電力電子-陳堅(jiān)第十章.ppt

第10章電力電子開(kāi)關(guān)型電力補(bǔ)償、控制器,10電力電子開(kāi)關(guān)型電力補(bǔ)償、控制器,10.0概述10.1晶閘管開(kāi)關(guān)型并聯(lián)電抗補(bǔ)償控制器10.2晶閘管開(kāi)關(guān)型串聯(lián)電抗補(bǔ)償器10.3PWM開(kāi)關(guān)型并聯(lián)無(wú)功功率發(fā)生器STATCOM10.4諧波電流補(bǔ)償器HCC（或并聯(lián)型電力有源濾波器PAPF）10.5諧波電壓補(bǔ)償器HVC（或串聯(lián)型電力有源濾波器SAPF）10.6PWM開(kāi)關(guān)型串聯(lián)同步電壓補(bǔ)償器SSSC*10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC*10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES10.9小結(jié),10.0概述,電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件所構(gòu)成的電力電子開(kāi)關(guān)電路有兩類(lèi)應(yīng)用：1.電力電子變換電源。實(shí)現(xiàn)電力變換。2.電力電子補(bǔ)償、控制器。輸出可控的電壓串聯(lián)在線(xiàn)路上，補(bǔ)償控制線(xiàn)路電壓。輸出可控的電流并聯(lián)在電網(wǎng)上，補(bǔ)償控制線(xiàn)路電流。串聯(lián)在線(xiàn)路上補(bǔ)償控制線(xiàn)路等效阻抗。并聯(lián)在電網(wǎng)上補(bǔ)償控制電網(wǎng)等效負(fù)載阻抗。,10.0概述（續(xù)）,分類(lèi)：按電力補(bǔ)償控制器中所用開(kāi)關(guān)器件及其控制方式的不同，可以分為：晶閘管相控型電力補(bǔ)償控制器。全控開(kāi)關(guān)器件高頻PWM補(bǔ)償控制器。優(yōu)點(diǎn)：使電力系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率潮流優(yōu)化，平衡電力系統(tǒng)的有功、無(wú)功功率，抑制功率振蕩，可以改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和運(yùn)行特性，可以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，提高電力設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、輸配電線(xiàn)路）的利用率，減少備用電力設(shè)備。,10.1晶閘管開(kāi)關(guān)型并聯(lián)電抗補(bǔ)償控制器,10.1.1晶閘管投、切并聯(lián)電容器TSC（ThyristorSwitchedCapacitors)10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR,10.1.1晶閘管投、切并聯(lián)電容器TSC,圖10.1晶閘管投切電容器TSC,投、切并聯(lián)電容：減少線(xiàn)路及發(fā)電機(jī)、變壓器無(wú)功功率，提高其有功功率極限，減少P，補(bǔ)償感性負(fù)載壓降。缺點(diǎn)：只能電壓過(guò)零投、切，不能相控。,10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR,在t=時(shí)開(kāi)通T1,在t=+時(shí)開(kāi)通T2,在t=時(shí),在t=2時(shí),10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR（續(xù)1）,電流i(t)負(fù)半波：,作傅立葉分析,基波有效值,電感L的等效基波電抗為,，i(t)比v落后90，電流為正弦波,電流i(t)正半波：,10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR（續(xù)2）,=90時(shí)i(t)為完整的正弦波：=t從90再提前發(fā)觸發(fā)脈沖時(shí)，由于i(t)還是負(fù)值，T2仍在導(dǎo)通不能開(kāi)通T1，待到t=90時(shí)，iT2=0才能開(kāi)通T1，所以波形與=90相同；調(diào)控范圍90180TSC與TCR聯(lián)合工作，可連續(xù)改變等效并聯(lián)電抗的大小和性質(zhì)，使無(wú)功電流的補(bǔ)償恰如其分。,10.2晶閘管開(kāi)關(guān)型串聯(lián)電抗補(bǔ)償器,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器TCSC10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器GCSC,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器TCSC,矢量圖,無(wú)C，A處無(wú)負(fù)載時(shí):,將圖中的一個(gè)1/2Lc改為R，即構(gòu)成同步振蕩阻尼器SSRD,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器TCSC（續(xù)1）,為確保發(fā)電機(jī)擾動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性，不宜過(guò)大。XL很大時(shí)，P傳輸功率受限，遠(yuǎn)小于導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱所允許的功率極限值，在線(xiàn)路中串入電容，可減小等效線(xiàn)路電抗，提高傳輸功率。