電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)的應(yīng)用第一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)10.1.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)2第二頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。

■直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻、電感外，還有一個(gè)反電動(dòng)勢E，為了平穩(wěn)負(fù)載電流的脈動(dòng)，通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。

圖10-1三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形

3第三頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■觸發(fā)晶閘管，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后，由于電動(dòng)機(jī)有較大的機(jī)械慣量，故其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢都基本無脈動(dòng)，此時(shí)整流電壓的平均值由電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢及電路中負(fù)載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡，平衡方程為

式中，

，其中RB為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻；為晶閘管本身的管壓降。

■在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。

(10-1)4第四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

◆三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

?直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢為

?因?yàn)椋史措妱?dòng)勢特性方程為

?轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為

?三相橋式全控整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的機(jī)械特性方程為

圖10-2三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)的值一般為1V左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5第五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性◆由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)，平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小，致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。

◆電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn)

?分析=60時(shí)的情況，當(dāng)Id=0，忽略，此時(shí)的反電動(dòng)勢為，而實(shí)際上，晶閘管導(dǎo)通時(shí)相電壓瞬時(shí)值為，大于，也即Id不為零，所以才是理想空載點(diǎn)。圖10-3電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢的特性曲線?在電流斷續(xù)情況下，時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢都是；當(dāng)以后，空載反電動(dòng)勢將由決定。

6第六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)圖10-4考慮電流斷續(xù)時(shí)不同時(shí)反電動(dòng)勢的特性曲線1<2<3<60，5>4>60

?當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第一個(gè)特點(diǎn)；第二個(gè)特點(diǎn)是，在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，即負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。?大的反電動(dòng)勢特性，其電流斷續(xù)區(qū)的范圍（以虛線表示）要比小時(shí)的電流斷續(xù)區(qū)大，這是由于愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長，電流要維持導(dǎo)通，必須要求平波電抗器儲(chǔ)存較大的磁能，而電抗器的L為一定值的情況下，要有較大的電流Id才行；故隨著的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第三個(gè)特點(diǎn)。

7第七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)◆電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出

式中，，，L為回路總電感。

(10-6)(10-7)(10-8)8第八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)◆一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理，當(dāng)?shù)退佥p載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。

?整流電路為三相半波時(shí)，在最小負(fù)載電流為Idmin時(shí)，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量（單位為mH）為

?對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)，有

L中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感，前者數(shù)值都較小，有時(shí)可忽略；Idmin一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%～10%。

?三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應(yīng)減小約一半。

(10-9)(10-10)9第九頁，共七十頁，2022年，8月28日因?yàn)?，可求得電?dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式

10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)■電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

◆電壓平衡方程式為◆逆變時(shí)由于，EM反接，得

正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向圖10-5電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性

◆上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；調(diào)節(jié)就可改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，值愈小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速愈高；反之則轉(zhuǎn)速愈低。

(10-11)(10-12)10第十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)■電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

◆電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出

當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不僅和逆變角有關(guān)，而且和電路參數(shù)、導(dǎo)通角等有關(guān)系。

(10-13)(10-14)(10-15)11第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=b'1;a'1=b1a2=b'2;a'2=b2a增大方向'b增大方向'a增大方向b增大方向圖10-5電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性

◆圖10-5中右下的虛線以左的部分為逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其特點(diǎn)是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。

◆逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角由小變大（如/6~5/6），電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第1象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第4象限；第2象限里也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)的機(jī)械特性則表示在第3象限里?！舻?、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以正組和反組變流器。

◆運(yùn)行工作點(diǎn)由第1（第3）象限的特性，轉(zhuǎn)到第2（第4）象限的特性時(shí)，表明電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行；相應(yīng)的變流器的工況由整流轉(zhuǎn)為逆變。

12第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日■直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)

◆電路結(jié)構(gòu)

?圖10-6a是有環(huán)流接線，圖10-6b是無環(huán)流接線，環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。?根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或逆變。

◆四象限運(yùn)行時(shí)的工作情況

?第1象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，1</2，EM<Ud

（下標(biāo)中有表示整流，下標(biāo)1表示正組橋，下標(biāo)2表示反組橋）。

10.1.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路13第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日?第2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，2</2(2>/2)，EM>Ud（下標(biāo)中有表示逆變）。?第3象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，2</2，EM<Ud。?第4象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，1</2(1>/2)

