電力電子技術(shù)（第6版）課件：電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1章節(jié)目錄10.1晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)10.3不間斷電源10.4開關(guān)電源10.5功率因數(shù)校正技術(shù)10.6電力電子技術(shù)在輸配電系統(tǒng)中的應(yīng)用10.7電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電與儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用10.8電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用本章小結(jié)2310.1晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)10.1.1工作于整流狀態(tài)時

10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時

10.1.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)410.1.1工作于整流狀態(tài)時■晶閘管可控整流裝置帶直流電動機(jī)負(fù)載，稱為晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)，是直流拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。

■直流電動機(jī)負(fù)載除本身有

電阻、電感外，還有反電動

勢E，為減小轉(zhuǎn)矩脈動，通

常在電樞回路串聯(lián)平波電抗

器，保證電流在較大范圍內(nèi)

連續(xù)。

圖10-1三相半波帶電動機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時

的電壓電流波形

510.1.1工作于整流狀態(tài)時■電動機(jī)工作于穩(wěn)態(tài)時，由于電動機(jī)有較大機(jī)械慣量，其轉(zhuǎn)速和反電動勢都基本無脈動，此時整流回路電壓方程為：■在電動機(jī)負(fù)載電路中，電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載較輕時，對應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時，由于電感的儲能減小，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)610.1.1工作于整流狀態(tài)時■電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性

◆三相半波電流連續(xù)時的電動機(jī)機(jī)械特性

?直流電動機(jī)的反電動勢為

?反電動勢特性方程為

?轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為

?三相橋式電路的機(jī)械特性為

(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)圖10-2三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機(jī)機(jī)械特性

的值一般為1V左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角

，即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

710.1.1工作于整流狀態(tài)時■電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性◆由于整流電壓是一個脈動的直流電壓，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載減小時，致使電流斷續(xù)，此時電動機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。

圖10-3電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線◆電流斷續(xù)時機(jī)械特性的特點

?以

=60

時為例，才是理想空載點。?在電流斷續(xù)情況下，時電動機(jī)空載反電動勢都是；當(dāng)

以后，空載反電動勢將由

決定。

810.1.1工作于整流狀態(tài)時圖10-4考慮電流斷續(xù)時不同

時反電動勢的特性曲線

1<

2<

3<60

，

5>

4>60

?當(dāng)電流斷續(xù)時：1.電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高；2.在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動機(jī)的機(jī)械特性變軟。3.隨著

的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大。

910.1.1工作于整流狀態(tài)時◆電流斷續(xù)時電動機(jī)機(jī)械特性：

式中，，，L為回路總電感。(10-6)(10-7)(10-8)10電動機(jī)機(jī)械特性方程式：10.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時■電流連續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性

◆電壓平衡方程式為◆逆變時由于，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電動機(jī)在四象限中的機(jī)械特性

◆上式的負(fù)號表示逆變時電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時相反；調(diào)節(jié)

就可改變電動機(jī)的運行轉(zhuǎn)速。(10-11)(10-12)1110.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時■電流斷續(xù)時電動機(jī)的機(jī)械特性

◆電動機(jī)機(jī)械特性可由下面三個式子準(zhǔn)確地得出

當(dāng)電流斷續(xù)時電動機(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)1210.1.2工作于有源逆變狀態(tài)時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)時電動機(jī)的機(jī)械特性，其特點是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹，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，電動機(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。

13■直流可逆電力拖動系統(tǒng)

◆電路結(jié)構(gòu)：根據(jù)電動機(jī)所需的運轉(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。

◆四象限運行時的工作情況

?第1象限，正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作電動運行，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直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路14?第2象限，正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運行，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)，電動機(jī)作電動運行，反組橋工作在整流狀態(tài)，

2<

/2，EM<Ud

。?第4象限，反轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，

1</2(

1>/2)

，EM>Ud

。10.1.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路1510.1.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6(c)◆直流可逆拖動系統(tǒng)，能實現(xiàn)正反向運轉(zhuǎn)，還能實現(xiàn)回饋制動。?由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程

√從1組橋切換到2組橋工作，2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動機(jī)進(jìn)入第2象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能逆變回饋電網(wǎng)?！谈淖?組橋的逆變角

，由小變大直至

=

/2（n=0），繼續(xù)增大

，即

</2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)，電動機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動運行。

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

1610.1.3直流可逆電力拖動系統(tǒng)◆根據(jù)對環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路分為：配合控制有環(huán)流（即

