第七章 灵活交流输电(0705)

1、电力电子在电力系统中的应用电力电子在电力系统中的应用第七章第七章灵活交流输电（FACTS）灵活交流输电 FACTS概念的提出 灵活交流输电系统（Flexible AC System简称FACTS），又译为柔性交流输电系统。 FACTS概念是又美国电力科学研究院的 N.G.Hingorani博士于1988年首先提出的，并于20世纪80年代末至90年代初进行探索性研究。FACTS的主要装置 静止无功补偿器 静止无功发生器 有源滤波器 次同步振荡阻尼器 晶闸管控制相角调节器 静止调相机 晶闸管控制动态制动器 可控串联电容补偿器 统一潮流控制器等用户电力技术的概念 向用户提供增值的电能高质量的电能 对

2、供电端采用电力电子装置， 综合解决各种电能质量问题， 共同的基础是电力电子学电力系统（CUSPOW）单线图一、 FACTS 的发展道路 上世纪60年代 70年代 第一代无功静止补偿器 饱和电抗器(SR)一、 FACTS 的发展道路上世纪60年代 90年代晶闸管投切电容器(TSC) 晶闸管控制电抗器(TCR)一、 FACTS 的发展道路上世纪90年代以来门极可关断设备(GTO;IGBT) 集成门极换流晶闸管(IGCT ; ETO) 金刚石真空器件 二、传统静止无功补偿器(SVC)的技术由三个基本模块构成: 晶闸管控制电抗器Thyristor Controlled Reactors (TCRs)

3、晶闸管投切电容器Thyristor Switched Capacitors (TSCs) 固定电容器Fixed Capacitors (FCs)LVTCRTSC2FilterTSC1HV静止无功补偿器(SVC)的功能 调节系统电压 平衡三相功率 调节无功功率 过滤系统谐波 抑止系统电压波动 阻尼系统功率振荡 提高暂态稳定极限 改善系统电压动态稳定性晶闸管控制电抗器 (TCR)产生感性无功功率可以实现快速连续的控制 吸收无功以降低系统电压可以依照控制曲线进行逐点控制 范围：最小电流到额定满值电流响应速度快是一个谐波源！ 原理图TCR 基本公式与波形2,2sin22LVIsL计算公式TCRTCR主

4、要接线形式和配置类型主要接线形式和配置类型 如图所示，TCR的三相接线形式大都采用三角形联结，因为这种接线形式比其他形式线电流中的谐波含量要小。晶闸管投切电容器(TSC)在一定范围内分组投切，不能连续补偿无功是快速投切的设备 发出无功功率以提高系统电压晶闸管用以投切电容器组 范围：在额定满值电流下投入或切除全部组快速响应不会产生谐波晶闸管投切电容器(TSC)供电点电压u电容器电压uc电容器电流ic晶闸管电压uvL-C 调谐滤波器静止无功补偿器(SVC)的调节特性电流可双向导通两支晶闸管反相并联组成一对可调节的电压等级可至35kV电压的阶跃级数决定了需要极联的电路串数。串式极联的“晶闸管对”SV

5、C 晶闸管的散热片SVC减弱电压波动 在线路末端的电压降落: Delt V=(Q*X+P*R)/V, 通常 XR 无功功率 Q 是影响电压降大小的主要因素，Q的频繁变化 将导致系统电压的频繁变化电压波动产生！ 如果这个频繁波动的无功功率 Q 能够及时得到补偿,那么电压 波动就可以减弱SVC 能实现该要求SVC平衡三相功率请思考：这是否是一个三相平衡的负载? 相功率的瞬时值是否是一个固定不变的常数?ABCABCIaIbIcG3Gj3Gj不停电电源（UPS）起因：一方面电子技术发展，非线性性质负载增加，电网内外部各种噪声、干扰造成电压浪涌、电压尘峰、电压瞬变、电源中断；另一方面，重要用电部门、重要

