电力电子技术在电力系统中的应用-课件

电力电子技术在电力系统中的应用张波2019.10电力电子技术在电力系统中的应用张波1内容绪论在电力系统中应用的基本原理阻抗补偿装置有源电压电流补偿装置其它装置结语

内容绪论2绪论

电力电子技术在电力系统中的应用又称为交流柔性输电技术。它起源于上个世纪80年代末，目前仅有部分技术应用到电力系统中，国内外都处于发展阶段。它是一门研制电力系统装置的技术，是当今改变电力系统运行方式、提高电网可靠性、稳定性、质量最有效的技术手段，也是支撑今后电力市场实施的技术手段。广泛采用电力电子技术是未来电力系统的发展趋势，是今后电力系统工作人员必须了解和掌握的技术。绪论电力电子技术在电力系统中的应用又称为3在电力系统中应用的基本原理电力系统控制基本原理

电网基本方程：要求根据实际需要，改变电网电压、电流和阻抗，实现电网的潮流优化、提高输电能力和改善电网质量。在电力系统中应用的基本原理电力系统控制基本原理电4在电力系统中应用的基本原理举例说明：

例1：

电网功率因数：

例2：

例3：

电网容量：

理论上电网容量可以达到热极限

可以抑制电网电压谐波、闪变、跌落等电压变化在电力系统中应用的基本原理举例说明：例5在电力系统中应用的基本原理举例说明：

例5：

例6：

电网电流：

可以将非线性负载转换为线性负载

例4：

可以抑制电网电流谐波等各种变化在电力系统中应用的基本原理举例说明：6在电力系统中应用的基本原理电力电子变换原理通过电力电子变换器实现电网电压、电流、阻抗的任意变换→其中：

为电力电子变换器开关函数

在电力系统中应用的基本原理电力电子变换原理通过电7在电力系统中应用的基本原理以上四种电能变换形式，当电力电子变换器输出端接电网时就可以实现电压或电流变换；当电力电子变换器输出端接阻抗元件时就可以实现阻抗变换。举例说明：

输入输出交流直流直流整流直流斩波交流交流电力控制变频、变相逆变在电力系统中应用的基本原理以上四种电能变换形式8在电力系统中应用的基本原理根据电力电子技术研制的主要电力系统装置阻抗补偿原理及装置利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电感，电容，电阻，可以瞬时地改变线路等效阻抗或者等效的感性，容性，阻性负载，可用以补偿和控制电力系统中线路阻抗和等值负载，控制有功和无功潮流，平衡电力系统的有功以及抑制电压瞬变和功率震荡。有源电压电流补偿原理及装置利用电力电子电路产生补偿电压或电流控制有功和无功潮流，可以使电力系统的有功、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，减少备用电力设备。在电力系统中应用的基本原理根据电力电子技术研制的主要电力系统9阻抗补偿装置晶闸管投切电容器

晶闸管投切电抗器晶闸管投切电阻晶闸管控制串联电容器晶闸管控制次同步震荡阻尼器晶闸管控制的故障电流限制器固态电路开关主要装置阻抗补偿装置晶闸管投切电容器 主要装置10阻抗补偿装置晶闸管投切电容器（TSC)

装置原理介绍功用:晶闸管动态投切电容器补偿滞后功率

装置图

补偿原理

阻抗补偿装置晶闸管投切电容器（TSC) 装置原理介绍功用:晶11阻抗补偿装置设计公式：

阻抗补偿装置设计公式：12阻抗补偿装置晶闸管投切电抗器（TPCI)功用：可连续改变等效并联电抗的大小和性质，实现无功电流连续控制。

装置图

补偿原理

阻抗补偿装置晶闸管投切电抗器（TPCI)功用：可连续改变等效13阻抗补偿装置设计公式：

T1导电T2导电等效基波电抗阻抗补偿装置设计公式：T1导电T2导电等效基波电抗14阻抗补偿装置带TPCI及TSC的电力系统

阻抗补偿装置带TPCI及TSC的电力系统15阻抗补偿装置晶闸管投切电阻(TSR)装置图

补偿原理

功用：防止故障时发电机功率不平衡所引起的矢步，应在原动机功率调节作用尚未动作之前增加发电机的输出功率。通过晶闸管接入一个制动（负载）电阻R。以增大发电机的输出功率使发电机转子受到附加的制动力矩，防止电动机失步。阻抗补偿装置晶闸管投切电阻(TSR)装置图补偿原理功用：防止16阻抗补偿装置设计公式：

