PE10-电力电子开关型电力补偿-控制器

第10章

电力电子开关型电力补偿、控制器110电力电子开关型电力补偿、控制器引言10.1晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.2晶闸管开关型串联电抗补偿器10.3PWM开关型并联无功功率发生器TATCOM10.4谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）10.5谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器SAPF）10.6PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC10.7统一潮流控制器UPFC10.8超导磁体储能系统SMES小节引言

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用

1.电力电子变换电源。实现DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC电力变换。

2.电力电子补偿、控制器。

含有L、C的开关电路可构成：①电压、电流补偿控制器：输出任意波形的周期或非周期性的电压、电流。

1.1输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。

1.2输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。②阻抗补偿控制器：等效为一个可变的阻抗。

2.1串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。

2.2并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。

按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式的不同，分为：①晶闸管相控型电力补偿控制器。②全控开关器件高频PWM补偿控制器。在电力系统中采用电力补偿控制器，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。引言（续）10.1晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.1.1晶闸管投、切并联电容器TSC（ThyristorSwitchedCapacitors)10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR10.1.1晶闸管投、切并联电容器TSC图10.1晶闸管投切电容器TSC投、切并联电容：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ΔP，补偿感性负载压降。缺点：只能电压过零投、切，不能相控。10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR在ωt=α时开通T1图10.2（a)(c)对L可相控在ωt=π+α时开通T210.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续1）图10.2（a)(c)电流i(t)负半波：作傅立叶分析,基波有效值

电感L相控角为α时等效基波电抗，i(t)比v落后90，正弦波电流i(t)正半波：10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续2）图10.2（a)(d)α=90°时i(t)为完整的正弦波：α=ωt从90°再提前发触发脉冲时，由于i(t)还是负值，T2仍在导通不能开通T1，待到ωt=

90°时，iT2=0才能开通T1，所以波形与α=90°相同；α调控范围90°~180°

TSC与TCR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。10.2晶闸管开关型串联电抗补偿器10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC矢量图

图10.3

(a)TSCS单线图

无C，A处无负载时:cc将图中的一个1/2Lc改为R，即构成同步振荡阻尼器SSRD10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续1）为确保发电机扰动状态运行稳定性，δ不宜过大。XL很大时，P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，提高传输功率。固定C，相控电抗XL，构成TSCS（ThyristorControlledSeriesCapacitor)矢量图

图10.3

(a)TSCS单线图10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续2）相控电感l的等效感抗图10.3晶闸管控制的串联电容传输功率α=180°时，AB两点等效容抗α=90°时，AB两点等效容抗串联等效电容C容抗：10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续3）将C与晶闸管相控电感并联，可得到可控的容抗；将C与GTO并联，也可得到可控的容抗；图10.4GTO控制的串联电容补偿器在B点T1关断后+i(t)流过电容C，使vc增大；ωt>π时，-i(t)又使vc减小为0；在D点T2关断后-i(t)流过电容C，使负vc增大，ωt

>2π时，+i(t)又使负vc减小为0。如果输电线电流为，在i正半周的A点开通T1，在B点关断T1，则在AB期间T1通态短接电容C，vc=0；在负半周的C点开通T2，在D点关断T2，则在CD期间T2通态短接电容C，vc=010.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC若α为T1的关断控制角则图10.4GTO控制的串联电容补偿器，等效基波电容容抗对作傅立叶分析，可得到的基波电压有效值在BC期间，在DE期间，10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC（续1）T1的关断控制角为α时，T导通角θ=α－(π－α)=2α－π，起始导通角即触发开通角为π－α，这时等效基波容抗图10.4GTO控制的串联电容补偿器π/2<α<π时，在之间改变。

α=π时，T导通角θ=180°，vc=0，C不起作用；α=π/2时，T导通角θ=0°，C在整个周期中都接入线路，vc为完整的正弦波；10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC（续2）α=π和α=π/2时GCSC的vc都不会引起谐波电压。采用N个GCSC串联使用，根据所需的等效补偿容抗值，只控制一个GCSC的α在90°~180之间变化，可以减小GCSC所引起的谐波电压。

图10.4GTO控制的串联电容补偿器10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM图10.5(a)(b)(c)当时，输出超前无功电流，从电网吸收滞后无功电流。三相桥“逆变器”输出三相对称基波电压，令与电网电压同频同相位，输出电流当时，输出滞后无功电流，可补偿感性负载无功电流；10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM（续1）图10.5(a)(d)输入有功功率输出滞后无功功率从电网输入有功功率P用于补充变流器功耗使VD恒定。超前一个δ角，向提供有功功率P；数值大，向提供感性无功功率Q。当滞后一个相位角δ时，Ip为负，输出有功功率为负，从电网吸收的有功功率为正，10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM（续2）1.电压VD闭环控制。2.无功功率Q闭环控制。先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG（AdvancedStaticVarGenerator）。也被称为静止同步补偿器STATCOM（StaticSynchronousCompensator），又称为静止调相器STATCON(StaticCondenser)。图10.5(a)(e)10.4谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）

