电力电子技术在电力系统中的应用（电力电子技术课件）

电力电子技术高压直流输电系统的换流变压器

换流变压器换流变压器和换流阀一起共同实现交流与直流之间的互相变换。现代高压直流输电系统一般都采用每极一组12脉动换流器的结构，因此换流变压器还为两个串联的6脉动换流器之间提供30度的相角差，从而形成12脉动换流器结构。换流变压器的阻抗限制了阀臂短路和直流母线上短路的故障电流，使换流阀免遭损坏。

换流变压器的运行与换流器的换相所造成的非线性密切相关，因此换流变压器在漏抗、绝缘、谐波、直流偏磁、有载调压和试验等方面与普通电力变压器有着不同的特点。功能实现电压变换

；参与交流/直流变换;抑制直流故障电流;削弱交流系统入侵直流系统的过电压；减少注入交流系统的谐波；实现交直流系统的电气隔离。换流变压器特点阻抗电压大（15%

～

18%）；绝缘要求高；噪声大；损耗高；有载调压范围宽（20% ～

30%）；直流偏磁：使噪声、振动、损耗、温升增加；试验复杂：除电力变压器的型式试验外，还要进行直流方面的试验。换流变压器外观换流变压器（a）三相三绕组；(

b)

三相双绕组；

(c)

单相三绕组；(

d)

单相双绕组接线方式：

YNy12,YNd1（Yd11），

YNyd结构型式：三相三绕组三相双绕组单相三绕组单相双绕组换流变压器换流变压器接入阀厅的形式换流变压器单边插入阀厅布置；换流变压器双边插入阀厅布置；换流变压器脱开阀厅布置。；换流变压器电力电子技术高压直流输电系统的换流装置

9高压直流输电技术是电力电子在电力系统中最早、最成熟的应用技术，同时也是体现电力电子最新发展的技术。在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网工程中得到了较大的发展。大功率电力电子技术及微机控制技术等高科技的发展，进一步促进了直流输电技术的应用与发展，采用新型半导体器件的轻型直流输电工程，近年来发展很快。高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，它将在我国西电东送和全国联网工程中起到重要的作用。高压直流输电技术换流装置换流变压器平波电抗器无功补偿装置滤波器直流输电线路接地极10高压直流输电系统的主要设备有高压直流输电拓扑HVDC换流站典型原理图高压直流输电典型换流站开关如图所示1交流开关设备2交流滤波器和无功补偿装置3换流变压器4换流装置5控制与保护装置6平波电抗器7直流开关设备8直流滤波器9电力载波设备10直流极线及接地线换流装置换流技术的发展对直流输电的发展有着重要的影响，特别是大功率的换流器件。直流输电换流技术包括实现换流的高压大功率换流阀和控制保护装置以及进行换流的理论和方法，而前者往往起决定性的作用。因此，换流阀是直流输电系统中的关键部件，它除了具有整流和逆变的功能外，同时在整流站中还要具有开关的功能，可利用其快速可控性对直流输电的起动和停运进行快速操作。要实现直流输电的大容量、高电压，就需要有相对应的高电压、大容量的换流设备，即换流阀。因此，多年来人们对高电压、大容量的换流阀进行了大量的开发研制工作。1970年，世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着直流输电有了重大突破性进展。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。90年代以后，新型大功率半导体器件(如lGBT、lGCT和碳化硅元件等)的应用，促进直流输电的进一步发展。晶闸管换流阀是换流站的核心设备之一，其投资约占全站设备投资的1/4。晶闸管换流阀应能在预定的外部环境及系统条件下，按规定的要求安全可靠的运行，并满足损耗小、安装及维护方便、投资省的要求。高压直流输电系统工作原理：交流——直流——交流变换组成：整流站、直流输电线路、逆变站换流装置是HVDC的最核心设备交流系统I交流系统II整流器直流输电线路逆变器高压直流输电系统换流装置换流装置换流装置换流器（即换流装置）将交流电转换成直流电，或将直流电转换成交流电的设备。包含整流器和逆变器。基本结构为晶闸管组成的12脉动换流器。晶闸管换流阀(或桥臂)换流装置器件HVDC经历了从汞弧阀到晶闸管换流阀的过程。1972年以来，直流工程全部采用晶闸管换流阀

；100kV汞弧阀 5inch晶闸管6inch晶闸管电力电子技术中常用晶闸管换流装置外形螺栓式塑封式模块式平板式17电力电子技术中常用晶闸管包括：模块式、平板式、螺栓式、塑封式换流装置晶闸管（