发电机功角特性导电极限最大功率阻抗补偿装置设计公式：发电机功角特性导电极限最大功率17阻抗补偿装置晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置图

功用：输电线路的电感越大，其传输功率极限值越小，在输电线电路中串联介入电容器可以补偿线路电感，提高输电线的输电能力改善系统稳定性。为了改变等效串联电容的大小，可将一定容量的电容C与一个晶闸管控制的电感L相并联，再共同串联在线路上。阻抗补偿装置晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置图功用：输电18阻抗补偿装置晶闸管控制次同步震荡阻尼器(SSRD)装置图

功用：为了降低线路电抗，提高线路输电能力，可以采用串联电容器补偿。但当补偿度较高时，便有可能激发起一种低于工频频率的次同步震荡而引发事故。次同步震荡阻尼器是在串联电容器上并一个由电感，小电阻及晶闸管双向交流开关串联而成的支路。阻抗补偿装置晶闸管控制次同步震荡阻尼器(SSRD)装置图功用19阻抗补偿装置晶闸管控制的故障电流限制器(FLC)装置图

功用：电力系统越来越大，短路引起的短路电流也越来越大，仅靠提高电器设备承受短路电流能力的办法是不经济的，采取措施限制短路电流是一个可取的技术方案。为了限制电网短路故障时的故障电流，可在短路后立即在短路回路中接入一个阻抗以限制短路电流。短路电流限制器由三部分组成:（1）快速动作的GTO开关（2）限制故障电流的电感L（3）金属氧化物非线性电阻器R阻抗补偿装置晶闸管控制的故障电流限制器(FLC)装置图功用：20阻抗补偿装置固态电路开关装置图

功用：将固态开关串联在输电线路上接通负载，当发生短路故障时，立即施加关断信号，使开关管迅即切断故障回路，或及时接同备用线路，确保系统的稳定运行和连续供电。阻抗补偿装置固态电路开关装置图功用：将固态开关串联在输电线路21有源电压电流补偿装置主要装置并联型电力有源滤波器