6、用电设备对供电质量要求越来越高，不仅不停电，还要电压、波形、频率好的一个干净的电源。经过多年来的寻找，创造出UPS这种新型设备，满足需要，使电网和用电器隔离，避免负载对电网产生干扰，又避免电网中干扰影响负载。一、UPS主要功能1、双路电源之间无间断相互切换2、隔离功能3、电压变换功能4、频率变换功能5、后备功能按需要提供后备供电时间，保护负载。UPS分类按工作原理后备式在线式按输入输出单相输入单相输出三相输入单相输出三相输入三相输出按输出波形方波正弦波UPS工作原理和组成UPS发展趋势1、智能化微机系统对运行中UPS实时监测、故障分析、保护、实时自动记录、自动控制开停、交换信息功能。2、高频化

7、使用软开关提高效率、降低噪音、提高精度和动态响应。3、绿色化输入端功率因数校正功率因数校正电路（PFC）这是UPS中一个发展趋势。一方面消除由于整流滤波电路而产生的谐波电流，另一方面补偿提高功率因数。1、功率因数的定义：功率因数PF（Power Factor）基本定义：在线性电路中，反映负载的阻抗特性为正弦电流波形相对于电压波形的相位差。当负载呈电阻性时，电压与电流波形同相， PF 1PF有功功率视在功率PSPFcos功率因数校正电路（PFC）这是UPS中一个发展趋势。一方面消除由于整流滤波电路而产生的谐波电流，另一方面补偿提高功率因数。1、功率因数的定义：在非线性电路中，输入电压为正弦波时，

8、输入电流发生正弦畸变为正弦电流波形相对于电压波形的相位差为基波因数（畸变因数），即基波电流I1与电网电流IL之比。PFPSULI1cosULILI1cosILcos功率因数校正电路（PFC）2、没有功率因数校正时存在的问题：使电网波形畸变，线路损耗加大。除基波电流外增加高次谐波电流；频率高，集肤效应增加，损耗增加，波形畸变，三相不对称，设备绝缘体老化，易过载，线路损耗增加。降低供电系统的功率因数、增大系统供电容量降低用电设备的使用寿命干扰仪器、仪表MOS管导通，电感L中电流i L上升，当与市电电压波形相交时，MOS管关断，电感中感应电势使VD二极管导通，对电容充电，电感中电流i L下降到零后，

9、控制电路又使MOS管导通，上述过程重复，使电流i i 平均值波形跟随电压Ui 波形，功率因数近于1。功率因数校正电路（PFC）3、基本原理和方法：有源功率因数校正电路原理框图1、LT 1249 采用固定高频PWM平均电流技术而不需斜波补偿，只要一个很小电感元件，就可获得较低的交流电失真。2、UC 3845采用平均电流型控制，即使没有斜波补偿也可获得正弦输入电流，并且噪音低、灵敏度高，可用在单相或三相电源中。3、MSC 60028自身保护功能完善，宽范围内使功率因数接近于1，输出直流稳定，峰值电流低，电路元器件承受应力小。功率因数校正电路（PFC）主要功率因数校正控制器：也可在主开关支路再串联电

10、感成无源缓冲，再并联二极管，可大大减小高频辐射，但电阻耗能，效率低。再增加一个VMZVT辅助开关，有源缓冲零电压转换，用辅助开关VMZVT导出整流二极管VDOUT的电流（以零电流方式导通）而VMZVT关断时将缓冲电能能量传输到负载COUT，而不增加主开关电压。功率因数校正电路（PFC）4、零电压开关功率因数校正电路及专用控制器UC 3855A/B ：有源缓冲零电压转换升压斩波器整流二极管VDOUT具有反向恢复特性，当主开关VM1导通时，整流二极管反偏电流反向流动，经主开关至地。主开关通过较大电流，整流二极管恢复特性越陡峭，电流越大，高频辐射越严重。可在主开关栅极串联电阻来改善，功耗将增加。VM

