柔性电力电子技术全套课件

柔性电力技术

—电力电子技术在电力系统中的应用参考教材：《柔性电力技术》，韩民晓等编著，中国水利水电出版社课程内容第一章电力系统的柔性化技术第二章电力变换电路与控制第三章发电领域的电力电子技术第四章直流输电技术第五章输电系统柔性串并联补偿第六章电能质量监测与控制第一章电力系统的柔性化技术第一节：电力系统特点以及柔性化的必要性1柔性电力技术的定义：柔性和非柔性基于电力电子技术在电能的产生，输送与应用各个环节对电能的质量和形态进行快速、精确控制的技术。柔性电力技术实施的核心是电力电子技术。 提出者：美国电力科学研究院的学者NarainHingorani2电力系统的目标

(1)可控性好，形式多样的发电系统。

(2)潮流可控，安全稳定的输电系统。

(3)模式多样、质量可控的配电系统。

(4)调节性好、高效节能的用电系统。3传统电力系统的构成与特点电力系统是为电能的产生、输送、分配与应用而构建成的人工系统。依据电能的流程可划分为发电、输电、变电、配电和用电五个组成部分。传统电力系统的构成主要包括：发电机、变压器、传输线、电缆、电容器组、直接实现电能转换的用电设备及保护与控制设备。

单机无穷大系统,以空载电动势和同步电抗表示的功角关系:变压器的有载调压开关可具有调节高压线路无功潮流的作用。(3）架空输电线路

4个参数：由导体电阻率引起的串联电阻R，由相与地之间漏电流引起的并联电导G，由导体周围磁场引起的串联电感L，由导体之间的电场引起的并联电容C。线路的功率传输特性（只考虑在功率传输分析中起主导作用的电感参数）

缺点：改变潮流的局限性(4)负荷

电压、频率调节特性较差，即负荷从系统取用的功率随系统电压、频率的波动而发生变化.

这对于电力系统的稳定运行往往是有利的，但对用电设备的稳定运行则是不利的。

(5)传统电力系统在可控特性方面的主要特点：电能不平衡影响系统运行的稳定性。各发电机组间必须严格保持同步。电力系统网络中的潮流只能由系统阻抗决定供电模式单一。电能质量控制主要以静态调节为主。用电负荷电能利用调节性能较差，电能利用率较低。1.2

柔性电力技术的概念、分类和应用示例1、发电领域中的柔性化技术1）可变速抽水储能技术

(ASPS，AdjustableSpeedPumpstorage)2）风力发电中的双馈感应发电技术

(DFIG，DoubleFeedInductionGenerator)3）太阳能发电中的功率调节技术

(PC，PowerConditioning)4）静止励磁系统

(SE，StaticExciting)5)新的发电方式2、输电环节的柔性化技术1）高压直流输电(HVDC，HighVoltageDC)2）静止无功补偿（SVC，StaticVarCompensator）3）静止同步补偿（STATCOM，StaticSynchronousCompensator）4）静止无功发生器（SVG，StaticVarGenerator)

5）可控串联补偿设备(TCSC，ThyristorControlledSeriesCompensator)6）统一潮流控制器（UPFC，UniformPowerFlowController)7）大容量超导储能系统（SEMS，Super-ConductingMagneticEnergyStorage)8)静止同步串联补偿器(SSSC，StaticSynchronousSeriesCompensator)3、配电网中的柔性化技术。1）配网静止无功补偿器

(D-SVC，DistributionStaticVarCompensator)2)配网静止无功补偿发生器

(D-SVG，DistributionStaticVarGenerator)。3）有源电力滤波器(APF，ActivePowerFilter)4）固态断路器(SCB，Solid-stateCircuitBreaker)5）轻型直流输电.(HVDC-Light)。动态电压调节器(DVR，DynamicVoltageRegulator)

配电系统用超导储能(D-SMESDistribution-SMES)不间断电源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)

统一电能质量调节器(UPQC，UniformPowerQualityController)(4)用电设备的柔性化技术。1)电动机的变频调速

(VFD，VariableFrequencyDrive)2)中频感应加热

(MFIH，MediumFrequencyInductionHeating)3)电力电子镇流器

(EB，ElectronicBallast)

4）开关电源

(SMPS，SwitchModePowersupplies)1、按控制方式分类：(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件

(1)功率二极管1.3

电力电子器件的基本特性与发展(2)晶闸管(3)光触发晶闸管(LTT，Light-triggeredThyristor)。优势：1)LTT不需要高电位逻辑电路和BOD保护触发电路,因此采用LTT的SVC阀塔的元器件数量将减少近7000个,故障率将下降,可靠性将提高。2)LTT无须辅助电源,所以交流系统电压降和外部故障(如直流陷落)对LTT的影响很小。3)与晶闸管等电位的门极驱动单元取消后,模块接线被简化,局部放电和电磁干扰的可能性大为降低,设备投运后维护工作发生意外故障的可能性大为降低,LTT晶闸管阀塔可获得更高的可靠性。4)阀塔无须预充电即可启动。缺点：LTT需很高的光灵敏度，以适应远距离控制和长寿命发光管的实际要求。(4)门极可关断晶闸管(GTO)

GTO是目前阻断电压最高和通态电流最大的全控型器件。 既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。 缺点是驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效；为了限制dv/dt，需要复杂的缓冲电路

GTO主要应用在中、大功率场合。(5)功率场效应管（PowerMOSFET）

功率场效应管属于电压控制型器件 优点： 驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，高频特性好，工作频率高达100kHz以上。热稳定性优于GTO。 缺点： 电流容量小，耐压低，通态压降大，一般只适用于功率不超过10kW的场合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

(6)绝缘栅双极晶体管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。 栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态电压高，导致导通损耗大；在应用于高（中）压领域时，通常须多个串联。

TC3300型IGBT变流器IGBT的导通电纳比MOSFET小的多IGBT导通损耗比MOSFET小(7)集成门极换流晶闸管(IGCT)

(IntegratedGateCommutatedThyristor)