串联型电力有源滤波器统一潮流控制器PWM开关型并联无功功率发生器有源电压电流补偿装置主要装置并联型电力有源滤波器 22并联型电力有源滤波器（PAPF)功用：相当于一个电流源，与负载同时并联在电网上，控制三相桥的开关器件使其输出的谐波电流跟踪指令电流，补偿负载的谐波电流，使电网电源电流正弦化。装置图负载电流滤波器输出电流或有源电压电流补偿装置装置原理介绍并联型电力有源滤波器（PAPF)功用：相当于一个电流源，与负23串联型电力有源滤波器（SPAF)功用：它相当于一个电压源，串联在电路中，控制三相桥开关器件使其输出的谐波电压跟踪补偿电网的谐波电压，经谐波电压补偿后，电网中其他负载端点电压无谐波，电源电流也随之正弦化。装置图电网电压滤波器输出电压有源电压电流补偿装置串联型电力有源滤波器（SPAF)功用：它相当于一个电压源，串24统一潮流控制器（UPFC)功用：对电网电量的综合调节和控制装置图电网电压滤波器II输出电压负载电流滤波器I输出电流有源电压电流补偿装置统一潮流控制器（UPFC)功用：对电网电量的综合调节和控制装25PWM开关型并联无功功率发生器（STATCOM)功用：先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG。也被称为静止同步补偿器STATCOM,又称为静止调相器。装置图电感上电流当时，输出滞后无功电流，可补偿感性负载无功电流；当时，输出超前无功电流，从电网吸收滞后无功电流。有源电压电流补偿装置PWM开关型并联无功功率发生器（STATCOM)功用：先进的26其它装置主要装置高压直流输电超导磁体储能系统电力电子变压器无线输电其它装置主要装置高压直流输电27高压直流输电（HVDC)功用：实现远距离输电。装置图装置原理介绍其它装置高压直流输电（HVDC)功用：实现远距离输电。装置图装置原理28超导磁体储能系统（SMES)功用：电网负载小于发电机功率时，三相桥变流器高频整流，吸收电网交流功率，经DC/DC变换后给超导线圈供电;电网负载大于发电机功率时，三相桥变流器逆变，向电网输出交流功率，超导线圈磁能经DC/DC变换输出，再经逆变器向电网输出。装置图其它装置超导磁体储能系统（SMES)功用：电网负载小于发电机功率时，29电力电子变压器（EPT)功用：取代现有电力变压器。装置图高压交流电输入—整流—高频逆变—高频降压变压器—整流—工频逆变—负载其它装置电力电子变压器（EPT)功用：取代现有电力变压器。装置图高压30无线输电功用：通过电力电子技术及电磁原理实现无线电力传输装置图其它装置无线输电功用：通过电力电子技术及电磁原理实现无线电力传输装置31结语

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变换电路可以构成各种类型的电压、电流补偿器和控制器。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功和无功功率，并对电力系统的功率平衡进行快速、灵活、有效的调节和控制，这些功能将导致：（1）灵活控制电力系统有功功率和无功功率潮流，使电力系统、电网中的潮流分布最优化，减少损耗，提高运行经济性。结语利用电力半导体开关器件可以调32结语（2）线路传输的功率有可能增大至接近导线的热极限（比以往由电力系统稳定要求所限制的功率极限值提高50～100%），最充分地利用输电线的传输能力，又能确保电力系统的运行稳定性。（3）减少备用发电机组的容量。（4）补偿无功功率，减少功率损耗，提高发、配电设备利用率。(5）提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性。（6）消除非线性负载的谐波和无功冲击对电力系统的污染和危害。结语（2）线路传输的功率有可能增大至接近导线的热极限（比33结语

引入大功率半导体开关型电力变换器、补偿器、控制器以后，原有电力系统的结构将发生重大变化。无论是发电、输配电和电力应用都将获得更好的技术经济效益、更高的安全可靠性、更灵活有效的控制特性和更优良的供电质量。随着现代电力电子技术的不断发展和电力电子技术在电力系统领域中的广泛应用，传统的电力系统将成为一个其运行更加安全、可靠、经济、控制灵活的柔性电力系统，传统的电力技术将发生革命性的变革。结语引入大功率半导体开关型电力变换器、补偿器、控34谢谢谢谢35电力电子技术在电力系统中的应用张波2019.10电力电子技术在电力系统中的应用张波36内容绪论在电力系统中应用的基本原理阻抗补偿装置有源电压电流补偿装置其它装置结语

内容绪论37绪论

电力电子技术在电力系统中的应用又称为交流柔性输电技术。它起源于上个世纪80年代末，目前仅有部分技术应用到电力系统中，国内外都处于发展阶段。它是一门研制电力系统装置的技术，是当今改变电力系统运行方式、提高电网可靠性、稳定性、质量最有效的技术手段，也是支撑今后电力市场实施的技术手段。广泛采用电力电子技术是未来电力系统的发展趋势，是今后电力系统工作人员必须了解和掌握的技术。绪论电力电子技术在电力系统中的应用又称为38在电力系统中应用的基本原理电力系统控制基本原理

电网基本方程：要求根据实际需要，改变电网电压、电流和阻抗，实现电网的潮流优化、提高输电能力和改善电网质量。在电力系统中应用的基本原理电力系统控制基本原理电39在电力系统中应用的基本原理举例说明：