图10.6并联有源滤波器

非线性负载电流=基波有功电流+基波无功电流+谐波谐波电流补偿器HCC输出，则电源电流若电流补偿器输出，则实时检测iA、iB、iC，分离出、，取、为变流器指令输出电流，控制变流器实际输出电流，使其跟踪指令电流，使电网无谐波电流，甚至无无功电流。

10.5谐波电压补偿器HVC

（或串联型电力有源滤波器SAPF）

非线性负载，或电源vS为非正弦，使重要负载端A、B、C电压有谐波vh。图10.7串联型电力有源滤波器

实时检测A、B、C处的谐波电压，取变流器的指令输出电压，则重要负载R、S、T处无谐波电压。10.6PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC

图10.8PWM开关型串联同步电补偿器

若，相当于线路上串接了一个容抗K，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。2.若，向电网串联注入有功功率3.若、大小、相位不变，串入则增加线路电流改变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。4.若大小、相位不变，串入可改变负载的电压大小、相位。10.7统一潮流控制器UPFC三相桥变流器I经PT1并联在电网上，输出（输入）补偿电流ic；三相桥变流器II经PT2，输出补偿电压ΔV串接在线路上。变流器I在逆变状态向电网送出有功功率时，II则高频整流从电网吸取有功功率。变流器I高频整流从电网吸取有功功率时，II则逆变向电网送出有功功率。

图10.9统一潮流控制器

变流器II输出的串联补偿电压超前为α角；超前为δ+α，串入后，在线路上增加的电流，滞后,滞后的相角为10.7统一潮流控制器UPFC（续1）

图10.9统一潮流控制器

输电线首端电源电压超前输电线末端电压：δ角。10.7统一潮流控制器UPFC（续2）

图10.9统一潮流控制器

串入后产生，使输电线末端的有功功率增量为，无功功率增量为10.7统一潮流控制器UPFC（续3）

图10.9统一潮流控制器

串入后，、、δ不变时，改变的大小和相位α，可连续调控、的大小和方向，调控输电线潮流P2、Q2。不串入电压时，

10.7统一潮流控制器UPFC（续4）

图10.9统一潮流控制器

α＝180°时，与反相，降低了输电线首端电压。，P2减小；，Q2可能为负。变流器I、II协调控制，可使潮流值为指令值。

超前的相位角为α可在0→2π之间的任意调控。α＝0时与同相，提高了输电线首端电压。

P2增大；，Q2增大。10.8超导磁体储能系统SMESSMES由：1、AC－DC双向三相桥四象限变流器；2、二象限DC/DC变换器（电压+、－，电流方向不变）；3、超导线圈；三部分组成。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PAC输出PDC，经DC/DC变换后给超导线圈供电：isc增大，存储磁能增加。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PAC，超导线圈磁能经DC/DC变换输出PDC，再经逆变器向电网输出PAC。图10.10超导磁体储能系统的电力电子变换电路10.8超导磁体储能系统SMES（续1）电力系统任何时刻P＝0，发电机P＝负载P。储能类型：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。优点：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。图10.10超导磁体储能系统的电力电子变换电路10.8超导磁体储能系统SMES（续2）（1）三相桥高频整流，从电网输入PAC向DC/DC变换器输出ID，Buck型变换器降压，在整个开关周期中T8都导通，在开关周期TS的Ton=DTs期间，T7、T8同时通态；vEF＝VD，在Toff=(1-D)Ts期间，T7断态，T8仍导通，Isc经T8、D7续流，vEF＝0，平均值VEF＝DVD图10.10超导磁体储能系统的电力电子变换电路起导线圈输入功率

T7导电占空比D＝Ton/Ts=PAC+/VDISC，检测、，按指令要求的确定D，即可使（2）三相桥工作在逆变状态向电网输出PAC，DC/DC变换器从超导线圈获得直流功率，DC/DC-Boost变换，升压后输出电压VD，iD、ID反向，在整个开关周期TS中T7都断态，在T’on=D’Ts

期间令T8导通，ISC经T8、D7续流，VEF＝0，在T’off=(1-D’)Ts期间T7、T8都处于断态，ISC经D8、D7反送回直流母线，VEF

＝VD，VEF的直流平均电压10.8超导磁体储能系统SMES（续3）图10.10超导磁体储能系统的电力电子变换电路按指令要求的PAC及检测到的VD、ISC即可确定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P*AC+、Q*AC+

，或输出的交流功率指令值P*AC-、Q*AC-，再根据实测的VD及ISC即可确定DC/DC变换器的工况及占空比D或D’。而按P*AC、Q*AC及交流电网电压值即可确定三相桥变换器的指令电压，再由的大小、相位确定开关管的SPWM控制信号，并使三相变换器交流侧电压与电源电压之差产生电流，使