IGCT是在克服GTO关断能力差，重复关断较大电流时容易产生局部过热损坏等缺陷而发展起来的。4500v/1100AIGCT组件

4500v/4000a不对称型igct组件

IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的MW级的高（中）压开关器件。 与MOSFET相比，IGCT通态电压更低，承受电压更高，通过电流更大；与GTO相比，通态电压和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小，有效地提高了系统的开关速度。

电力电子技术的应用领域

变送领域

产业、交通领域

GTO

IGBT

MOSFET

晶闸管

100M

10M

1M

100k

10k

1k

100

10

100

1k

10k

100k

1M

控制容量（VA）

工作频率（Hz）

信息处理领域

010203040功率容量MVA1990198019702000年晶闸管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)HVIGBT4.5KV0.9KA1.4

储能技术的现状与发展1、水电站的开发方式一、坝式水电站

特点：水头取决于坝高。引用流量较大等

1．河床式电站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道纵坡平缓的河段上，为避免大量淹没，建低坝或闸。适用水头：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。2．坝后式水电站(powerstaionatdamtoe)当水头较大时，厂房本身抵抗不了水的推力，将厂房移到坝后，由大坝挡水。坝后式水电站一般修建在河流的中上游。库容较大，调节性能好。二、引水式水电站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低坝(或无坝)取水，通过人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再经压力管道引水到水轮机进行发电特点：(1)

水头相对较高，目前最大水头已达2000米以上。(2)引用流量较小，没有水库调节径流，水量利用率较低，综合利用价值较差。(3)电站库容很小，基本无水库淹没损失，工程量较小，单位造价较低。类型：(1)无压引水式(freeflow)：引水道是无压的(如明渠)(2)有压引水式(pressureflow)：引水道是有压的(压力隧洞)三、混合式水电站(mixedpowerplant)在一个河段上，同时采用高坝和有压引水道共同集中落差的开发方式称为混合式开发。坝集中一部分落差后，再通过有压引水道集中坝后河段上另一部分落差，形成了电站的总水头。这种开发方式的水电站称为混合式水电站。适用于上游有优良坝址，适宜建库，而紧接水库以下河道突然变陡或河流有较大的转弯。同时兼有坝式和引水式水电站的优点。在工程实践中多称为引水式，很少用混合式水电站这个名称。 1、抽水蓄能技术： 利用电能与水力势能相互转换的蓄能技术，是目前国内外各电力公司采用的一项大规模实用技术。抽水蓄能：系统负荷低时，利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上库(电动机+水泵)，以水的势能形式贮存起来；放水发电：系统负荷高时，将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机)发电，以补充系统中电能的不足。

抽水蓄能的效率还较低，采用可变速技术后效率也只能达到75%左右。

四、抽水蓄能电站(pumpedstoragepowerstation)抽水蓄能电站结构示意图(a)纵断面图(b)平面图电站安装常规水电机组1×150MW，抽水蓄能机组3×90MW，下池闸小电站安装2×5MW水电机组。常规机组于1981年并网发电，首台蓄能机组于1991年7月投入试运行，1992年12月全部机组投入运行。我国第一座大型混合式抽水蓄能电站。电动发电机采用可变极（42极、48极）双速电机，在泵工况低水头（小于45m）运用时由60MW变频器驱动实现无极变频变速运行，是当时国内最大的静止变频器。

潘家口抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站上水库的资料照片1994年3月12日，中国建设的第一座大型抽水蓄能电站――广州抽水蓄能电站一期工程完工，四台机组全部投产。它也是当时世界规模最大的抽水蓄能电站。电站总装机容量240万千瓦，装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组。二期工程2000年全部投产。电站以500kV出线接入广东电网，一期出线两回，二期出线三回，其中一回作两期联络，对外共三回出线纳入电网，负责广东、香港两地电网的填谷、调峰、调频、调相、事故备用以及配合大亚湾核电站和将要投产的岭澳核电站的安全、经济运行。泰安抽水蓄能电站，位于山东省泰安市西郊，大河水库北边的山上。工程建设4×250兆瓦可逆式发电机组，于2006年12月30日竣工。机组投产后，对促进泰安地方经济发展，改善山东电网布局，提高电网运行水平都有重要意义。

五、

潮汐电站(tidalenergypowerstation)潮汐：潮汐现象是海水因受日月引力而产生的周期性升降运动，即海水的潮涨潮落。世界海洋潮汐能蕴藏量约为27亿kW，若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿kW.h。潮汐发电与原理：利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。2009年1月7日拍摄的温岭江厦潮汐试验电站发电机房

全国大中型水电站分布图长江流域大中型水电站分布图2、飞轮蓄能

原理：利用旋转物体所具有的动能存储能量。平均效率在85％以上150WH飞轮电池的照片1994年，美国阿贡（ANL）国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38厘米，质量为11千克，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000米／秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃2～5小时。目前正在开发储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂，约需这样的储能轮200个。日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置。该装置的飞轮直径达6.45米，高1米，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米／小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变。1992年美国飞轮系统公司（AFS）开发了汽车用机-电电池（EMB），每个质量为23千克。电池的核心是一个以20万转／分旋转的碳纤飞轮，每个电池储能为1千瓦时，它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上，能使该车以100千米／小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克，若采用铅酸电池，则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，且它的“比功率”（即爆发力）极高，是铅酸电池的25倍，是汽油发动机的10倍，它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米／小时。

轨道交通储能：应用在伦敦、纽约地铁的磁悬浮飞轮储能系统作为蓄能系统飞轮储能系统在风力发电系统的应用核聚变试验装置电源用飞轮储能系统

飞轮储能系统在小型太阳能发电系统中的应用3、电池蓄能技术电池蓄能技术是将电能转化为化学能存储、使用时再将化学能转化为电能的蓄能技术。这种电池可以实现电能与化学能的多次反复转化，有别于只一次性实现从化学能到电能转化的一次电池(不可充电电池)，用于蓄能的电池称为二次电池(可充电电池)。由于直接转化为化学能的电能只能是直流形式，因而交直流变换器是这种蓄能系统的重要组成部分。电池组合方式与系统的连接特点：(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暂态特性好，负荷追随性能强。(4)有利于系统的稳定可靠供电。(5)系统较为复杂。(6)使都市设施安全管理复杂化。种类：铅酸电池NaS电池锌-氯电池锌溴电池RF(Redoxflow)4、超导蓄能技术