例1：

电网功率因数：

例2：

例3：

电网容量：

理论上电网容量可以达到热极限

可以抑制电网电压谐波、闪变、跌落等电压变化在电力系统中应用的基本原理举例说明：例40在电力系统中应用的基本原理举例说明：

例5：

例6：

电网电流：

可以将非线性负载转换为线性负载

例4：

可以抑制电网电流谐波等各种变化在电力系统中应用的基本原理举例说明：41在电力系统中应用的基本原理电力电子变换原理通过电力电子变换器实现电网电压、电流、阻抗的任意变换→其中：

为电力电子变换器开关函数

在电力系统中应用的基本原理电力电子变换原理通过电42在电力系统中应用的基本原理以上四种电能变换形式，当电力电子变换器输出端接电网时就可以实现电压或电流变换；当电力电子变换器输出端接阻抗元件时就可以实现阻抗变换。举例说明：

输入输出交流直流直流整流直流斩波交流交流电力控制变频、变相逆变在电力系统中应用的基本原理以上四种电能变换形式43在电力系统中应用的基本原理根据电力电子技术研制的主要电力系统装置阻抗补偿原理及装置利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电感，电容，电阻，可以瞬时地改变线路等效阻抗或者等效的感性，容性，阻性负载，可用以补偿和控制电力系统中线路阻抗和等值负载，控制有功和无功潮流，平衡电力系统的有功以及抑制电压瞬变和功率震荡。有源电压电流补偿原理及装置利用电力电子电路产生补偿电压或电流控制有功和无功潮流，可以使电力系统的有功、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，减少备用电力设备。在电力系统中应用的基本原理根据电力电子技术研制的主要电力系统44阻抗补偿装置晶闸管投切电容器

晶闸管投切电抗器晶闸管投切电阻晶闸管控制串联电容器晶闸管控制次同步震荡阻尼器晶闸管控制的故障电流限制器固态电路开关主要装置阻抗补偿装置晶闸管投切电容器 主要装置45阻抗补偿装置晶闸管投切电容器（TSC)

装置原理介绍功用:晶闸管动态投切电容器补偿滞后功率

装置图

补偿原理

阻抗补偿装置晶闸管投切电容器（TSC) 装置原理介绍功用:晶46阻抗补偿装置设计公式：

阻抗补偿装置设计公式：47阻抗补偿装置晶闸管投切电抗器（TPCI)功用：可连续改变等效并联电抗的大小和性质，实现无功电流连续控制。

装置图

补偿原理

阻抗补偿装置晶闸管投切电抗器（TPCI)功用：可连续改变等效48阻抗补偿装置设计公式：

T1导电T2导电等效基波电抗阻抗补偿装置设计公式：T1导电T2导电等效基波电抗49阻抗补偿装置带TPCI及TSC的电力系统

阻抗补偿装置带TPCI及TSC的电力系统50阻抗补偿装置晶闸管投切电阻(TSR)装置图

补偿原理

功用：防止故障时发电机功率不平衡所引起的矢步，应在原动机功率调节作用尚未动作之前增加发电机的输出功率。通过晶闸管接入一个制动（负载）电阻R。以增大发电机的输出功率使发电机转子受到附加的制动力矩，防止电动机失步。阻抗补偿装置晶闸管投切电阻(TSR)装置图补偿原理功用：防止51阻抗补偿装置设计公式：

发电机功角特性导电极限最大功率阻抗补偿装置设计公式：发电机功角特性导电极限最大功率52阻抗补偿装置晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置图

功用：输电线路的电感越大，其传输功率极限值越小，在输电线电路中串联介入电容器可以补偿线路电感，提高输电线的输电能力改善系统稳定性。为了改变等效串联电容的大小，可将一定容量的电容C与一个晶闸管控制的电感L相并联，再共同串联在线路上。阻抗补偿装置晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置图功用：输电53阻抗补偿装置晶闸管控制次同步震荡阻尼器(SSRD)装置图