固定C，相控電抗XL，構(gòu)成TSCS（ThyristorControlledSeriesCapacitor),矢量圖,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器TCSC（續(xù)2）,相控電感l(wèi)的等效感抗：,串聯(lián)等效電容C容抗：,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器TCSC（續(xù)3）,在B點(diǎn)T1關(guān)斷后+i(t)流過(guò)電容C，使vc增大；t時(shí)，-i(t)又使vc減小為0；在D點(diǎn)T2關(guān)斷后-i(t)流過(guò)電容C，使負(fù)vc增大，t2時(shí)，+i(t)又使負(fù)vc減小為0。,A點(diǎn)開(kāi)通T1，B點(diǎn)關(guān)斷T1，則在AB期間T1通態(tài)短接電容C，vc=0；C點(diǎn)開(kāi)通T2，D點(diǎn)關(guān)斷T2，則在CD期間T2通態(tài)短接電容C，vc=0。,10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器GCSC,若為T(mén)1的關(guān)斷控制角則,等效基波電容容抗,對(duì)vc(t)作傅立葉分析，可得vc(t)基波電壓有效值,在BC期間，,在DE期間，,10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器GCSC,等效基波容抗,/2時(shí)，,=時(shí),=180，vc=0，C不起作用；,=/2時(shí)=0，C接入線(xiàn)路，vc為完整的正弦波；,10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補(bǔ)償器GCSC,=和=/2時(shí)GCSC的vc都不會(huì)引起諧波電壓。采用N個(gè)GCSC串聯(lián)使用，根據(jù)所需的等效補(bǔ)償容抗值，只控制一個(gè)GCSC的在90180之間變化，可以減小GCSC所引起的諧波電壓。,10.3PWM開(kāi)關(guān)型并聯(lián)無(wú)功功率發(fā)生器STATCOM,圖10.5(a)(b)(c),當(dāng)時(shí)，輸出超前無(wú)功電流，從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功電流。,三相橋“逆變器”輸出三相對(duì)稱(chēng)基波電壓，令其與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸出電流,當(dāng)時(shí)，輸出滯后無(wú)功電流，可補(bǔ)償感性負(fù)載無(wú)功電流；,10.3PWM開(kāi)關(guān)型并聯(lián)無(wú)功功率發(fā)生器STATCOM（續(xù)1）,圖10.5(a)(d),輸入有功功率輸出滯后無(wú)功功率,從電網(wǎng)輸入有功功率P用于補(bǔ)充變流器功耗使VD恒定。,10.3PWM開(kāi)關(guān)型并聯(lián)無(wú)功功率發(fā)生器STATCOM（續(xù)2）,1.電壓VD閉環(huán)控制。2.無(wú)功功率Q閉環(huán)控制。先進(jìn)的（或高級(jí)的）靜止型無(wú)功功率發(fā)生器ASVG（AdvancedStaticVarGenerator）。也被稱(chēng)為靜止同步補(bǔ)償器STATCOM（StaticSynchronousCompensator），又稱(chēng)為靜止調(diào)相器STATCON(StaticCondenser)。,圖10.5(a)(e),實(shí)時(shí)檢測(cè)iA、iB、iC，分離出ih、iL1Q，取ih、iL1Q為變流器指令輸出電流，控制變流器實(shí)際輸出電流，使其跟蹤指令電流，使電網(wǎng)無(wú)諧波電流，甚至沒(méi)有無(wú)功電流。,10.4諧波電流補(bǔ)償器HCC（或并聯(lián)型電力有源濾波器PAPF）,10.5諧波電壓補(bǔ)償器HVC（或串聯(lián)型電力有源濾波器SAPF）,非線(xiàn)性負(fù)載，或電源vS為非正弦，使重要負(fù)載端A、B、C電壓有諧波vh。,實(shí)時(shí)檢測(cè)A、B、C處的諧波電壓，取變流器的指令輸出電壓，則重要負(fù)載R、S、T處無(wú)諧波電壓。,10.6PWM開(kāi)關(guān)型串聯(lián)同步電壓補(bǔ)償器SSSC,若，相當(dāng)于線(xiàn)路上串接了一個(gè)容抗K，等效串聯(lián)電容補(bǔ)償向電網(wǎng)串聯(lián)注入無(wú)功功率。,2.若，向電網(wǎng)串聯(lián)注入有功功率,3.若、大小、相位不變，串入則增加線(xiàn)路電流改變大小、相位，可調(diào)控線(xiàn)路有功、無(wú)功功率潮流。,4.若大小、相位不變，串入可改變負(fù)載的電壓大小、相位。,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC,I經(jīng)PT1并聯(lián)在電網(wǎng)上，補(bǔ)償電流ic；II經(jīng)PT2，補(bǔ)償電壓V串接在線(xiàn)路上。I在逆變狀態(tài)向電網(wǎng)送出有功功率時(shí)，II則高頻整流從電網(wǎng)吸取有功功率；I在高頻整流狀態(tài)從電網(wǎng)吸取有功功率時(shí)，II則逆變向電網(wǎng)送出有功功率。,變流器II輸出的串聯(lián)補(bǔ)償電壓超前為角；超前為+，串入后，在線(xiàn)路上增加的電流，滯后,滯后的相角為,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)1）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)2）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)3）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)4）,180,180,10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES,組成：1、ACDC雙向三相橋四象限變流器；2、二象限D(zhuǎn)C/DC變換器;3、超導(dǎo)線(xiàn)圈。