超导蓄能(SMES：Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用电流在处于超导状态的线圈中流通，以磁场形式存储电能的方式。

超导线圈储能(SMES)的原理

1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K的低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。超导的发现1.4.4能量控制型并联补偿1.4.4.1超导磁体储能系统SMES1、SMES概述

1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C(4.2K)时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

荷兰物理学家昂纳斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低温物理学家1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿．因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖．金属Hg电阻随温度变化规律

如图所示横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0℃时汞的电阻之比：R/R0

R0：

T=273K的电阻超导体的分类

在常压下具有超导电性的元素有32种（如图元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）

重要物理参数

临界温度(Tc):

超导体电阻突然变为零的温度临界电流(Ic):超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流

临界磁场(Hc):逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场三、超导体的物理特性

(1)零电阻现象(ZeroResistance)T>Tc在超导环上加磁场

(b)T<Tc圆环转变为超导态(c)突然撤去外磁场，超导环中产生持续电流

(2)迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态三、超导体的物理特性

在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。迈纳斯效应的磁悬浮试验这种情况就象是在超导盘下方，有一块相同的镜象磁铁存在一样。根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承、高精度的导航用超导陀螺仪以及磁悬浮列车等。

1986年4月，乔治·柏诺兹(J.GeorgBednorz，1950－，瑞士)和卡尔·缪勒(KarlA.Muller，1927－，德国)向德国《物理杂志》提交了题为“Ba－La－Cu－O系统中可能的高Tc超导电性”的论文。后来，日本东京大学的几位学者根据他们的配方复制了类似的样品，证实钡镧铜氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。

柏诺兹和缪勒的发现使人类从基本探索和认识超导电性跨越到超导技术开发时代。

柏诺兹和缪勒因发现钡镧铜氧系统中的高Tc超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。高温超导

把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体称为高温超导。高温超导材料都是陶瓷一类氧化物，其超导机理与低温下的金属或合金超导有很大不同。

1987年2月24日中国科学院宣布，赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧

(Y－Ba－Cu－O)材料的Tc提高到了92.8

K以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。液氮的沸点为77.3K，价格比液氦便宜100

倍，冷却效率高63

倍，且氮又是十分安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景。五、超导技术的应用

（1）在电力工程方面的应用

图1超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维)

超导输电在原理上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.热绝缘超导电缆的基本结构，从内到外依次为：管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）；超导导体层（超导带材分层绕制）；热绝缘层（真空隔热套件）；常规电气绝缘层（工作在常温下）；电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。超导储能装置

超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈

超导发电机

在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％

超导限流器

超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。高温超导飞轮储能器

25kJ超导储能用磁体日本超导磁悬浮列车MAGLEV

高温超导磁悬浮实验车“世纪号”

（2）超导技术在交通运输方面的应用（3）超导技术在电子工程方面的应用

用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报

超导量子干涉仪

超导数字电路

超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速度可达10-11秒左右的数量级，比半导体集成电路快100倍，但功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径5、超级电容蓄能技术

一个完整的超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。

超级电容的机构及等值电路超级电容器的静电容量取决于单个分极的容量及分极的总面积。为增大总面积，通常用粉末状活性炭制成分极。

根据储能机理,可以将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。

双电层电容原理图超级电容器具有广泛的用途。它与蓄电池组成的混合动力系统可用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，以保护蓄电池系统，并且在汽车紧急刹车是可以瞬间回收能量，从而减少能源浪费，节省能源。超级电容器也用于其它系统中，如用作燃料电池的启动动力、作移动通讯和计算机的备用电源等。电容车在一个站点充电30秒至1分钟后，空调车可以连续运行3公里，不开空调则可以坚持行驶5公里，最高时速可达44公里。

风电变桨用超级电容器超级电容优势：1.具有法拉级的超大电容量，这比普通电容要大得多。2.可以瞬间释放的功率比普通电池高近十倍，而且不会损坏。3.充放电循环寿命在十万次以上，传统电池只能充放数百次。4.能在-40度至60度的环境温度中正常使用，传统电池低温下效能将会大大降低。5.有超强的荷电保持能力，漏电量非常小，传统电池要经常充电。6.充电迅速，它的速度比普通电池快几十倍，几分钟就可充满一辆汽车所需要的电量。7.本身不会对环境造成污染，真正免维护，而传统电池仍是有污染。缺点：一是它的体积比较大，与体积相当的电池相比，它的储电量要小。二是即使达到法拉级的电量，但与传统电池相比，仍然少得可怜，按目前的技术，它仍然不能作为电动力的主要储电器，因为它的电量只能驱动车辆行驶几公里。1.5

信息处理与控制技术的发展与应用

柔性电力技术中的信息处理与控制有两层含义： 一是理论与算法，

包括信息的监测内容、监测方法、开环或闭环控制算法、脉冲产生与合成方法等；

二是实现这些理论与算法的硬件平台。

简单系统可能只需一些逻辑电路，复杂系统可能会需要监测算法实现、控制功能实现、触发逻辑形成、人机界面等各个环节。

1、现场可编程门阵列

(FPGA，FieldProgrammableGateArray)

复杂可编程逻辑器件

(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)2、数字信号处理技术

(DSP—DigitalSignalProcessing)

3、工业个人计算机技术

(IPC，IndustrialPersonalComputer)

第2章电力变换电路与控制 电力变换通常由电力电子电路实现，可分为四大类:交流变直流 AC/DC直流变直流 DC/DC直流变交流 DC/AC交流变交流 AC/AC本章重点：四类变换的典型电路及其控制方法单相半波可控整流电路及波形带阻感负载的单相半波可控整流电路及波形比带电阻负载时平均值减小

2.1交流-直流变换电路2.1.1单相可控整流电路单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢2.1.1单相可控整流电路三相桥式全控整流电路原理图