=工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等。

?對于

=配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，對正、反兩組變流器同時輸入觸發(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，極性相抵，沒有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時值不等，會產(chǎn)生脈動環(huán)流，為防止環(huán)流使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC。

?邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)不設(shè)置環(huán)流電抗器，兩組橋在任何時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由邏輯單元控制，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。1710.2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1810.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)·引言■直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點

◆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)速傳動系統(tǒng)的優(yōu)點◆克服了直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點。

◆交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

◆節(jié)能?！鼋涣麟姍C(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時間，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)的直流傳動系統(tǒng)。

1910.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡稱VVVF電源）由AC/DC、DC/AC兩類基本變流電路組合形成，最主要的優(yōu)點是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約?！霎?dāng)負(fù)載電動機(jī)需要頻繁、快速制動時，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。

?整流部分采用不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率。?逆變電路的能量可以雙向流動，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，將導(dǎo)致電容電壓升高（稱為泵升電壓），危及電路安全。

圖10-7不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路

2010.2.1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?加入泵升電壓限制電路，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上。

?增加一套可控整流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實現(xiàn)電動機(jī)的再生制動；

?整流電路和逆變電路都采用PWM控制的變流電路，簡稱雙PWM電路，電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機(jī)四象限運行。

2110.2.1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為可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動機(jī)制動時，中間直流電路的電流極性不能改變，要實現(xiàn)再生制動，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。

?電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路；可四象限運行，同時通過對整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為1。

2210.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式■籠型異步電動機(jī)的定子頻率控制方式

◆恒壓頻比控制

?為了不使電動機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁場偏離額定值而造成轉(zhuǎn)矩不足、勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對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

2310.2.2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)的動態(tài)性能。

?當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，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態(tài)性能。2410.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式◆矢量控制

?異步電動機(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)子磁鏈定向的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵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，分別獨立地對兩個電流分量進(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)矩的快速動態(tài)響應(yīng)，并且控制相對簡單。2510.3不間斷電源■不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）是當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異常時，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量的裝置。圖10-15UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖■UPS的結(jié)構(gòu)原理

◆當(dāng)市電正常時，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，供電不受市電停電的影響；

◆在市電正常時，負(fù)載也可以由逆變器供電，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)量問題時，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出。2610.3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負(fù)載供電的切換，實際的UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了旁路開關(guān)?！粼谑须姅嚯姇r由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小?！魹榱吮ＷC長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源。2710.3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

?整流使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），獲得較高的輸入功率因數(shù)。?逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。◆大容量UPS主電路

?模塊化結(jié)構(gòu)成為大功率UPS較為流行的技術(shù)方案。?整流器、逆變器均由多個單元模塊并聯(lián)構(gòu)成，可以冗余互為備份從而提高系統(tǒng)可靠性及可擴(kuò)展性。2810.4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2910.4開關(guān)電源·引言■線性電源和開關(guān)電源

◆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?！糸_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，已經(jīng)基本取代了線性電源，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)

3010.4.1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

◆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?！舾哳l逆變－變壓器－高頻整流電路是開關(guān)電源的核心，電路采用的是隔離型直流直流變流電路?！舾咝阅荛_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)計多個二次側(cè)繞組的方法來實現(xiàn)多組隔離輸出。圖10-23多路輸出的整流電路

3110.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)■直流輸入的開關(guān)電源

◆也稱直流－直流變換器(DC-DC)，分為隔離型和非隔離型?！糌?fù)載點穩(wěn)壓器(POL-PointoftheLoadregulator)

?僅僅為1個專門的元件供電的直流－直流變換器。?計算機(jī)主板上給CPU和存儲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

3210.4.1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)

◆用于在通信交換機(jī)、巨型計算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中?！粢淮坞娫赐瓿山涣鳎绷鞯母綦x變換，輸出到直流母線上，系統(tǒng)中每塊電路板上的DC-DC變換器將母線轉(zhuǎn)換為電路所需電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時系統(tǒng)仍能正常工作

?！粢淮坞娫床捎枚鄠€開關(guān)電源“模塊”并聯(lián)的方案，當(dāng)其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，這被稱為“冗余”。

3310.4.2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)

■開關(guān)電源采用反饋控制，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，僅有一個輸出電壓反饋控制環(huán)。■電流模式控制

在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器輸出信號作為電流環(huán)的給定。

3410.4.2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

開關(guān)的開通由時鐘CLK信號控制，CLK信號每隔一定的時間就使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，比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。

a)b)3510.4.2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；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，容易造成比較器的誤動作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動。?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uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用以控制開關(guān)的通與斷。

