电力电子第十章

电力电子第十章第1页，共36页，2023年，2月20日，星期一10电力电子开关型电力补偿、控制器10.0概述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STATCOM10.4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SSSC*10.7统一潮流控制器UPFC*10.8超导磁体储能系统SMES10.9小结第2页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.0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应用：1.电力电子变换电源。 实现电力变换。

2.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。 并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。第3页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.0概述（续）分类：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： 晶闸管相控型电力补偿控制器。全控开关器件高频PWM补偿控制器。

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。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.1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TCR第5页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.1.1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。第6页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR在ωt=α时开通T1在ωt=π+α时开通T2在ωt=π时在ωt=2π时第7页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续1）电流i(t)负半波：作傅立叶分析,基波有效值

电感L的等效基波电抗为，i(t)比v落后90，电流为正弦波电流i(t)正半波：第8页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续2）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。第9页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2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GCSC第10页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC矢量图

无C，A处无负载时:将图中的一个1/2Lc改为R，即构成同步振荡阻尼器SSRD第11页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.1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

第12页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.1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：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：第13页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续3）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。

A点开通T1，B点关断T1，则在AB期间T1通态短接电容C，vc=0；C点开通T2，D点关断T2，则在CD期间T2通态短接电容C，vc=0

。第14页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC若α为T1的关断控制角则等效基波电容容抗对vc(t)作傅立叶分析，可得vc(t)基波电压有效值在BC期间，在DE期间，第15页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC等效基波容抗π/2

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π时，=π时,θ=180°，vc=0，C不起作用；=π/2时θ=0°，C接入线路，vc为完整的正弦波；第16页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC=π和=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。

第17页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.3PWM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，令其与电网电压同频同相，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；第18页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.3PWM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。第19页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.3PWM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)第20页，共36页，2023年，2月20日，星期一

实时检测iA、iB、iC，分离出ih、iL1Q，取ih、iL1Q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，甚至没有无功电流。

10.4谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）第21页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.5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。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。第22页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.6PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC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。第23页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.7统一潮流控制器UPFCI经PT1并联在电网上，补偿电流ic；II经PT2，补偿电压ΔV串接在线路上。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；I在高频整流状态从电网吸取有功功率时，II则逆变向电网送出有功功率。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期一变流器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）第25页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.7统一潮流控制器UPFC（续2）第26页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.7统一潮流控制器UPFC（续3）第27页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.7统一潮流控制器UPFC（续4）

＝180°

<180°第28页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.8超导磁体储能系统SMES组成：1、AC－DC双向三相桥四象限变流器；2、二象限DC/DC变换器;3、超导线圈。电网负载<发电机功率:变流器高频整流吸收电网交流功率PAC,输出PDC，经DC/DC给超导线圈供电：isc增大，存储磁能增加。电网负载>发电机功率:变流器逆变向电网输出交流功率PAC，超导线圈磁能经DC/DC输出PDC，再经逆变器向电网输出PAC。第29页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.8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。第30页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.8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，即可使第31页，共36页，2023年，2月20日，星期一（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）按指令要求的PAC及检测到的VD、ISC即可确定第32页，共36页，2023年，2月20日，星期一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。10.8超导磁体储能系统SMES（续4）第33页，共36页，2023年，2月20日，星期一10.9小结

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