三相桥式全控整流电路带阻感负载α=0时的波形

为变压器二次侧线电压的有效值

开关导通情况依次为：2.1.2三相可控整流电路VT1-VT6、VT1-VT2、VT2-VT3、VT3-VT4、VT4-VT5、VT5-VT6与此相对应的直流侧电压：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb2.1.2三相可控整流电路三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形2.1.3三相桥有源逆变工作状态2.1.3三相桥有源逆变工作状态2.1.4整流电路的功率因数和谐波2.1.4整流电路的功率因数和谐波通常电力系统中装设的并联补偿电容器，可对相移功率因数DPF进行校正，但畸变所引起的功率因数降低则只能通过减小谐波含有率得到改善。(2)三相桥式全控整流电路2.1.4整流电路的功率因数和谐波2.1.5交流电感对换相的影响由于换相的影响，交流侧电流波形将发生变化，这会对功率因数以及注入交流系统的谐波电流产生影响。2.1.5交流电感对换相的影响2.1.5交流电感对换相的影响变压器接线方式不同时电网侧电流波形将上述两组不同的变压器组合起来，其电网侧的总电流中将不再含有5、7、17、19等次数的谐波，而只含有12k±1次的特征谐波，即为12脉动整流，如图(c)所示，2.1.6双三相桥式整流电路将一种幅值直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的可控直流电压的过程称为直流-直流电压变换。由于这类变换的基本原理是利用开关器件对输入电压波形周期性地“斩切”，因此也常称为斩波器。主要内容：降压型(Buck)变换器、升压型(Boost)变换器升降压(Buck-Boost)变换器全桥直-直变换器

2.2直流-直流变换电路降压变换器电路原理图连续电流下对应的波形1)连续电流工作方式

2.2.1降压型变换器2.2.1降压型变换器2)电流临界连续工作方式3)间断电流方式。

由于应用场合不同，降压变换器有两种工作方式：

①输入电压不变的间断电流工作方式

当降压变换器应用于直流电机调速时，输入电压保持不变，而输出电压通过调节占空比来控制。

②输出电压不变的间断电流工作方式

在许多应用场合，如直流开关电源，则需要保持输出电压不变，而输入电压由于电网的波动会有所变化，通过调节占空比保持输出电压。4)通过选择合适的低通滤波器截止频率，使得，可大大减少输出电压纹波。

2.2.1降压型变换器 升压变换器电路结构如图所示，它主要用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。

升压变换器电路原理2.2.2升压型变换器 主要应用于要求相对输入电压的公共端为负极性、输出电压可高于或低于输入电压的直流稳压电源

2.2.3升降压型变换器升降压变换器电路原理2.2.3升降压型变换器上图为全桥开关型变换器电路图，主要应用于：(1)直-直(幅值极性)变换，用于直流电机的驱动。(2)直-交(正弦波形)变换，用于单相交流不间断电源。(3)直-交(中高频率)变换，用于变压器隔离式直流开关电源等。全桥直一直换流器电路2.2.4全桥直-直变换器单极性电压开关脉宽调制方式双极性电压开关脉宽调制方式2.2.4全桥直-直变换器2.3直流一交流变换电路电压源逆变器电流源逆变器思考：逆变；有源逆变；无源逆变。四象限工作情况反并联二极管

逆变器输出瞬时电压和电流曲线2.3直流一交流变换电路无论逆变器输出是方波还是正弦波，在负载为感性或容性负载时，其输出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻（除阻性负载）其输出功率的瞬时值有正有负。正的输出功率表明逆变器输出功率，即能量从逆变器输入向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态，从负载向逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才能适应各种不同的负载情况。在第一象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出能量；在第三象限，逆变器输出电压和电流均为负，逆变器输出能量；即在一、三象限，逆变器工作在逆变状态。在第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正，逆变器从负载向逆变器反馈能量；在第四象限，逆变器输出电压为正，电流为负，逆变器从负载向逆变器反馈能量。即在二、四象限，逆变器工作在整流状态。为了使逆变器能够在四个象限工作，功率开关管反并联一个二极管即可实现。2.3直流一交流变换电路逆变器波形指标1）谐波因子（HarmonicFactor） 第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即

2）总谐波（畸变）因子THD(Totalharmonicdistortionfactor)

该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。3）畸变因子（Distortionfactor） 总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义：

对于第n次谐波的畸变因子定义如下：2.3直流一交流变换电路逆变器单相逆变三相逆变方波脉宽调制方波脉宽调制单相半桥电压型逆变电路及其工作波形1、电路结构及原理1）单相半桥电压型逆变电路

单相全桥逆变电路下图所示，有四个功率管、四个反并联二极管组成，其控制方式有双极性控制、受限双极性控制和移相控制三种。电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)2)单相全桥逆变电路1、电路结构及原理全桥电路受限双极性控制方式工作波形全桥电路移相控制方式的工作过程三相电压型桥式逆变电路 面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量：窄脉冲的面积。 效果：环节的输出响应波形。 即：如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

形状不同而冲量相同的各种窄脉冲2、PWM控制的基本原理

PWM逆变电路的实质是依靠调节脉冲宽度改变输出电压，通过改变调制周期达到改变输出频率的目的。要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。实用的PWM逆变装置由3部分组成：直流电源、中间滤波环节和逆变电路。2、PWM控制的基本原理

分类：(1)根据调制脉冲的极性，可分为单极性和双极性调制两种。(2)根据载频信号和基准信号的频率之间的关系，可分为同步调制和异步调制两种。(3)根据基准信号的不同，可分为矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制等。矩形波脉宽调制法：输出脉冲列是等宽的，只能控制一定次数的谐波；正弦波脉宽调制法：输出脉冲列是不等宽的，宽度按正弦规律变化，故输出电压的波形接近正弦波。方案：SPWM

2、PWM控制的基本原理

单相桥式PWM逆变电路单极性.PWM控制方式波形双极性PWM控制方式波形单极性PWM波形谐波畸变低于双极性3、PWM逆变电路及其控制方法(1)单相桥式三相桥式PWM逆变电路三相桥式PWM逆变电路波形为了防止上、下2个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟某一时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于开关器件的关断时间。但这个延迟时间对输出的PWM波形将带来一定影响，使其与正弦波产生偏离。(2)三相桥式PWM逆变电路