，EM>Ud

。10.1.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路。14第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6(c)◆直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能方便地實(shí)現(xiàn)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。?由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程

√從1組橋切換到2組橋工作，并要求2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第2象限（之前運(yùn)行在第1象限）作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能經(jīng)2組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。√改變2組橋的逆變角，使之由小變大直至=/2（n=0），如繼續(xù)增大，即</2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。

?電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過程則由第3象限經(jīng)第4象限最終運(yùn)行在第1象限上。

15第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.1.3直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)◆根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即=工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯(cuò)位控制無環(huán)流等。

?對(duì)于=配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證=的配合控制關(guān)系，兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流，為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。

?工程上使用較廣泛的邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)不設(shè)置環(huán)流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。

16第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)10.2.1交直交變頻器10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式17第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)·引言■直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

◆受使用環(huán)境條件制約。

◆需要定期維護(hù)。

◆最高速度和容量受限制?！鼋涣髡{(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)◆克服了直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

◆交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

◆節(jié)能。

◆高精度，快速響應(yīng)。■交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。

18第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡稱VVVF電源）是由AC/DC、DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約?！鲈偕答侂娏Φ哪芰?/p>

◆當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求具有再生反饋電力的能力?！魣D10-7所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。

?其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。?逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為泵升電壓，泵升電壓過高會(huì)危及整個(gè)電路的安全。

圖10-7不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路

19第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2.1交直交變頻器圖10-8帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路

圖10-9利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路

圖10-10整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路

◆使電路具備再生反饋電力能力的方法?圖10-8的電路中加入一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路，當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上，這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。

?圖10-9所示的電路增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)；當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。

?圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，可簡稱雙PWM電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需要采用全控型器件，控制較復(fù)雜，成本也較高。

20第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2.1交直交變頻器圖10-11采用可控整流的電流型間接交流變流電路

圖10-12電流型交—直—交PWM變頻電路

圖10-13整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路

?圖10-11給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。?圖10-12給出了實(shí)現(xiàn)基于上述原理的電路圖，為適用于較大容量的場合，將主電路中的器件換為GTO，逆變電路輸出端的電容C是為吸收GTO關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對(duì)輸出的PWM電流波形起濾波作用。?電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時(shí)的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；可四象限運(yùn)行，同時(shí)通過對(duì)整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為1。

21第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式■籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式

◆恒壓頻比控制

?異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。

圖10-14采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

?圖10-14給出了一個(gè)實(shí)例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率f指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，也被作為定子電壓V1的指令值，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定信號(hào)反映極性。

22第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式◆轉(zhuǎn)差頻率控制

?為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

?從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比，因此，控制s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率1=r+s

，則1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。?這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能?！羰噶靠刂?/p>

?異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。

?矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。

?該方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?！糁苯愚D(zhuǎn)矩控制

?直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰—砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)要簡單許多。

23第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日10.3不間斷電源■不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置?！鰪V義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況UPS是恒壓恒頻（CVCF）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。

圖10-15UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖■UPS的結(jié)構(gòu)原理

◆圖10-15給出了UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理?基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。

24第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.3不間斷電源圖10-16具有旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)圖10-17用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS◆為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)際的UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了旁路開關(guān)，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的CVCF電源由轉(zhuǎn)換開關(guān)S切換；還需注意的是，在市電旁路電源與CVCF電源之間切換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。◆在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時(shí)間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比較小。25第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.3不間斷電源圖10-18小容量UPS主電路圖10-19大功率UPS主電路

■UPS的主電路結(jié)構(gòu)

◆容量較小的UPS主電路

?整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)。?由于逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能?！羰褂肎TO的大容量UPS主電路

?逆變器部分采用PWM控制，具有調(diào)節(jié)電壓和改善波形的功能。?為減少GTO的開關(guān)損耗，采用較低的開關(guān)頻率。

?輸出電壓中所含的最低次諧波為11次，從而使交流濾波器小型化。

26第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4開關(guān)電源10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)10.4.2開關(guān)電源的控制方式10.4.3開關(guān)電源的應(yīng)用27第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4開關(guān)電源·引言■在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要±12V、±15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。

■線性電源和開關(guān)電源

◆圖10-20所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓?！魣D10-21所示為開關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。