電網(wǎng)負(fù)載發(fā)電機(jī)功率:變流器逆變向電網(wǎng)輸出交流功率PAC，超導(dǎo)線(xiàn)圈磁能經(jīng)DC/DC輸出PDC，再經(jīng)逆變器向電網(wǎng)輸出PAC。,10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（續(xù)1）,電力系統(tǒng)任何時(shí)刻P0，發(fā)電機(jī)P負(fù)載P。儲(chǔ)能類(lèi)型：電池，壓縮空氣，抽水儲(chǔ)能，飛輪慣性?xún)?chǔ)能。優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)能損耗??；存取效率高；響應(yīng)快；控制靈活；建造不受地點(diǎn)限制；運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；投資不斷下降，經(jīng)濟(jì)效益高。,10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（續(xù)2）,（1）三相橋高頻整流，從電網(wǎng)輸入PAC向DC/DC變換器輸出ID，Buck型變換器降壓，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中T8都導(dǎo)通，在開(kāi)關(guān)周期TS的Ton=DTs期間，T7、T8同時(shí)通態(tài)；vEFVD，在Toff=(1-D)Ts期間，T7斷態(tài)，T8仍導(dǎo)通，Isc經(jīng)T8、D7續(xù)流，vEF0，平均值VEFDVD,起導(dǎo)線(xiàn)圈輸入功率T7導(dǎo)電占空比DTon/Ts=PAC+/VDISC，檢測(cè)、，按指令要求的確定D，即可使,（2）三相橋工作在逆變狀態(tài)向電網(wǎng)輸出PAC，DC/DC變換器從超導(dǎo)線(xiàn)圈獲得直流功率，DC/DC-Boost變換，升壓后輸出電壓VD，iD、ID反向，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS中T7都斷態(tài)，在Ton=DTs期間令T8導(dǎo)通，ISC經(jīng)T8、D7續(xù)流，VEF0，在Toff=(1-D)Ts期間T7、T8都處于斷態(tài)，ISC經(jīng)D8、D7反送回直流母線(xiàn)，VEFVD，VEF的直流平均電壓,10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（續(xù)3）,按指令要求的PAC及檢測(cè)到的VD、ISC即可確定,根據(jù)交流電網(wǎng)發(fā)電機(jī)和負(fù)載的功率不平衡情況，得到三相橋變換器輸入交流功率的指令值P*AC+、Q*AC+，或輸出的交流功率指令值P*AC-、Q*AC-，再根據(jù)實(shí)測(cè)的VD及ISC即可確定DC/DC變換器的工況及占空比D或D。而按P*AC、Q*AC及交流電網(wǎng)電壓值即可確定三相橋變換器的指令電壓，再由的大小、相位確定開(kāi)關(guān)管的SPWM控制信號(hào)，并使三相變換器交流側(cè)電壓與電源電壓之差產(chǎn)生電流，使。,10.8超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（續(xù)4）,10.9小結(jié),利用電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件可以調(diào)控電感、電容、電阻的數(shù)值，利用電力電子開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)型電力變換電路可以構(gòu)成各種類(lèi)型的電壓、電流補(bǔ)償器和控制器。這些電力補(bǔ)償器和控制器可以改變電網(wǎng)等效負(fù)載的感抗、容抗和電壓、電流，可以補(bǔ)償諧波電流和諧波電壓，可以調(diào)控電網(wǎng)負(fù)載的基波電壓的大小和相位，可以補(bǔ)償線(xiàn)路電抗，可以改變輸電線(xiàn)路的有功和無(wú)功功率，并對(duì)電力系統(tǒng)的功率平衡進(jìn)行快速、靈活、有效的調(diào)節(jié)和控制。,（1）靈活控制電力系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率潮流，使電力系統(tǒng)、電網(wǎng)中的潮流分布最優(yōu)化，減少損耗，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。（2）線(xiàn)路傳輸?shù)墓β视锌赡茉龃笾两咏鼘?dǎo)線(xiàn)的熱極限（比以往由電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求所限制的功率極限值提高50100%），最充分地利用輸電線(xiàn)的傳輸能力，又能確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。（3）減少備用發(fā)電機(jī)組的容量。（4）補(bǔ)償無(wú)功功率，減少功率損耗，提高發(fā)、配電設(shè)備利用率。（5）提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和供電可靠性。（6）消除非線(xiàn)性負(fù)載的諧波和無(wú)功沖擊對(duì)電力