Thyristor）特点：半控、单向导电性导通的充要条件：阳极电压>0施加控制电流脉冲阳极电流小于维持电流；正向电压<0

且持续一段时间电压：5.5~9kV电流：3~5.5kA正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O-

UA-

IAAIHIIG2

G1GI

=0U +

UDSMUDRUM

bo AUMURSM

RR+

IIG2>IG1>IG换流装置可靠关断的充要条件：制造能力：换流阀换流器组成方式：2个单桥的串联二重化，换流器又称为12脉动换流器单桥：三相桥式全控换流电路（三相6脉动换流器）换流阀组成方式：六脉动换流器换流阀晶闸管串联，如，舟山工程：192只；葛南工程：

120只；天-广工程：84/78只；三-常工程：

90/84只。换流装置

2

换流阀换流阀结构晶闸管串联均压措施：静态均压暂态均压图中：R：静态均压电阻R1C1：关断暂态均压电路R2C2：组间均压电路C3：冲击陡波均压电容L：阳极电抗器阀组件换流装置

2

换流阀换流阀结构晶闸管级→阀组件→单阀（又称换流阀）→单桥（又称6脉动换流器）→双桥单阀晶闸管级阀组件换流装置

2

换流阀换流阀结构阀塔：二重阀塔、四重阀塔其中四重阀塔结构使换流器结构紧凑，大大减少阀厅所需空间。四重阀的安装方式：支撑式（直立式）悬吊式（悬挂式）换流装置

3

换流单元接线方式基本换流单元在换流站内允许独立运行的换流系统。主要包括换流器、换流变、滤波器及控制保护装置等。基本换流单元接线方式6脉动换流单元每极换流变压器既可以采用三相结构也可以采用单相结构，其网侧绕组一定为星形接线方式，阀侧绕组则可以是星形接线也可以是三角形接线。换流装置

3

换流单元接线方式1-交流系统；2-换流变；3-6脉动换流器；4-平波电抗器；5、6-AC、DC滤波器；7-控制保护装置12脉动换流单元基本换流单元在换流站内允许独立运行的换流系统。主要包括换流器、换流变、滤波器及控制保护装置等。基本换流单元接线方式12脉动换流单元每极两组12脉动换流单元串联每极两组12脉动换流单元并联每极两组12脉动换流单元串联每极两组12脉动换流单元并联换流装置

3

换流单元接线方式大部分直流工程采用12

脉动换流单元（又称每极一组12

脉动换流单元

）接线方式，因为这种接线方式换流站的设备数量最少，投资最省，运行可靠性也最高。特高压直流输电工程采用每极两组12

脉动换流单元

串（并）联接线方式。换流装置电力电子技术高压直流输电系统的滤波器

滤波器高压直流输电系统运行时换流器的交流侧和直流侧都会产生谐波，所以在两侧需要装设交流滤波器和直流滤波器。由晶闸管换流阀所组成的电网换相换流器，运行中还吸收大量的无功功率。因此，在换流站要利用交流滤波器提供无功。

滤波器（

Filter

）抑制换流器产生的注入交、直流系统谐波的设备。类型交流滤波器、直流滤波器有源滤波器、无源滤波器无源滤波器：调谐型滤波器高通型滤波器调谐高通型滤波器滤波器无源滤波器类型图(a)

单调谐滤波器；(b)

双调谐滤波器；(c)

三调谐滤波器；(d)

二阶高通滤波器；(e)

三阶高通滤波器；(f)

C型阻尼滤波器滤波器滤波器交流滤波器（ACF）配置原则满足换流站谐波设计规范的要求；类型不宜太多，2～3种为宜；宜采用调谐高通型滤波器；分组（指大组）尽可能少。接入系统方式ACF大组接换流母线，或接入3/2串；ACF大组T接换流变压器进线；ACF分组接换流母线，或接入3/2串；ACF分组接换流变压器单独绕组。滤波器交流滤波器（ACF）安装方式满足高压电容器：支撑式，悬挂式类型电容器单元：立式，卧式滤波器直流滤波器（DCF）配置原则满足直流线路等效干扰电流的设计规范要求；直流电缆线路不装滤波器；直流极线宜装设2组滤波器；一般为调谐型滤波器类型极线直流滤波器，如双调谐滤波器中性线直流滤波器

（又称“中性点冲击电容器”）双极HVDC原理图滤波器直流滤波器（DCF）与交流滤波器的主要差异DCF高压电容值更小DCF的电容器单元内部需装设并联均压电阻DCF一般为调谐型滤波器滤波器电力电子技术高压直流输电系统的无功补偿装置