3、异步调制和同步调制(1)异步调制：载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式(2)同步调制：载波比等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式(3)分段同步调制：同步调制和异步调制结合起来，构成分段同步调制方式，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比为恒定，不同频段的载波比不同。各频段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。4、PWM控制技术自然采样法,规则采样法,特定谐波消去法

4、PWM控制技术(1)自然采样法。

按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交点 时刻，控制功率开关器件的通 断，这种生成SPWM波形的方 法，称为自然采样法。要准确生成SPWM波形，就应准确地计算出正弦波和三角波的交点。自然采样法(2)规则采样法包括对称和不对称规则采样法

对称和不对称规则采样法对于对称规则采样法，以三角波负半周角平分线与正弦波交点作为采样点，过此点作平行线，该平行线与三角波在△内有两个交点，此两个交点即脉冲的开通时刻和关断时刻。对于不对称规则采样法，把△四等份，等份线与正弦波在内有五个交点，除去二等份线与正弦波交点，剩余两个交点，此两个交点作为采样点，过这两点作平行线与三角波在内有四个交点，取采样点最近的两个交点作为脉冲的开通时刻和关断时刻。不对称规则采样法生成的梯形波与正弦波逼近程度较高，谐波分量的幅值较小。按冲量相等原理计算双极性第k个PWM脉冲开通和关断角

特定谐波消去法中，脉冲开关时间不是由三角波载波与正弦调制波的交点确定的，而是从消除某些特定谐波的目的出发，通过解方程组确定。特定谐波消去法的输出PWM波形(3)特定谐波消去法特点：基波幅度大小与调制度成正比：。谐波频率的主要分量以簇（clusters）的形式出现特定谐波消去法的频谱图不同调制度α时单相桥双极性输出电压的频谱图不同调制度α时三相桥双极性输出电压的频谱图5、PWM逆变电路的谐波分析对于三相逆变器，如果选择为奇数并且为三的倍数（例如3，9，15，21，27…），线电压的形状与正弦波更为接近；在相电压的谐波中不存在偶次谐波。滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环比较方式的指令电流和输出电流2.3.5

PWM跟踪控制技术1、滞环比较方式2、三角波比较方式优点：开关频率固定，等于载波频率，便于高频滤波器的设计为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波信号。比滞环比较控制方式输出电流所含谐波少。3、定时比较方式特点：不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟，以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，并根据两者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度要低一些。AC/AC变换器交流斩波器DC-Link逆变器On/off控制触发角控制电压型电流型周波变换器谐振型2.4

交流-交流变换电路电阻负载2.4.1.1单相调压电路阻感负载电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量2.4.1交流调压电路(a)星形连接(b)线路控制三角形连接(c)支路控制三角形连接(d)中点控制三角形连接2.4.1.2

三相交流调压电路过零触发调功电路输出波形调功电路通常用于热惯性较大的电热负载2.4.2

交流调功电路控制方法：

在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载上的交流平均电压，达到调节负载功率的目的。其直接调节对象是电路的平均输出功率。单相交交变频电路原理图和输出电压波形2.4.3

交交变频电路

交交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的变频电路.又称为直接变频器或周波变换器。

这种变频器可用于交流电机变频调速系统，也用于风力发电机中产生变速恒频电源等。变流电路单向导电1)输出上限频率。:

变流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1／3～1／2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。2)输入功率因数。 输入功率因数较低，不论负载是滞后的还是超前的功率因数，输入的无功电流总是滞后的。3)输出电压谐波 与电网频率、变流电路脉波数m、输出频率fo有关

输入输出特性公共交流母线进线输出星形连接方式三相交交变频电路(1)电路接线方式:公共交流母线进线方式和输出星形连接方式。(2)输入输出特性输出频率上限和输出电压中的谐波与单相交交变频电路一致的。不同的是输入电流谐波分量大为减少且输入功率因数有所提高。(3)改善输入功率因数和提高输出电压