功用：为了降低线路电抗，提高线路输电能力，可以采用串联电容器补偿。但当补偿度较高时，便有可能激发起一种低于工频频率的次同步震荡而引发事故。次同步震荡阻尼器是在串联电容器上并一个由电感，小电阻及晶闸管双向交流开关串联而成的支路。阻抗补偿装置晶闸管控制次同步震荡阻尼器(SSRD)装置图功用54阻抗补偿装置晶闸管控制的故障电流限制器(FLC)装置图

功用：电力系统越来越大，短路引起的短路电流也越来越大，仅靠提高电器设备承受短路电流能力的办法是不经济的，采取措施限制短路电流是一个可取的技术方案。为了限制电网短路故障时的故障电流，可在短路后立即在短路回路中接入一个阻抗以限制短路电流。短路电流限制器由三部分组成:（1）快速动作的GTO开关（2）限制故障电流的电感L（3）金属氧化物非线性电阻器R阻抗补偿装置晶闸管控制的故障电流限制器(FLC)装置图功用：55阻抗补偿装置固态电路开关装置图

功用：将固态开关串联在输电线路上接通负载，当发生短路故障时，立即施加关断信号，使开关管迅即切断故障回路，或及时接同备用线路，确保系统的稳定运行和连续供电。阻抗补偿装置固态电路开关装置图功用：将固态开关串联在输电线路56有源电压电流补偿装置主要装置并联型电力有源滤波器

串联型电力有源滤波器统一潮流控制器PWM开关型并联无功功率发生器有源电压电流补偿装置主要装置并联型电力有源滤波器 57并联型电力有源滤波器（PAPF)功用：相当于一个电流源，与负载同时并联在电网上，控制三相桥的开关器件使其输出的谐波电流跟踪指令电流，补偿负载的谐波电流，使电网电源电流正弦化。装置图负载电流滤波器输出电流或有源电压电流补偿装置装置原理介绍并联型电力有源滤波器（PAPF)功用：相当于一个电流源，与负58串联型电力有源滤波器（SPAF)功用：它相当于一个电压源，串联在电路中，控制三相桥开关器件使其输出的谐波电压跟踪补偿电网的谐波电压，经谐波电压补偿后，电网中其他负载端点电压无谐波，电源电流也随之正弦化。装置图电网电压滤波器输出电压有源电压电流补偿装置串联型电力有源滤波器（SPAF)功用：它相当于一个电压源，串59统一潮流控制器（UPFC)功用：对电网电量的综合调节和控制装置图电网电压滤波器II输出电压负载电流滤波器I输出电流有源电压电流补偿装置统一潮流控制器（UPFC)功用：对电网电量的综合调节和控制装60PWM开关型并联无功功率发生器（STATCOM)功用：先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG。也被称为静止同步补偿器STATCOM,又称为静止调相器。装置图电感上电流当时，输出滞后无功电流，可补偿感性负载无功电流；当时，输出超前无功电流，从电网吸收滞后无功电流。有源电压电流补偿装置PWM开关型并联无功功率发生器（STATCOM)功用：先进的61其它装置主要装置高压直流输电超导磁体储能系统电力电子变压器无线输电其它装置主要装置高压直流输电62高压直流输电（HVDC)功用：实现远距离输电。装置图装置原理介绍其它装置高压直流输电（HVDC)功用：实现远距离输电。装置图装置原理63超导磁体储能系统（SMES)功用：电网负载小于发电机功率时，三相桥变流器高频整流，吸收电网交流功率，经DC/DC变换后给超导线圈供电;电网负载大于发电机功率时，三相桥变流器逆变，向电网输出交流功率，超导线圈磁能经DC/DC变换输出，再经逆变器向电网输出。装置图其它装置超导磁体储能系统（SMES)功用：电网负载小于发电机功率时，64电力电子变压器（EP