第10章 电力电子开关型电力补偿、控制器

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 10 10 章章电力电子开关型电力补偿、电力电子开关型电力补偿、控制器控制器Page 22021年11月21日星期日10 10 电力电子开关型电力补偿、控制器电力电子开关型电力补偿、控制器10.0 10.0 概述概述10.1 10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.2 10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器晶闸管开关型串联电抗补偿器10.3 PWM10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器STATCOMSTATCOM10.4 10.4 谐波电流补偿器谐波电流补偿器HCCHCC（或并联型电力有

2、源滤波器（或并联型电力有源滤波器PAPFPAPF）10.5 10.5 谐波电压补偿器谐波电压补偿器HVCHVC（或串联型电力有源滤波器（或串联型电力有源滤波器SAPFSAPF）10.6 PWM10.6 PWM开关型串联同步电压补偿器开关型串联同步电压补偿器SSSCSSSC* *10.7 10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFCUPFC* *10.8 10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMESSMES10.9 10.9 小结小结Page 32021年11月21日星期日10.0 概述概述电力半导体开关器件所构成的电力电子开关电路有两类电力半导体开关器件所构成的电力电子开关电路有两类应

3、用：应用： 1. 1. 电力电子变换电源。电力电子变换电源。实现电力变换。实现电力变换。 2. 2. 电力电子补偿、控制器。电力电子补偿、控制器。输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。Page 42021年11月21日星期日10.0 概述（续）概述（续）分类：分类： 按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式

4、的不同，按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式的不同，可以分为：可以分为：晶闸管相控型电力补偿控制器。晶闸管相控型电力补偿控制器。 全控开关器件高频全控开关器件高频PWM补偿控制器。补偿控制器。 优点：优点： 使电力系统的有功、无功功率潮流优化，平衡电力系统的使电力系统的有功、无功功率潮流优化，平衡电力系统的有功、无功功率，抑制功率振荡，可以改善电力系统的供有功、无功功率，抑制功率振荡，可以改善电力系统的供电质量和运行特性，可以提高运行的经济性和可靠性，提电质量和运行特性，可以提高运行的经济性和可靠性，提高电力设备（发电机、变压器、输配电线路）的利用率，高电力设备（发电机、变压器、输配电线

5、路）的利用率，减少备用电力设备。减少备用电力设备。Page 52021年11月21日星期日10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.1.1 10.1.1 晶闸管投、切并联电容器晶闸管投、切并联电容器TSCTSC（Thyristor Thyristor Switched Capacitors)Switched Capacitors)10.1.2 10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCRTCRPage 62021年11月21日星期日10.1.1 晶闸管投、切并联电容器晶闸管投、切并联电容器TSC图10.1 晶闸管投切电容器TSC) 110(2s

6、insin2/222fVICIIfCVXVIQCC 投、切并联电容：投、切并联电容：减少线路及发电机、变压器无功功率，减少线路及发电机、变压器无功功率，提高其有功功率极限，减少提高其有功功率极限，减少P，补偿感性负载压降。，补偿感性负载压降。 缺点：只能电压过零投、切，不能相控。缺点：只能电压过零投、切，不能相控。Page 72021年11月21日星期日10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCRq 在在t=时开通时开通T1q在在t=+时开通时开通T22222( )coscos,(10 6) ;2 , ( )1 cos (10 7)mVVi ttti tiaLLq在在t=时时q

7、在在t=2时时Page 82021年11月21日星期日10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCR （续（续1）q电流电流i(t)负半波：负半波：2222( )coscos (106),(1 cos ) (10 5)mVVi ttiLL q作傅立叶分析作傅立叶分析, ,基波有效值基波有效值 21sin22()(108)VILq电感电感L L的等效基波电抗为的等效基波电抗为211(10 10)sin22()VXLI，i(t)比v落后90，电流为正弦波90;LXL180 ,0LX q电流电流i(t)正半波：正半波：22( )coscos (104)Vi ttLPage 92021年

8、11月21日星期日10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCR （续（续2）q=90时时i(t)为完整的正弦波：为完整的正弦波： =t从从90再提前发触发脉冲时，由于再提前发触发脉冲时，由于i(t)还是负值，还是负值，T2仍在导通不能开通仍在导通不能开通T1，待到，待到t= 90时，时，iT2=0才能开通才能开通T1，所以波形与，所以波形与=90相同；相同；调控范围调控范围90180 qTSC与与TCR联合工作，可连续改变等效并联电抗的大小和联合工作，可连续改变等效并联电抗的大小和性质，使无功电流的补偿恰如其分。性质，使无功电流的补偿恰如其分。Page 102021年11月21