在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量（直流偏置）梯形波输出控制方式（交流偏置）与交直交比较，交交变频的优点：只用一次变流，效率较高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波；缺点：接线复杂，采用三相桥的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂；应用：主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速交流调速电路中，已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机。第3章发电领域的电力电子技术3.1整流励磁在现代同步发电机中的应用3.2风力发电中的电力电子技术3.3可变速抽水蓄能技术3.4太阳能发电中的电力电子技术3.1整流励磁在现代同步发电机中的应用励磁系统的类型直流励磁系统交流励磁系统静止整流器系统（自励）不可控整流器可控整流器旋转整流器系统静止励磁系统电势源可控整流器系统复合源整流器系统3.1整流励磁在现代同步发电机中的应用三相可控晶闸管励磁整流电路的控制励磁调节器用于控制整流桥的控制角：0°~90°——整流状态；90°~180°——逆变状态；移相环节：三相触发脉冲的移相控制角∂是由反馈的励磁调节电压uR决定的。形成∂与uR关系的环节称为移相环节，通常有线性移相环节与余弦移相环节。3.1整流励磁在现代同步发电机中的应用三相全控整流电路的数学模型通常对整流器电路使用一周波平均值模型代替瞬时值模型，即计算出的触发角可以立即得到励磁电压平均值的响应。整流励磁技术的发展趋势（复杂的励磁控制策略）数值集成电路的发展电力电子技术的进步3.2风力发电中的电力电子技术风力发电机的分类：恒速恒频发电机系统同步发电机：与系统频率保持严格一致，难以适用风力发电随机性、波动性的特点；异步发电机：鼠笼式结构，并网冲击大、无功消耗大；变速恒频发电机系统不连续变速系统：1、多台不同转速的发电机联合运行，2、双绕组双速感应发电机，3、双速极幅调制感应发电机连续变速系统：同步发电机采用交直交系统，双馈感应风力发电机3.2风力发电中的电力电子技术双馈风力发电机系统：工作原理：同步发电机绕线转子异步发电机3.2风力发电中的电力电子技术双馈异步风机的三种运行状态：亚同步运行状态：n<n1，旋转磁场运行方向同转子转动方向相同，n+n2=n1超同步运行状态：n>n1，旋转磁场运行方向同转子转动方向相反，n-n2=n1同步运行状态：n=n1，滑差频率f2=0，转子电流等于？？？三角载波与正弦调制波幅值比较方式产生PWM的频率与相序改变：相位增幅3.2风力发电中的电力电子技术结论：间隔越大，频率越大间隔越小，频率越小间隔为零，励磁电流为直流若∆a为负值时，∆a反向读数，实现相序相反功率传递关系：Pr—注入转子的功率，Pe—发电机的电磁功率S>0，励磁功率流向转子，发电机处于亚同步运行状态S<0，励磁功率流出转子，发电机处于超同步运行状态3.2风力发电中的电力电子技术双馈发电机系统的并网与功率控制特点：通过AC/AC变换器控制发电机输出电压的频率、幅值和相位，可以做到并网时无冲击电流。双馈发电机励磁调节量：频率、幅值和相位频率—保证风力发电机在变速运行时发出恒定频率的电力相位—调节发电机的有功功率输出幅值—调节发电机的无功功率输出3.2风力发电中的电力电子技术无刷双馈异步发电机结构：两台绕线式三相异步电机组成，一台作为主发电机，定子绕组与电网连接；另一台作为励磁电机，其定子绕组通过变频器与电网连接。优缺点：不存在滑环和电刷，运行时的事故率小，可靠性高；高风速运行时（超同步运行状态），主发电机和励磁机均向电网馈送有功功率；采用两台异步电机，结构尺寸增大，机场结构尺寸及质量增加。3.3可变速抽水蓄能发电技术基本原理：背景：为实现发电量与负荷用电量的动态平衡，必须不断调节、控制发电出力，使频率控制在一定的范围内，即自动频率控制（AFC，AutomaticFrequencyControl)常规调节方式：调整发电机出力，核电和火电调节能力有限，经济性差抽水蓄能机组，恒速运行机组，改变导向片开度无法实现快速有效的调节水轮机组特点：输入功率与回转速度的3次方成正比，通过电力电子技术、高强度材料制造工艺，设计可调速抽水蓄能发电系统3.3可变速抽水蓄能发电技术调速机组分类：定子励磁调节方式—发电机的定子绕组侧加装变换装置（一次侧，容量大，造价高）转子励磁调节方式—发电机的转子绕组侧加装变换装置（常用）转子励磁调节的特点：变换电路容量大快速电流控制励磁系统过电压抑制机组的平稳启动较小的高次谐波与高压直流输电相当的高可靠性3.3可变速抽水蓄能发电技术转子励磁调速的原理：n1—同步转速，n2—转子励磁绕组生成

的旋转磁场的转速，nr—转子的机械转速。变换器类型：周波变换器基于GTO的电压型或电流型变换器3.3可变速抽水蓄能发电技术可调速抽水蓄能机组的特点：抽水运行时输入功率的调整。通过转子转速的调整，可大幅度调整输入功率，进而达到全网AFC的目的。发电运行时效率提高。水轮机存在最佳效率回转速度，水轮机在发电运行和水泵运行时的最佳效率回转速度是不同的。固定速度机组通常只能运行在水泵的最佳回转速度，因而发电运行时无法达到最佳速度。可调速机组可以实现发电运行的最佳速度，使效率提高3%~5%。有利于提高系统的稳定性。可变速机组在保持水轮机轴功率不变时，通过调节转子的励磁电流，实现有功出力和无功出力的单独调节，对电网可能发生的电压失稳、低频震荡等现象有抑制作用。3.3可变速抽水蓄能发电技术转子励磁系统的两种实现方式：周波变换器方式采用晶闸管将工频电流变为数赫兹的交流电流。由于这类周波变换器脉冲数多，谐波畸变率小于1%，无需滤波；控制精度要求高，控制系统多采用DSP实现。必须解决的问题：系统故障引起母线电压下降，可能导致换流的失败；系统发生不对称故障时负序电压、对地电流等造成的过电压周波变换器方式具有易于大容量化，器件少，可靠性高3.3可变速抽水蓄能发电技术AC-DC-AC变换器：采用的是全控器件GTO，实现交流到直流的整流变换，直流侧通过GTO电压斩波电路、平波电容连接到低频交流逆变回路。逆变器为三相三电平方式。为提高输出容量，采用3个相同的单元并联构成。三电平采用二极管钳位方式，三个桥臂由4个GTO与若干反并联二极管组成。3.3可变速抽水蓄能发电技术可变速抽水蓄能电动工作状态在绕线转子异步电动机转子回路中串接附加电动势Ea的高效率调速方法，称为串级调速。工作原理：转子电流：引入附加电动势：电动机电磁转矩：（亚同步转速）3.3可变速抽水蓄能发电技术功率传递关系：实质是利用附加电动势Ea来控制转子的转差功率，从而实现调速。低于同步转速的电动运行状态—E2>Ea，E2向Ea输出转差功率P=sP1高于同步转速的电动运行状态—E2相位反转，与Ea同相位，Ea向E2输出转差功率高于同步转速的发电运行状态—E2向Ea输出转差功率低于同步转速的发电运行状态—Ea向E2输出转差功率倒拉反接制动运行状态—E2向Ea输出转差功率，功率值很大3.4太阳能发电中的电力电子技术发电形式有：太阳能热发电和太阳能光伏发电（主要形式）太阳能发电的电力电子电路形式：工频变压器方式—采用工频隔离，造价低，但不宜小型轻量化特点高频连接方式—高频逆变，高频隔离，小型轻量化，但造价高，效率低无变压器方式—通过升压斩波电路，逆变器和滤波器等，造价适中，适合小型轻量化3.4太阳能发电中的电力电子技术光伏发电的最大功率跟踪光伏发电的伏安特性曲线（输出特性曲线），图中同时标注了功率输出曲线。在一定的光照、大气压和结温温度前提下，存在太阳能发电的最大输出功率，称为峰值功率。目标：提高发电效率，使光伏电池运行在最大功率点附近措施：最大功率点控制实质上是控制输出电压在最大功率点电压附近，由于温度等因素的变化，最大功率点电压也是不断变化的，需要通过DC/DC电路不断调整输出电压，称为最大功率点追踪问题。3.4太阳能发电中的电力电子技术最大功率点追踪方法：试探法