11、ZVT、VDOUT零电压下导通，VM1零电压下导通整个过程由专用控制器UC 3855来完成。目前广泛使用的是铅酸蓄电池。1、经济型（HS型）涂浆式高效铅蓄电池2、长时间放电（CS型）覆盖式铅蓄电池3、免维护、密封式（M型）UPS多用此种它的价格占UPS成本1/4-2/5，故障率占1/3，所以对它的了解对于使用好蓄电池组及UPS的无故障运行具有重要意义。蓄电池是平时将电能转换为化学能储存起来，用电时再将化学能转变为电能的一种独立直流电源。蓄电池与充电电路（一）概述：1、容量充满电时储能多少C C容量I I放电电流（A）T放电时间（h）2、放电率放电至终止时电流大小或时间的快慢6.5AH0.325

12、 A 20 h3、放电电流电池容量乘以系数0.1C6.5 0.10.65A4、终止电压不能再放电时电压1.75V/格2.275V/格5、标称容量20小时放电率下所测定的容量6、自放电率电池不使用时，内部消耗能量0.08C/天蓄电池与充电电路（二）性能指标：一般蓄电池充放电反应为：充电过程完成后，继续充电，通常为过充，造成电解质中的水电离，在阳极产生O2，在阴极产生H2，电解质液面下降，要定期补水。蓄电池与充电电路（三）工作原理：PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4阳极电解质 阴极阳极电解质 阴极放电充电密封蓄电池充放电反应为：阳极上产生的O2被阴极板吸收而不逸出，阴极板

13、上永远不会有H2产生，避免了水分损失，使补水间隔可达五年以上，从而实现了免维护操作电池的目的。蓄电池与充电电路（三）工作原理：Pb+1/2O2PbO阳极板（已充电）阴极产生+H2SO4H2O + PbSO4阴极板电解质阳极板（已充电）初充电：蓄电池安装完毕后进行一次较长时间的初充电，以1/10C的充电电流充至额定容量，这很重要。正常充电：最好采用分级定流方式充电，即初期电流大，逐渐减小。这种方式的充电效率高，充电效果好，对延长电池寿命有利。浮充电：UPS工作时，整流器和蓄电池并联工作，负载电流由整流器供给，蓄电池起平滑滤波和稳定作用，当负载突然加大时，蓄电池可在短时间供给很大的放电电流，因而有

14、利于改善UPS的瞬态响应。均衡充电：为防止单元间不均衡的加剧，一定时候进行过充电，从而使各单元达到均衡一致的良好状态。蓄电池与充电电路（四）充放电过程：过放电：铅酸电池对过放电非常敏感，轻则降低容量或缩短寿命，重则不能恢复正常容量，以至损坏。存贮：充电之后最大影响为贮存时间与贮存温度。外特性：放电特性与放电速率、使用效率等有关温度特性储存特性寿命特性蓄电池与充电电路（四）充放电过程：电池的极化：电流通过蓄电池，正负极板面电位的移动。1、欧姆极化（电阻极化）充电停止随之消失2、电化学极化3、离子浓差极化要实现快速充电，一是增大充电电流，二是消除极化经过长期实践，已找到瞬间全部或大部分消除极化的方

15、法，即停充期间，让蓄电池流过一个与充电电流方向相反的大脉冲电流。充电电流曲线，初中期使用比常规充电大得多的充电电流实现电流递减式快速充电。蓄电池与充电电路（五）快速充电：快速充电的优越性：1、充电时间大为缩短，充电效率成倍提高2、可增加蓄电池的容量3、去硫化效果显著4、节约电能快速充电要注意：1、去极化的量要恰当掌握2、要精确的充足自停功能蓄电池与充电电路（五）快速充电：将直流电逆变成频率稳定、电压恒定、波形失真度小的交流电。普通采用脉宽调制技术（PWM）及波形叠加技术直流脉宽调制正弦脉宽调制叠加式阶梯波离散式阶梯波静止逆变电路混合波静态开关是UPS的保护设备，既保护UPS又保负载。静态开关机械式电子式混合式（一）机械式静态转换开关两个具有互锁特性的接触器实现转换控制。静态开关（一）机械式静态转换开关缺点：转换是一种机械动作，转换时间不可能降为零吸合通常比释放时间长，供电会中断容量增大，转换时间变长电感负载瞬间中断，负载上激励出振荡电压反灌至UPS输出端，因相位、频率、电压幅值不同会造成严重干扰静态开关（二）电子式静态开关大型UPS有专门静态开