9、日星期日10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器晶闸管开关型串联电抗补偿器10.2.1 10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSCTCSC10.2.2 10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTOGTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCGCSCPage 112021年11月21日星期日10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC矢量图 q 无无C，A处无负载时处无负载时:121sin(),cos()dLqqLqEIXXEVIXX222222211(cos)sin,dqLqLqEVVEVPV IQV IXXXX2222211

10、(cos)sin,cos()EELqLqEVEEVPPQEIXXXXq 将图中的一个将图中的一个1/2Lc改为改为R，即构成同步振荡阻尼器，即构成同步振荡阻尼器SSRD1()dLqIXX1()LqI q XX2VEIdIqIPage 122021年11月21日星期日10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续1）q 为确保发电机扰动状态运行稳定性，为确保发电机扰动状态运行稳定性，不宜过大。不宜过大。XL很大很大时，时，P传输功率受限，远小于导线发热所允许的功率极限传输功率受限，远小于导线发热所允许的功率极限值，在线路中串入电容，可减小等效线路电抗，提高传输

11、值，在线路中串入电容，可减小等效线路电抗，提高传输功率。功率。q 固定固定C，相控电抗，相控电抗XL，构成，构成TSCS（Thyristor Controlled Series Capacitor)矢量图 1()dLqIXX1()LqI q XX2VEIdIqIPage 132021年11月21日星期日10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续2）q 相控电感相控电感l的等效感抗：的等效感抗：1sin 22cLClVXlI1/CXC1/ABXC lX lLXLX/ 211CLABCCCLCLXXXXXXXXX传输功率传输功率21sinqLABE VPXX

12、Xq=180时时 ，AB两点等效容抗两点等效容抗q=90时时 ，AB两点等效容抗两点等效容抗q串联等效电容串联等效电容C容抗：容抗：Page 142021年11月21日星期日10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续3）q在在B点点T1关断后关断后+i(t)流过电容流过电容C，使，使vc增大；增大；t 时，时， -i(t)又使又使vc减小为减小为0；q在在D点点T2关断后关断后-i(t)流过电容流过电容C，使负，使负vc增大，增大，t 2时，时， +i(t)又使负又使负vc减小为减小为0。 qA点开通点开通T1，B点关断点关断T1，则在，则在AB期间期间

13、T1通态短接电容通态短接电容C，vc=0 ；qC点开通点开通T2，D点关断点关断T2，则在，则在CD期间期间T2通态短接电容通态短接电容C，vc=0 。Page 152021年11月21日星期日10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCq 若若为为 T1的关断控制角则的关断控制角则1sin22CIVC1sin221( )CCVXIC 等效基波电容容抗等效基波电容容抗对对vc( (t) )作傅立叶分析，可得作傅立叶分析，可得vc(t)基波电压有效值基波电压有效值12( )2 sin(coscos)tcIv tItdttCC在在BCBC期间，期间，

14、12( )2 sin(coscos)tcIv tItdttCC 在在DEDE期间，期间，Page 162021年11月21日星期日10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCq 等效基波容抗等效基波容抗CX1/0Cq/2 时，时，()0CXq =时时 ,=180，vc=0，C不起作用不起作用；( /2)1/CXCq =/2时时 =0， C接入线路，接入线路，vc为完整的正弦波；为完整的正弦波；sin 22( )(1012)CIXCPage 172021年11月21日星期日10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电

15、容补偿器GCSCq =和和 =/2时时GCSC的的 vc都不会引起谐波电压。都不会引起谐波电压。q 采用采用N个个GCSC串联使用，根据所需的等效补偿容抗串联使用，根据所需的等效补偿容抗值，只控制一个值，只控制一个GCSC的的 在在90180 之间变化，之间变化，可以减小可以减小GCSC所引起的谐波电压所引起的谐波电压。 Page 182021年11月21日星期日10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器 STATCOM 图10.5 (a) (b) (c)isVVQIq当当 时，输出超前无功电流时，输出超前无功电流 ，从电网吸收滞后无功电流。，从电网吸收滞后无功电流。q三

16、相桥三相桥“逆变器逆变器”输出三相对称基波电压，令其与电网电压同频同相，输出三相对称基波电压，令其与电网电压同频同相，输出电流输出电流iSiSSiLLLV VV VVVIjjjXXXisVVQIq当当 时，输出滞后无功电流时，输出滞后无功电流 ，可补偿感性负载无功电流；，可补偿感性负载无功电流；Page 192021年11月21日星期日10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器 STATCOM（续（续1）图10.5 (a) (d)sin(10 17)iSSPV VPVIX(cos)(1018)SiSSQVVVQVIX 输入有功功率输入有功功率 输出滞后无功功率输出滞后无功