每隔一固定时间，给工作电压附加一个小的增量。若输出功率增加，则继续向此方向调整工作电压；若输出功率减小，则向相反的方向调整工作电压。微分法根据最大功率点处功率对电压或电流的微分应为零，来判断是否处于最大功率点，并进行工作电压的调整。太阳能光伏发电运行方式：独立运行方式—适合于无电地区和人口稀少地区，需蓄电池进行储能并网运行方式—将电网作为蓄电池，功率双向流动，具有一定的调峰能力4直流输电技术4.1概述直流输电换流技术三相换流器有两种基本结构：电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC）。4直流输电技术4.1概述换流技术的发展：20世纪50~90年代，都采用电流源变换器。50~70年代中期，电流源换流器都采用汞弧阀，之后，晶闸管换流阀被作为高压直流系统的基本开关器件。20世纪90年代以后，电压源换流器得到应用。由于新的大功率自换相器件（如GTO和IGBT）的出现；由于数字信号处理（DSP）强大的计算处理能力使得在技术上能够满足控制要求，在经济上具备竞争力。现代高压直流系统既可采用电流源换流器也可采用电压源换流器作为换流单元。4.1概述电流源换流器与电压源换流器特性比较电流源换流器（CSC）电压源换流器（VSC）交流系统侧的作用作为恒定电压源需要电容器作为储能元件需要大型滤波器以消除谐波需要无功补偿与提高功率因数作为恒定电流源需要电感元件作为储能元件需要小型滤波器以消除较高频率的谐波不需要无功补偿，因为该换流器可以四象限运行。直流系统侧的作用作为恒定电流源需要电感元件作为储能元件需要直流滤波器具有固有的故障电流限制特性作为恒定电压源需要电容元件作为储能元件储能电容器起到直流滤波器的作用直流侧故障时，已充电的电容器会向故障点放电开关方式电网换相或串联电容器强迫换相每周波只发一个脉冲开关功耗较低自换相高频开关，即每周波内发多个脉冲。开关功耗较高额定值范围单换流器的容量为0~550MW电压可达800kV单换流器的容量为0~200MW电压可达320kV4.2电流源换流器（CSC）直流输电换流站包括：换流变压器、换流器、交流滤波器、直流滤波器以及控制保护装置等。换流器由基本换流单元组成，它在换流站内允许独立运行。电流源换流器的基本换流单元有：6脉动换流单元（三相桥式换流电路）；12脉动换流单元（由两个交流侧电压相位差30°的6脉动换流器所组成）。6脉动换流单元换流变压器结构：可以采用三相or单相结构;

阀侧绕组接线方式：可以采用星形or三角形接线。6脉动换流器在交流侧和直流侧分别产生6k±1次和6k次的特征谐波（k为正整数）。4.2电流源换流器（CSC）直流滤波器平波电抗器6脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置12脉动换流单元由两个交流侧电压相位相差30°的6脉动换流单元在直流侧串联，同时，交流侧经换流变并联所组成。12脉动换流单元可采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器，其阀侧绕组的接线方式必须为一个是星形接线，另一个是三角形接线。12脉动换流单元在交流侧和直流侧分别产生12k±1次和12k次的特征谐波。直流滤波器平波电抗器12脉动换流单元交流滤波器换流变压器控制保护装置换流变压器4.2电流源换流器（CSC）4.2.16脉动整流器工作原理晶闸管换流阀的特点:单向导电性。导通条件(两个)：阳极对阴极为正电压；控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲。控制极无关断能力，只有当换流阀加反向电压或流经换流阀的电流为零时，它才能关断。换相电抗平波电抗进行理论分析时做如下假设：直流电流Id恒定(即平波电抗器为无穷大)；阀为理想开关；交流系统为无穷大(即三相电动势平衡并且是完全正弦波)。4.2.16脉动整流器工作原理一、不考虑漏电感的理想情况：换相电抗为0，即重叠角；换流桥上、下半桥各有一个阀导通；触发延迟角。每个时刻2个晶闸管同时导通，一个是共阴极的，一个是共阳极组的，且不在同一相。

6个晶闸管触发脉冲按V1V2V3V4V5V6的顺序，相位依次相差60°；共阴极组V1、V3、V5触发脉冲依次相差120°。整流输出电压Ud一周脉动6次，每次脉动波形一样，估该电路为6脉动整流电路。整流电路合闸启动过程或电流断续时，须保证同时导通2个晶闸管均有触发脉冲。4.2.16脉动整流器工作原理自然换相点4.2.16脉动整流器工作原理V1为什么能关断，V3为什么能导通？4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理4.2.16脉动整流器工作原理晶闸管按照一定次序的“通”与“断”，将交流电压变换成脉动的直流电压。4.2.16脉动整流器工作原理结论：直流电压瞬时值在一个周期内由六段相同的曲线所组成，取其中一段就可求出直流平均电压Udo。6脉动整流器的理想空载直流电压：交流线电压有效值Udo为时直流电压平均值，称为理想空载直流电压4.2.16脉动整流器工作原理二、考虑延迟角的情况：直流电压下降4.2.16脉动整流器工作原理结论：调节触发延迟角，可改变直流输出电压，从而改变直流输出功率。注意：；在正常运行时，通常取最小触发角为5°；如果需要利用整流器进行无功功率调节，或直流输电需要降压运行时，则触发角需要相应增大。4.2.16脉动整流器工作原理三、既考虑延迟角，又考虑换相电抗的情况：存在V1和V3同时导通的时间，称为换相时间，电气角度为换相角或重叠角。在这段时间内，相当于交流a、b两相通过阀V1和V3短路。4.2.16脉动整流器工作原理整流电压下降4.2.16脉动整流器工作原理在换相结束时，6脉动整流器交流侧电流波形不是正弦波，近似为正、负矩形波。不计换相影响时，6脉动整流器交流侧电流中所含谐波次数为6k+1,相电流波形如图2-6所示。基波电流有效值为4.2.16脉动整流器工作原理结论：换相过程实质上是交流系统短时间的两相短路过程，换相是依靠电源提供的短路电流进行的。名词：换相过程中的短路电流称为换相电流。提供换相电流的交流电压称为换相电压。每相从电源中性点到阀之间的短路阻抗称为换相电抗。换相过程中两个阀共同导通的时间用电气角度表示，称为重叠角。4.2.16脉动整流器工作原理整流侧的等值换相电阻4.2.16脉动整流器工作原理Y/Y接线换流变压器相位超前于Y/Δ接线换流变压器；桥1对应阀臂的开通时间超前于桥2对应阀臂30o；每个单桥内部的6个阀臂按照60o的间隔顺序轮流导通。4.2.2