3610.4.3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，這些電源功率通常僅有幾十W～幾百W；手機(jī)等移動電子設(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)、巨型計算機(jī)等大型設(shè)備的電源功率較大，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，為其控制電路供電?！鲩_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，大量使用高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。3710.5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單級功率因數(shù)校正技術(shù)3810.5功率因數(shù)校正技術(shù)·引言■以開關(guān)電源為代表的電力電子裝置帶來負(fù)面的問題：輸入電流非正弦波，產(chǎn)生諧波和功率因數(shù)問題。■功率因數(shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)技術(shù)即對電流脈沖進(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?！魺o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，對電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制。

◆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)電路對輸入電流波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。

3910.5.1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?給定信號和實際的直流電壓ud比較后送入電壓調(diào)節(jié)器，得到指令信號id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關(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。4010.5.1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，iL增長，S斷時，iL下降，因此控制S的占空比按一定規(guī)律變化，就可以控制iL波形為正弦絕對值，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。

4110.5.1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■單開關(guān)三相功率因數(shù)校正電路

◆電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路。◆工作原理

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

?在每一個開關(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；輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。

4210.5.1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

◆功率因數(shù)提高，諧波電流減小，降低了電源對電網(wǎng)的干擾。

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

◆電源允許輸入電壓范圍擴(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顯著減小，有利于提高后級DC-DC變換電路的控制精度和效率?！鰡蜗郟FC電路較為簡單，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。4310.5.2單級功率因數(shù)校正技術(shù)■單級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。■單級變換器的優(yōu)點◆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€輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路。

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

4410.5.2單級功率因數(shù)校正技術(shù)圖10-33典型的boost型單級PFCAC/DC變換器

■單級PFC變換器

◆適合于小功率電源，以單相為主，性能取決于電路的拓?fù)湫问健?/p>

◆工作原理

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

?開關(guān)關(guān)斷時，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時向副邊電路釋放能量。4510.5.2單級功率因數(shù)校正技術(shù)■單級PFC電路的特點

◆單級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。同時控制電路通常只有一個輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路

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

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

4610.6電力電子技術(shù)在輸配電系統(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)4710.6.1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)

■原理和典型結(jié)構(gòu)

?發(fā)電廠輸出交流電由換流變壓器將升壓后送到晶閘管整流器，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷鳌?經(jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。

?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用戶。

4810.6.1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)

◆典型結(jié)構(gòu)

?采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。?每端都由兩個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，每端兩個換流器的串聯(lián)連接點接地。

?兩極獨立運行，當(dāng)一極停止運行時，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，提高了運行的可靠性；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。

4910.6.1高壓直流輸電■高壓直流輸電的優(yōu)勢

◆更有利于遠(yuǎn)距離和大容量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)體沒有集膚效應(yīng)，占地面積小。

?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)（稱為柔性直流輸電）。

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

◆更有利于系統(tǒng)控制，通過對換流器的有效控制實現(xiàn)對傳輸?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。5010.6.2無功功率控制■在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量?！鼍чl管投切電容器（TSC）◆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，晶閘管投切電容器是一種性能優(yōu)良的無功補(bǔ)償方式?！艋驹硎怯媒涣麟娏﹄娮娱_關(guān)來投如或者切除電容器，兩個反并聯(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。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5110.6.2無功功率控制圖10-36TSC理想投切時刻原理說明◆TSC運行時晶閘管投入時刻

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

5210.6.2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uC總會維持在電源電壓峰值。?這種電路成本稍低，但因為二極管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。

5310.6.2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)載的一個典型應(yīng)用，通常為支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。

◆通過對

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。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°。

5410.6.2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TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。5510.6.2無功功率控制■靜止無功發(fā)生器（SVG）

◆靜止無功發(fā)生器指由自換相的電力電子橋式變流器來進(jìn)行動態(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。由于運行效率的原因迄今投入實用的SVG大都采用電壓型橋式電路。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5610.6.2無功功率控制◆SVG（采用電壓型橋式電路）的工作原理

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

?改變SVG輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相對幅值及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，就控制了SVG所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

5710.6.2無功功率控制◆與傳統(tǒng)SVC相比較

?SVC所能提供的最大電流分別是受電抗器和電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，SVG的運行范圍比傳統(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控制方法復(fù)雜，其價格目前仍比使用普通晶閘管的SVC高得多。5810.6.3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；另一條就是對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波?！觯蹋谜{(diào)諧濾波器◆是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。◆結(jié)構(gòu)簡單，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功?！鲇性措娏V波器（ActivePowerFilter——APF）