17、功率q从电网输入有功功率从电网输入有功功率P用于补充变流器功耗使用于补充变流器功耗使VD恒定。恒定。Page 202021年11月21日星期日10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器STATCOM （续（续2）1.电压电压VD闭环控制。闭环控制。2.无功功率无功功率Q闭环控制。闭环控制。先进的（或高级的）静止型无功功率发生器先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG（Advanced Static Var Generator）。也被称为静止同步补偿器）。也被称为静止同步补偿器STATCOM（Static Synchronous Compensator），又称为静止调

18、相器），又称为静止调相器STATCON(Static Condenser)。图10.5 (a) (e)Page 212021年11月21日星期日实时检测实时检测i iA A、i iB B、i iC C，分离出，分离出i ih h、i iL1Q L1Q ，取，取ih、iL1Q为变流为变流器指令输出电流，控制变流器实际输出电流，使其跟踪指令器指令输出电流，控制变流器实际输出电流，使其跟踪指令电流，使电网无谐波电流，甚至没有无功电流。电流，使电网无谐波电流，甚至没有无功电流。 10.4 谐波电流补偿器谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器（或并联型电力有源滤波器PAPF）Page 222021

19、年11月21日星期日10.5 谐波电压补偿器谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器（或串联型电力有源滤波器SAPF）q 非线性负载，或电源非线性负载，或电源vS为非正弦，使重要负载端为非正弦，使重要负载端A、B、C电压有谐波电压有谐波vh。hrv*chvv q实时检测实时检测A、B、C处的谐波电压，取变流器的指令输处的谐波电压，取变流器的指令输出电压，则重要负载出电压，则重要负载R、S、T处无谐波电压。处无谐波电压。Page 232021年11月21日星期日10.6 PWM开关型串联同步电压补偿器开关型串联同步电压补偿器SSSC 1.若若 ，相当于线路上串接了一，相当于线路上串接了一个容

20、抗个容抗K，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。,/BAABABBAVVVjkI ZVIVIjk BAVVVkIPVI 2. 若若 ，向电网串联注入有功功率，向电网串联注入有功功率1V2VV/()LIVjX V3. 若、大小、相位不变，串入则增加线路电流若、大小、相位不变，串入则增加线路电流 改改变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。1VV4. 若大小、相位不变，串入可改变负载的电压大小、相位。若大小、相位不变，串入可改变负载的电压大小、相位。Page 242021年11月21日星期日10.7 统一

21、潮流控制器统一潮流控制器UPFC q I I经经PTPT1 1并联在电网上，补偿电流并联在电网上，补偿电流i ic c；II II经经PTPT2 2，补偿电压，补偿电压VV串接串接在线路上。在线路上。q I I在在逆变状态逆变状态向电网送出有功功率时，向电网送出有功功率时，II II则高频整流从电网吸取则高频整流从电网吸取有功功率；有功功率；q I I在在高频整流状态高频整流状态从电网吸取有功功率时，从电网吸取有功功率时， II II则逆变向电网送出则逆变向电网送出有功功率。有功功率。Page 252021年11月21日星期日变流器变流器IIII输出的串联补偿电压超前为输出的串联补偿电压超前为

22、角；超前为角；超前为+， 串入后，在线路上增加的电流，滞后串入后，在线路上增加的电流，滞后 , ,滞后的相角为滞后的相角为10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC（续（续1）2VVV/LLIV jXj V X I902V90()V1V1VIPage 262021年11月21日星期日10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC（续（续2）2222coscos90()sin()(10 19)PLV VPVIVIVIX2222sinsin90()cos()(1020)QLV VQVIVIVIXPage 272021年11月21日星期日10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC （续（续3

23、）22sin() ;cos()LLV VV VPQXX12220sinsin();LLVVVVPPPXX222012(cos)cos()LLVV VQQQVVXX1220012sin;(cos)LLVVVPQVVXXPage 282021年11月21日星期日10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC （续（续4）12()sinLVVPX 2212()cosLVQVVVX 18012()sin,LVVPX 2212()cosLVQVVVX 180Page 292021年11月21日星期日10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES q 组成组成：1、ACDC双向三相桥四象限变流器；双向

24、三相桥四象限变流器；2、二象限、二象限DC/DC变换器变换器; 3、超导线圈。、超导线圈。q 电网负载电网负载发电机功率发电机功率:变流器逆变向电网输出交流功率变流器逆变向电网输出交流功率PAC，超导线圈磁能经超导线圈磁能经DC/DC输出输出PDC，再经逆变器向电网输出，再经逆变器向电网输出PAC。Page 302021年11月21日星期日10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES（续（续1）q 电力系统任何时刻电力系统任何时刻 P0， 发电机发电机P 负载负载P。q 储能类型储能类型：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。q 优点优点：储能