12脉动整流器工作原理4.2.212脉动整流器工作原理12脉动整流电路工作特点：每个时刻均需4个晶闸管同时导通形成向负载供电的回路，每个单桥中各有两个阀臂导通，直流电流通过四个阀臂。对触发脉冲的要求：12个晶闸管的相位依次相差30o；同一组的上下两个桥臂，即V11与V41等脉冲相差180o。

整流输出电压一周脉动12次，每次脉动的波形都一样，故该电路为12脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程或电流断续时，为确保电路正常工作，须保证同时导通的4个晶闸管均有触发脉冲。4.2.2

12脉动整流器工作原理12脉动整流器的整流电压平均值为：交流系统a相电流的傅里叶展开式为：交流系统电流中含有12k±1次谐波。12脉动整流电压中只含有12k次谐波4.2.2

12脉动整流器工作原理4.2.3逆变器的工作原理

直流输电工程所用的逆变器，大部分为有源逆变器，它要求逆变器所接的交流系统提供换相电压和电流，即受端交流系统必须有交流电源。

从整流器的原理开始讨论：假设整流器接阻感负荷。直流电压曲线所决定的正负电压相等，直流电压的平均值为0；直流电压曲线所决定的负面积大于正面积，直流电压变为负值而反向；直流电压曲线所决定的面积都是负的。分析逆变状态：超前触发角4.2.3逆变器的工作原理要使逆变器导通，必须满足下列条件：(1)在直流母线上加一个足够大的直流电压，以克服反电势的作用，才能使电流流通。(2)在直流电压小于交流反电势时，为了保持电流的连续，直流回路中要有充分大的电感，利用储藏在磁场中的能量帮助电流连续导通而不致中断。(3)换流阀的触发延迟角。4.2.3逆变器的工作原理

逆变器的换流过程与整流器类似，也是依靠交流系统提供的两相短路电压和电流（换相电压和电流）完成的。换流器电流不能反向，Ud反向将引起功率的反向。熄弧角逆变角延迟触发角换相重叠角“换相失败”：为使换相成功，必须在换相电压变为负值前完成从将关断阀到导通阀的转换。例如，从阀V5到阀V1的换相，只有时才能实现，而且需要有一个使阀去游离的足够时间裕度的条件下完成。4.2.3逆变器的工作原理逆变器的直流平均电压：逆变器的直流电流：

逆变器工作原理：直流回路提供足够大直流电压和磁场能量，电流从高电位阀流进，经低电位的阀流出。4.2.3逆变器的工作原理换相引起的直流电压平均值的变化量4.2.3逆变器的工作原理4.3电压源换流器（VSC）

VSC的优点：快速控制有功功率和无功功率；高电能质量；对环境的影响小；可与弱交流网络甚至无源网络连接。VSC技术的主要应用：小功率(小于250MW)直流输电系统(称为轻型直流输电)；无功补偿(SVC和STATCOM)；有源滤波器(APF)；风力发电系统及变频调速系统。

电压源换流器VSC

采用自换相器件(如GTO、IGBT等)；在一个周波中可换相多次；功率反向可以通过直流侧的电流反向或者电压反向获得；通过脉宽调制技术控制功率因数。

电流源换流器CSC

采用电网换相的晶闸管器件；一个周波只能换相一次；功率反向只能通过电压反向来实现；4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

主电路图单相等效电路图PWM技术在逆变电路应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路，绝大部分都是PWM型逆变电路。太阳能光伏发电VSC的四象限运行特性

整流器运行于单位功率因数逆变器运行于单位功率因数

电流超前电压的纯无功运行电流滞后电压的纯无功运行4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

柔性直流输电的特点无源逆变谐波含量小，无功需求小不会出现换相失败模块化设计可以实现无人值守或少人值守柔性直流输电的应用场合偏远地区供电孤岛或海上平台新能源发电并网非同步电网互联多端直流输电的发展城市配电网增容改造提高配电网电能质量4.3.2电压源换流器(VSC)的工作原理

209三电平结构也有工程投运，比两电平结构开关频率低，损耗小。拓扑结构2—三电平结构4.3.2VSC拓扑（补充）210模块化多电平换流器（MMC）由西门子公司提出拓扑结构3—多电平结构1（半桥）4.3.2VSC拓扑（补充）211MMC各相任意时刻导通子模块数相同，以维持直流电压恒定。4.3.2VSC拓扑（补充）212MMC与2、3电平VSC对比投资成本较低模块化设计输出滤波器容量小

开关频率低损耗小电压谐波畸变率小

MMC输出的多电平波形两、三电平VSC输出波形MMC的技术优势：MMC213适合于MMC的调制策略MMC调制策略的本质是使MMC输出所期望的多电平波形，工程中电平数低的场合主要采用载波移相正弦脉宽调制（CPS-SPWM），电平数较高的场合采用最近电平逼近调制（NLM）

（TBC工程以及上海南汇风电场都采用NLM）。CPS-SPWM调制示意图NLM调制示意图4.3.3

电压源换流器的PWM调制方法脉冲宽度调制（PWM）技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM技术的理论基础是面积等效原理，即面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的电路中时，其输出响应基本相同。脉冲宽度调制是把希望输出的电压波形作为调制信号与高频载波信号进行调制，在交点时刻对电路中开关器件进行控制，就可得到宽度正比于调制波幅值的脉冲，即PWM电压波。

PWM调制方法：正弦脉宽调制（SPWM）；PWM跟踪控制技术（滞环比较、三角波比较）；空间矢量调制等。

4.3.3.1正弦脉宽调制（SPWM）

驱动信号产生原理图VSC输出三相电压波形图4.3.3.2