◆開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。

圖10-20線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)

圖10-21半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

28第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-22開關(guān)電源的能量變換過程■交流輸入的開關(guān)電源

◆交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

◆整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection-PFC)電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流電路是開關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。◆高性能開關(guān)電源中普遍采用了軟開關(guān)技術(shù)。

◆可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。

圖10-23多路輸出的整流電路

29第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)■直流輸入的開關(guān)電源

◆也稱為直流－直流變換器(DC-DCConverter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！糌?fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-PointOftheLoadregulator)

?僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流－直流變換器。?計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。

◆非隔離的直流－直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck(SyncBuck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖10-24a)同步降壓電路

圖10-24b)同步升壓電路

30第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-25通信電源系統(tǒng)

■分布式電源系統(tǒng)

◆在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)?！羧鐖D10-25，一次電源完成交流－直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作

?！粢淮坞娫床捎枚鄠€(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“模塊”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“冗余”。

31第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.2開關(guān)電源的控制方式圖10-26開關(guān)電源的控制系統(tǒng)

圖10-27電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

■典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來調(diào)整控制量vc。

■電壓模式控制

◆圖10-26所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。◆其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流?！鲭娏髂Ｊ娇刂?/p>

◆在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。

32第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.2開關(guān)電源的控制方式圖10-28峰值電流模式控制的原理

?峰值電流模式控制

√峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10-28a所示，主要的波形如圖10-28b所示。

√基本的原理：開關(guān)的開通由時(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。

a)b)33第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.2開關(guān)電源的控制方式圖10-29平均電流模式控制的原理

a)b)√峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來說是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。?平均電流模式控制√平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。

34第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.4.3開關(guān)電源的應(yīng)用■開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W～幾百W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW～數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。

■開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十～幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。

35第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5功率因數(shù)校正技術(shù)10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)36第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5功率因數(shù)校正技術(shù)·引言■以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問題?！龉β室驍?shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。

◆無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。

◆有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。

37第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

■單相功率因數(shù)校正電路的基本原理

◆實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。

◆原理

?給定信號(hào)和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，得到指令信號(hào)id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過滯環(huán)對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。38第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

?在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感L的電流就完全受開關(guān)S的通斷控制；S通時(shí)，iL增長，S斷時(shí)，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控制iL波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。

39第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-31三相單開關(guān)PFC電路圖10-32三相單開關(guān)PFC電路的工作波形■三相功率因數(shù)校正電路的基本原理

◆電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，LA~LC的電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用快速恢復(fù)二極管，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值?！艄ぷ髟?/p>

?S開通后，電感電流值均從零開始線性上升（正向或負(fù)向），S關(guān)斷后，三相電感電流通過D7向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并迅速下降到零。

?在每一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè)S關(guān)斷后電流iA下降很快，iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣iA平均值與輸入電壓成正比，因此輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。

40第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理

?在分析中略去了電流波形中非陰影部分，因此實(shí)際的電流波形同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關(guān)S關(guān)斷后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同正弦波的近似程度高，其波形畸變小。

◆該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于3~6kW的中小功率電源中。

圖10-31三相單開關(guān)PFC電路圖10-32三相單開關(guān)PFC電路的工作波形41第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理■開關(guān)電源中采用有源PFC電路帶來以下好處

◆輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。

◆在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對(duì)線路、開關(guān)、連接件等電流容量的要求。

◆由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，能適應(yīng)世界各國不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。

◆由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí)DC-DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。■單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡單，僅有1個(gè)全控開關(guān)器件。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。42第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)■單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件與后級(jí)DC-DC變換器中的開關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一?！鰡渭?jí)變換器的優(yōu)點(diǎn)◆開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低?！艨刂齐娐吠ǔＶ挥幸粋€(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路。

◆有些單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。

43第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)圖10-33典型的boost型單級(jí)PFCAC/DC變換器

■單級(jí)PFC變換器

◆適合于小功率電源，以單相變換器為主，主要性能指標(biāo)包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于電路的拓?fù)湫问健?/p>

◆工作原理

?開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)給升壓電路中的L1儲(chǔ)能，同時(shí)C1通過開關(guān)給反激變壓器儲(chǔ)能。