◆思想提出于上世紀(jì)60年代末，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，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。

5910.6.3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

?有源電力濾波器檢測出負(fù)載電流iL中的諧波電流iLh，產(chǎn)生與iLh大小相等而方向相反的補(bǔ)償電流iC，使電網(wǎng)電流iS只含有基波分量

iLf?！襞cLC無源濾波器相比，有源濾波能對變化的諧波進(jìn)行補(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，目前實用的裝置大都是電壓型；從與補(bǔ)償對象的連接方式來看，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)于一個受控電壓源，既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。

并聯(lián)型6010.6.4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，這被稱為電能質(zhì)量控制技術(shù)。

◆包括SVC和SVG、APF、用來補(bǔ)償電壓暫低的動態(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、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）。

◆包括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。6110.6.4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）。

◆包括SVC、SVG、APF和動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR等電能質(zhì)量控制裝置以外，還包括由反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的固態(tài)切換開關(guān)（SolidStateTransferSwitch——SSTS）等?！鲎罱d起的新能源發(fā)電所產(chǎn)生的電能大都需要經(jīng)過各種電力電子裝置的變換和控制才能夠給用戶使用或者聯(lián)網(wǎng)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用全面覆蓋了電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電三大環(huán)節(jié)。10.7電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電與儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用10.7.1光伏發(fā)電系統(tǒng)10.7.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)10.7.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)10.7.4電池儲能系統(tǒng)6210.7.1光伏發(fā)電系統(tǒng)63■光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)連接分為兩大類：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。目前主流應(yīng)用方式是光伏并網(wǎng)發(fā)電。圖10-44典型的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖10-45典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列直流-交流變換器交流電網(wǎng)光伏陣列直流-直流變換器直流負(fù)載儲能電池直流-交流變換器交流負(fù)載10.7.1光伏發(fā)電系統(tǒng)64■光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)儲能單元連接母線類型可分為直流母線型和交流母線型。（a）直流母線型

（b）交流母線型圖10-46含儲能環(huán)節(jié)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)10.7.1光伏發(fā)電系統(tǒng)65■并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)光伏電池組件與電力電子變換電路連接方式可分為集中式和集散式。（a）集中式（b）集散式圖10-47按光伏電池組件與電力電子變換電路連接方式分類10.7.1光伏發(fā)電系統(tǒng)66■并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)電力電子變換電路自身特點可分為單級電路拓?fù)浜蛢桑ǘ啵┘夒娐吠負(fù)?。（a）單級電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（b）兩（多）級電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖10-48按電力電子變換電路的自身特點分類（圖需更換）10.7.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)67■風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括槳葉、變速箱、發(fā)電機(jī)、電力電子變流器等，將產(chǎn)生的電能送到公用電網(wǎng)?！龀Ｓ玫拇笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)有：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）、永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）。圖10-49雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖10-50使用雙PWM變流器的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)10.7.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)68■燃料電池（fullcells,FC）是使用化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的電化學(xué)裝置。只要供給燃料，它們便產(chǎn)生電和熱。燃料電池輸出通常需要采用電力電子變換器進(jìn)行變換與控制。圖10-51一個燃料電池的輸入和輸出圖10-52燃料電池直流系統(tǒng)框圖燃料電池負(fù)載水熱量燃料（如氫氣）氧化劑（如氧氣）+-直流10.7.4電池儲能系統(tǒng)69■儲能系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供電能的的存儲環(huán)節(jié)，能夠提高電力系統(tǒng)供電可靠性和運行穩(wěn)定性?！鰞δ芟到y(tǒng)包含電力儲能單元與功率變換系統(tǒng)兩部分。儲能單元的實現(xiàn)技術(shù)包括以電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)、以及抽水儲能和飛輪儲能為代表的機(jī)械能儲能技術(shù)。功率變換系統(tǒng)典型代表為雙向DC-DC、雙向DC-AC變換器。a)非隔離型雙向DC-DC變換器拓?fù)鋌)隔離型雙向DC-DC變換器拓?fù)?0-53雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)10.7.4電池儲能系統(tǒng)70■電池常用的充電控制模式有：恒流充電、恒壓充電和恒功率充電等，常用的放電模式有恒流放電和恒功率放電?！鲭姵貑误w電壓低、容量有限，大規(guī)模應(yīng)用通常需要串并聯(lián)。串并聯(lián)應(yīng)用時應(yīng)采用電池均衡技術(shù)降低電池間參數(shù)差異的影響。■常用的電池均衡技術(shù)包括被動均