机： 强耦合，非线性，T调节困难 调速方法： 调压调速：风扇， TU2 ，UT ， 只适用于风扇2cosmTCi2, ,i 转子回路串电阻：针对绕线式电机 - 改变sn变化，转差率能量在电阻上消耗， 不节能 变型： - 串极调速；转子回路接入“背靠背”可控整流及 有源逆变系统，将转差率能量回馈电网 改变SCR的，角 改变 s n 变化 变频调速：适用各种电机，改变f n变化 变频调速下的电机特性： a 当fdf 当ffe时，若按恒压频比特性，必有UUe，绝缘不允许 所以，只能最大限度地使电压U达到最大限度Ue不变 UE=4.44fN=Ue不变时 f 则 T 此时电机工作在“恒功率”状

23、态。C 当ffd时，由于f很小，n小 E小，IZ的值相对于E 的值不可忽略，则 为保持不变，只能适当提高U值 ，以补偿IZ项 .UI ZEeECn=4.44fNIf4 .4 4UIZNf 综上所述，对变频器而言，必须满足按恒V/f的特性（或按V/f的特性曲线变化）。 一般用于开环系统或要求不高的场合，如风机、水泵 高性能的交流传动：需要控制电机的转矩 常用策略：矢量控制技术、直接转矩控制矢量控制技术 基本思想：将三相感应电机经过矢量坐标变换，变换成直流电机模型，实现励磁分量和转矩分量的解耦，然后再按直流电机模型，分别对励磁分量和转矩分量独立进行调节，以产生转矩和励磁电流指令，并通过矢量坐标逆变换，将其指令转化为3相电流指令值，由变频器经SPWM调制技术控制电机的实际电流按3相电流指令值变化，即可实现等效于直流电机的调速效果，实现高性 能的交流传动。abcxxCxxxababccxxxCxx, abcCCC.+.+AB.Fw.+Fw+.MT可逆，唯一可逆，唯一需知角DC电机2相AC电机3相AC电机定子磁场：通AC电，产生三相磁场F，w旋转定子磁场：通AC电，产生2相磁场F，w旋转定子磁场：N,S极固定不变，静止转子：旋转，W如果以转子为参考系，定子旋转w,F为常系数矩阵TabcCC假定轴与M轴夹角为则：0,360写成矩阵形式有： 1coscosMT