?開關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時(shí)向副邊電路釋放能量。?開關(guān)的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負(fù)載一定的情況下，C1兩端電壓在工作過程中基本保持不變，開關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的100Hz波動(dòng)由C1進(jìn)行平滑濾波。

44第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)■單級(jí)PFC電路的特點(diǎn)

◆單級(jí)PFC電路減少了主電路的開關(guān)器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路

◆單級(jí)PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí)PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí)PFC變換器僅在小功率時(shí)整個(gè)裝置的成本和體積才具有優(yōu)勢，對(duì)于大功率場合，兩級(jí)PFC變換器比較適合。

◆單級(jí)PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級(jí)變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。

45第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用10.6.1高壓直流輸電10.6.2無功功率控制10.6.3電力系統(tǒng)諧波抑制10.6.4電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)46第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.1高壓直流輸電圖10-34高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)

■高壓直流輸電（HighVoltageDCTransmission——HVDC）是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開始的應(yīng)用領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代以來，當(dāng)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來越受到人們的關(guān)注?！鲈砗偷湫徒Y(jié)構(gòu)

◆原理

?發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器（換流變壓器）將電壓升高后送到晶閘管整流器，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳌?經(jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。

47第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.1高壓直流輸電圖10-34高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)

?在受端電能又經(jīng)過晶閘管逆變器由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到各個(gè)用戶?！舻湫徒Y(jié)構(gòu)

?圖10-34是典型的采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。?雙極是指其輸電線路兩端的每端都由兩個(gè)額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導(dǎo)線，分別為正極和負(fù)極，每端兩個(gè)換流器的串聯(lián)連接點(diǎn)接地。

?兩極獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，這樣就提高了運(yùn)行的可靠性，也有利于分期建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。

48第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.1高壓直流輸電■高壓直流輸電的優(yōu)勢

◆更有利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離和大容量的電能傳輸或者海底或地下電纜傳輸。

?不受輸電線路的感性和容性參數(shù)的限制。?直流輸電線導(dǎo)體沒有積膚效應(yīng)問題，相同輸電容量下直流輸電線路的占地面積也小。

?短距離送電可采用基于全控型電力電子器件的電壓型變流器，性能更優(yōu)。

◆更有利于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。?更容易解決同步、穩(wěn)定性等等復(fù)雜問題。

◆更有利于系統(tǒng)控制。?通過對(duì)換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。

49第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制■在電力系統(tǒng)中，對(duì)無功功率的控制是非常重要的，通過對(duì)無功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。■晶閘管投切電容器◆交流電力電容器的投入與切斷是控制無功功率的一種重要手段，晶閘管投切電容器TSC是一種性能優(yōu)良的無功補(bǔ)償方式?！魣D10-35是TSC的基本原理圖，可以看出TSC的基本原理實(shí)際上是就是用交流電力電子開關(guān)來投如或者切除電容器，兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)的沖擊電流；在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時(shí)投入或切斷會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實(shí)際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器。

圖10-35TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖50第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制圖10-36TSC理想投切時(shí)刻原理說明◆TSC運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻的原則

?該時(shí)刻交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

?一般來說，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，因此在投入時(shí)刻iC為零，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。?如圖10-36，導(dǎo)通開始時(shí)uC已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時(shí)刻導(dǎo)通VT2，以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻iC已降為零，VT2關(guān)斷，uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容器做了準(zhǔn)備。

51第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制圖10-37晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC◆晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC

?由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。?這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。

52第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制■晶閘管控制電抗器（TCR

）

◆晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載的一個(gè)典型應(yīng)用，圖10-38所示為TCR的典型電路，可以看出是支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。

◆通過對(duì)角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率，如配以固定電容器，則可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。

圖10-38晶閘管控制電抗器(TCR)電路電抗器中所含電阻很小，可以近似看成純電感負(fù)載，因此

的移相范圍為90°~180°。

53第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制圖10-39TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形a)

=120°b)

=135°c)

=160°◆圖10-39給出了分別為120°、135°和160°時(shí)TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。54第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制■靜止無功發(fā)生器

◆靜止無功發(fā)生器SVG在本書中專指由自換相的電力電子橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。

◆SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。

?采用電壓型橋式電路的SVG如圖10-40a，直流側(cè)采用的是電容，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)。?采用電流型橋式電路的SVG如圖10-40b，直流側(cè)采用的是電感，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器才能并入電網(wǎng)。圖10-40SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路b）采用電流型橋式電路55第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制◆SVG（采用電壓型橋式電路）的工作原理?由于運(yùn)行效率的原因迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路。

?SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。

?設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量和表示，改變的幅值及其相對(duì)于的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。

圖10-41SVG等效電路及工作原理a）單相等效電路b）工作相量圖

56第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制◆與傳統(tǒng)SVC相比較

?傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC，由于其所能提供的最大電流分別是受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，因此SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)SVC大。?SVG的調(diào)節(jié)速度更快，而且在采取多重化或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。

?SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。

?SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。

?SVG的控制方法和控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)SVC復(fù)雜，另外SVG要使用數(shù)量較多的較大容量自關(guān)斷器件，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多。

57第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.2無功功率控制◆SVG發(fā)展的共同特點(diǎn)

?SVG的主電路由早期的以多重化的方波變流器為主要形式，已發(fā)展為以PWM變流器為主要形式。

?SVG的變流器中所采用的電力半導(dǎo)體器件已由早期的以GTO為主，已逐步發(fā)展為采用IGBT和IGCT，采用IGBT的趨勢更為明顯。

?SVG的補(bǔ)償目標(biāo)已由早期的以對(duì)輸電系統(tǒng)的補(bǔ)償為主，擴(kuò)展到了對(duì)配電系統(tǒng)補(bǔ)償，甚至負(fù)荷補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)層次。

58第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.3電力系統(tǒng)諧波抑制■抑制諧波有兩條基本思路，一是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，設(shè)法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波；另一條就是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，同時(shí)還不消耗無功功率，或者根據(jù)需要能對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制，即采用高功率因數(shù)變流器?！觯蹋谜{(diào)諧濾波器◆是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。

◆其結(jié)構(gòu)簡單，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功，一直被廣泛應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)中諧波和無功功率的補(bǔ)償。

■有源電力濾波器（ActivePowerFilter——APF）

◆有源電力濾波器的思想最早提出于上世紀(jì)60年代末，1976年確立了有源電力濾波器的完整概念和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上世紀(jì)80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM逆變技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。

59第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.3電力系統(tǒng)諧波抑制圖10-42有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形圖10-43有源電力濾波器的變流電路◆有源電力濾波器的基本原理

?如圖10-42所示，有源電力濾波器檢測出負(fù)載電流iL中的諧波電流iLh，根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生與iLh大小相等而方向相反的補(bǔ)償電流iC，從而使流入電網(wǎng)的電流iS只含有基波分量iLf?！襞cLC無源濾波器相比，有源濾波能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率和阻抗的影響?！粲性措娏V波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實(shí)用的裝置大都是電壓型；從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來看，有源電力濾波器又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。?串聯(lián)型APF通過變壓器連在電源和負(fù)載間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源，既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。

并聯(lián)型60第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.4電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)■應(yīng)用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無功功率從而保障系統(tǒng)電壓的幅度，可以補(bǔ)償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不對(duì)稱、電壓幅度暫低（voltagesag）和電壓閃變（flicker）等各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電能質(zhì)量問題，這被稱為采用電力電子裝置的電能質(zhì)量控制技術(shù)。

◆電力電子裝置包括SVC和SVG，APF，用來補(bǔ)償電壓暫低的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DynamicVoltageRestorer——DVR），以及用來綜合補(bǔ)償多種電能質(zhì)量問題的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器、并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器和通用電能質(zhì)量控制器（UniversalPowerQualityController——UPQC）等?！鰧㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的控制能力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這就是所謂的柔性交流輸電系統(tǒng)（FlexibleACTransmissionSystem——FACTS）。

◆采用的典型電力電子裝置有SVC、SVG、晶閘管投切串聯(lián)電容器（ThyristorSwitchedSeriesCapacitor——TSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（ThyristorControlledSeriesCapacitor——TCSC）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（StaticSynchronousSeriesCompensator——SSSC）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（UnifiedPowerFlowController——UPFC）等。

61第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日10.6.4電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)■將電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電系統(tǒng)中，可以有效提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，從而保障按照用戶所需供電，這就是所謂的“定制電力”或者“用戶電力”（CustomPower）。

◆采用的典型電力電子裝置有SVC、SVG、APF和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR等電能質(zhì)量控制裝置以外，還包括由反并