25、损耗小；存取效率高；响应快；控制灵活；建造：储能损耗小；存取效率高；响应快；控制灵活；建造不受地点限制；运行维护简单；投资不断下降，经济效益高。不受地点限制；运行维护简单；投资不断下降，经济效益高。Page 312021年11月21日星期日10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES （续（续2）q （1）三相桥高频整流，从电网输入）三相桥高频整流，从电网输入PAC向向DC/DC变换器输出变换器输出ID，Buck型型变换器降压，在整个开关周期中变换器降压，在整个开关周期中T8都导通，在开关周期都导通，在开关周期TS的的Ton=DTs期期间，间，T7、T8同时通态；同时通态；vEFVD，在

26、，在Toff=(1-D)Ts期间，期间， T7断态，断态， T8仍导仍导通，通，Isc经经T8、D7续流，续流， vEF0，平均值，平均值VEFDVDSCIDV*ACPACP*ACPq起导线圈输入功率起导线圈输入功率T7导电占空比导电占空比DTon/Ts=PAC+ / VDISC，检测、，按指令要求的检测、，按指令要求的确定确定D，即可使，即可使DDACSCDSCEFSCIVPIDVIVPPage 322021年11月21日星期日（2 2）三相桥工作在逆变状态向电网输出）三相桥工作在逆变状态向电网输出PACPAC，DC/DCDC/DC变换器从超导线圈获变换器从超导线圈获得直流功率，得直流功率，

27、DC/DC-BoostDC/DC-Boost变换，升压后输出电压变换，升压后输出电压VDVD，iDiD、IDID反向，在整个开反向，在整个开关周期关周期TSTS中中T7T7都断态，在都断态，在T Ton=Don=DTsTs 期间令期间令T8T8导通，导通，ISCISC经经T8T8、D7D7续流，续流， VEFVEF0 0 ，在，在T Toff=(1-Doff=(1-D)Ts)Ts 期间期间T7T7、 T8T8都处于断态，都处于断态， ISCISC经经 D8 D8 、D7D7反送反送回直流母线，回直流母线， VEFVEF VDVD， VEFVEF的直流平均电压的直流平均电压10.8 超导磁体储能

28、系统超导磁体储能系统SMES （续（续3）(1)11(1029)ACFEDDCDSCACDSCPVDVPD VIPDVI (/)onSD TT按指令要求的按指令要求的PAC及检测到的及检测到的VD、 ISC即可确定即可确定Page 332021年11月21日星期日 根据交流电网发电机和负载的功率不平衡情况，得到三相桥变换器输入交流根据交流电网发电机和负载的功率不平衡情况，得到三相桥变换器输入交流功率的指令值功率的指令值P P* *AC+ AC+ 、Q Q* *AC+ AC+ ，或输出的交流功率指令值，或输出的交流功率指令值P P* *AC - AC - 、Q Q* *AC - AC - ，再根

29、据实测的再根据实测的VDVD及及ISCISC即可确定即可确定DC/DCDC/DC变换器的工况及占空比变换器的工况及占空比 D D 或或 D D 。而按。而按 P P* *AC AC 、Q Q* *ACAC及交流电网电压及交流电网电压 值即可确定三相桥变换器的指令电压值即可确定三相桥变换器的指令电压 ，再由再由 的大小、相位确定开关管的的大小、相位确定开关管的SPWMSPWM控制信号，并使三相变换器交流侧电控制信号，并使三相变换器交流侧电压与电源电压压与电源电压 之差产生电流，使之差产生电流，使 。10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES （续（续4）*iV*iVI*,ACACACAC

30、PPQQSVPage 342021年11月21日星期日10.9 小结小结 利用电力半导体开关器件可以调控电感、电容、利用电力半导体开关器件可以调控电感、电容、电阻的数值，利用电力电子开关组成的开关型电力电阻的数值，利用电力电子开关组成的开关型电力变换电路可以构成各种类型的电压、电流补偿器和变换电路可以构成各种类型的电压、电流补偿器和控制器。控制器。 这些电力补偿器和控制器可以改变电网等效负载这些电力补偿器和控制器可以改变电网等效负载的感抗、容抗和电压、电流，可以补偿谐波电流和的感抗、容抗和电压、电流，可以补偿谐波电流和谐波电压，可以调控电网负载的基波电压的大小和谐波电压，可以调控电网负载的基波电压的大小和相位，可以补偿线路电抗，可以改变输电线路的有