无功补偿装置采用普通晶闸管换流阀进行换流的高压直流换流站，一般均采用电网电源换相控制技术，其特点是换流器在运行中要从交流系统吸取无功功率。整流侧和逆变侧吸取的无功功率与换流站和交流系统之间交换的有功功率成正比的关系，在额定工况时一般为所交换的有功功率的40%~60%。换流站运行所需的无功功率不能依靠或不能主要依靠其所接入的交流系统来提供，而且也不允许换流站与交流系统之间有太大的无功功率交换。这主要是因为当换流站从交流系统吸取或输出大量无功功率时，将会导致无功损耗，同时换流站的交流电压将会大幅度变化。因此换流站需要装设无功功率补偿装置。作用提供换流器所需要的无功功率，减小换流器与交流系统间的无功交换。30%～50%Pd

(整流器）40%～60%

Pd (逆变器)换流器吸收的无功功率类型机械投切式无功补偿装置：直流工程最主要的无功补偿设备静止无功补偿装置（SVC）：用于接入弱电网的直流工程同步调相机：早期直流工程使用无功补偿装置无功补偿装置SVC静止无功补偿装置（Static

Var

Compensator）连续调节发出和吸收无功功率，调节速度快，可用于抑制换流母线的暂态电压波动。如[挪威]斯卡格拉克海峡直流工程（1000MW）安装一台±200Mvar的SVC（1995年）。SVC通常含：TSC、FC、TCR无功补偿装置容性无功补偿总容量确定；感性无功补偿总容量确定；无功分组容量确定。无功补偿容量确定无功补偿装置电力电子技术功率因数校正电路的控制方法

功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)功率因数校正电路从不同的角度考虑分类方法不同，从校正使用的元器件角度考虑，PFC技术主要分为无源PFC技术和有源PFC技术两大类。无源功率因数校正利用电感电容组成滤波器，将输入电流进行相移及整形，下图所示为一个最基本的无源功率因数校正电路，电感和电容组成一个无源滤波器，起到了一定的功率因数校正的作用。图1最基本的无源PFC电路功率因数校正电路的控制方法有源功率因数校正的控制方法1常用的三种控制方法常用的控制AC-DC开关控制器实现APFC的方法基本上有三种，即：

电流峰值控制，电流滞环控制，平均电流控制。功率因数校正电路的控制方法有源功率因数校正的控制方法1电流峰值控制法电流基准为双半波正弦电压，反馈为开关管电流。令电感电流的峰值包络线跟踪输入电压Vdc的波形。使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦。电压环由分压器I/H，电压误差放大（补偿）器VA，通过乘法器，电流比较器及驱动器(图中未画出)等组成。因此，在保持输入端功率因数接近1的同时，能保持输出电压稳定。图2电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图

功率因数校正电路的控制方法有源功率因数校正的控制方法1电流峰值控制法用峰值法控制时，最主要的问题是：电感电流的峰值ip（它是控制的基准）与高频状态平均值之间的误差，在一定条件下相当大，以致无法满足使THD很小的条件。图2电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图

功率因数校正电路的控制方法有源功率因数校正的控制方法2电流滞环控制法电流滞环法控制与峰值法控制的差别只是：前者检测的电流是电感电流；并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器。逻辑控制器的特征，和继电器特征一样，有一个电流滞环带（hysterisisband）。图3滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图功率因数校正电路的控制方法2电流滞环控制法电流滞环控制法的主要缺点是：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波器时，要按最低开关频率考虑。因此，不可能得到体积和重量最小的设计。图3滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图功率因数校正电路的控制方法3平均电流控制法平均电流控制的特点是：输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量（例如100kHz）的变化，通过电流误差放大器，被平均化处理；工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高。但电感电流峰值与平均值之间的误差小，因此THD很小；原则上可以适合任意拓扑，任意支路的电流；如：除了可检测Boost变换器的输入电流外，也可以检测buck，flyback变换器的输入电流，或Boost，Flyback变换器的输出电流等。并且两种工作模式CCM和DCM都可以用。图4平均电流控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图功率因数校正电路的控制方法有源功率因数校正的控制方法1常用的三种控制方法比较

这三种方法的基本特点如下表。控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声适用拓扑注电流峰值开关电流恒定CCM敏感Boost需斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑控制平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大功率因数校正电路的控制方法UC3853LVDV4PFC集成控制电路现在的PFC的控制电路已集成化。单相有源功率因数校正技术发展很快，Unitrode，Motorola等公司相继推出了各种有源功率因数校正芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、MC34261等。目前，这一技术在中小功率开关电源、不间断电源（UPS）、电子整流器等方面有着广泛的应用前景。另外，把多电平变换技术以及软开关技术应用于APFC电路是目前研究的一个热点。图5应用UC3853的APFC电路图功率因数校正电路5

PFC集成控制电路DCM方法又称电压跟踪技术，没有电流调节环，输入电流自动跟踪电源电压；功率管实现零电流开通，且不承受二极管反向恢复电流；具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：（1）功率因数与输入电压Ui和输出电压Uo的比Ui／Uo有关。当Ui变化时，功率因数也将发生变化。同时输入电流波形随Ui／Uo的变化而变化。（2）开关峰值电流大（同样条件下，DCM中通过开关器件的峰值电流是CCM的两倍），开关损耗增加。在大功率电路中，常采用CCM方式。电感电流交流电压平均电流图6应用UC3853的电感电流断续导通示意图功率因数校正电路电力电子技术功率因数校正电路

功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)功率因数校正电路从不同的角度考虑分类方法不同，从校正使用的元器件角度考虑，PFC技术主要分为无源PFC技术和有源PFC技术两大类。无源功率因数校正利用电感电容组成滤波器，将输入电流进行相移及整形，下图所示为一个最基本的无源功率因数校正电路，电感和电容组成一个无源滤波器，起到了一定的功率因数校正的作用。图1最基本的无源PFC电路功率因数校正电路另一种无源PFC技术就是利用电容二极管网络构成的填谷(ValleyFill)方式PFC整流电路。当输入电压高于电容C1和C2上的电压和时，外输入电压将对两个电容进行充电；当输入电压低于电容C1和C2上的电压时，两个电容则会进入并联放电状态。在电路的拓扑结构上，由于电容和二极管网络的串并联特性，这种结构增大了二极管的导通角，也就使输入电流的波形得到改善。图2ValleyFill方式PFC整流电路功率因数校正电路有源功率因数校正（APFC）利用开关器件、电感及控制电路构成，PF可达0.99。从相数来看，有单相PFC和三相PFC。都是通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。单相PFC技术已经比较成熟，三相PFC技术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。从开关转换技术来看，APFC又分为硬开关PFC技术和软开关PFC技术两大类。目前，硬开关PFC技术在小功率场合的应用已经比较成熟，软开关PFC技术处在逐步应用和研究当中。功率因数校正电路单相有源功率因数校正（APFC）技术1有源功率因数校正的工作原理有源功率因数校正（APFC）是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，APFC主要用于DC／DC开关变换器。目前使用最广泛的是Boost型APFC？按PFC电路输入电流检测和控制方式，APFC电路又可分成：（1）CCM型：电感L电流连续。（2）DCM型：电感L电流不连续。

功率因数校正电路平均电流控制的CCM型BOOST功率因数校正电路基本形式如图所示。图中上半部主电路就是典型的BOOST升压电路，其中L为升压电感（或储能电感），K为高频开关管，D为升压整流二极管，C为滤波电容。当开关管K导通时，电源给电感L储存能量，当K关断时电感L中的电势和电源电压经升压二极管D整流，同时给负载提供能量。因此，该电路是一个升压电路，改变开关管的开关频率或占空比可以改变输出电压。功率因数校正电路的基本工作原理（以Boost型APFC为例）功率因数校正电路VEVREF电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图3BOOST功率因数校正电路示意图IINKCLDVIN|sinωt|/K图中所示的下半部分是控制电路。控制电路的作用使得系统交流侧的功率因数得以改善。功率因数校正的基本工作原理为：输出电压经分压后与参考电压VREF比较，再经电压环调节器处理后得到VE，它与输入电压的衰减值Vin│sinωt│/K相乘得电流参考值，与输入电流检测值比较后经电流环调节器输出，进入PWM发生器产生主开关通断控制信号。VEVREF电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图3BOOST功率因数校正电路示意图IINKCLDVIN|sinωt|/K功率因数校正电路因为控制信号是按占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形可跟随输入电压整流后的波形。开关频率远大于输入电压频率时，输入电流波形为与输入电压同相的正弦波形，功率因数接近于1。简单地说，控制电路使高频开关K在整个交流输入电压期间不断通断，这样在整个交流输入电压期间都有电流流过，输入电流不再是一个尖峰电流，因此系统的功率因数大大提高。电感电流交流电压图4电感电流与输入电压同相（功率因数接近1）功率因数校正电路电力电子技术什么是电力公害

一什么是电力公害随着电力电子装置的广泛应用，电力公害问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在电力公害的抑制方面也取得了一些突破性进展。电力公害就是指使用电力电子装置时存在的谐波电流大、电磁干扰严重和网侧功率因数低等问题。电力公害一什么是电力公害电力电子装置如整流器、逆变器和斩波器等对于电网来说属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流“注入”电网，造成电网的严重污染。在高频开关器件大量应用的电力电子装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些