《數電與模電》PPT課件.ppt

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1、電 力 電 子 學電 力 電 子 變 換 和 控 制 技 術 （ 第 二 版 ）第 10 章電 力 電 子 開 關 型 電 力 補 償 、控 制 器 10 電 力 電 子 開 關 型 電 力 補 償 、 控 制 器10.0 概 述10.1 晶 閘 管 開 關 型 并 聯(lián) 電 抗 補 償 控 制 器10.2 晶 閘 管 開 關 型 串 聯(lián) 電 抗 補 償 器10.3 PWM開 關 型 并 聯(lián) 無 功 功 率 發(fā) 生 器 STATCOM10.4 諧 波 電 流 補 償 器 HCC（ 或 并 聯(lián) 型 電 力 有 源 濾 波 器 PAPF）10.5 諧 波 電 壓 補 償 器 HVC（ 或 串 聯(lián) 型

2、 電 力 有 源 濾 波 器 SAPF）10.6 PWM開 關 型 串 聯(lián) 同 步 電 壓 補 償 器 SSSC*10.7 統(tǒng) 一 潮 流 控 制 器 UPFC*10.8 超 導 磁 體 儲 能 系 統(tǒng) SMES10.9 小 結 10.0 概 述電 力 半 導 體 開 關 器 件 所 構 成 的 電 力 電 子 開 關 電 路 有 兩 類應 用 ： 1. 電 力 電 子 變 換 電 源 。實 現(xiàn) 電 力 變 換 。 2. 電 力 電 子 補 償 、 控 制 器 。輸 出 可 控 的 電 壓 串 聯(lián) 在 線 路 上 ， 補 償 控 制 線 路 電 壓 。輸 出 可 控 的 電 流 并 聯(lián) 在 電

3、 網 上 ， 補 償 控 制 線 路 電 流 。串 聯(lián) 在 線 路 上 補 償 控 制 線 路 等 效 阻 抗 。并 聯(lián) 在 電 網 上 補 償 控 制 電 網 等 效 負 載 阻 抗 。 10.0 概 述 （ 續(xù) ）分 類 ： 按 電 力 補 償 控 制 器 中 所 用 開 關 器 件 及 其 控 制 方 式 的 不 同 ，可 以 分 為 ：晶 閘 管 相 控 型 電 力 補 償 控 制 器 。 全 控 開 關 器 件 高 頻 PWM補 償 控 制 器 。 優(yōu) 點 ： 使 電 力 系 統(tǒng) 的 有 功 、 無 功 功 率 潮 流 優(yōu) 化 ， 平 衡 電 力 系 統(tǒng) 的有 功 、 無 功 功 率

4、 ， 抑 制 功 率 振 蕩 ， 可 以 改 善 電 力 系 統(tǒng) 的 供電 質 量 和 運 行 特 性 ， 可 以 提 高 運 行 的 經 濟 性 和 可 靠 性 ， 提高 電 力 設 備 （ 發(fā) 電 機 、 變 壓 器 、 輸 配 電 線 路 ） 的 利 用 率 ，減 少 備 用 電 力 設 備 。 10.1 晶 閘 管 開 關 型 并 聯(lián) 電 抗 補 償 控 制 器10.1.1 晶 閘 管 投 、 切 并 聯(lián) 電 容 器 TSC（ Thyristor Switched Capacitors)10.1.2 晶 閘 管 相 控 并 聯(lián) 電 抗 器 TCR 10.1.1 晶 閘 管 投 、 切

5、并 聯(lián) 電 容 器 TSC圖 10.1 晶 閘 管 投 切 電 容 器 TSC )110(2sinsin2/ 222 fVICIIfCVXVI QCC 投 、 切 并 聯(lián) 電 容 ： 減 少 線 路 及 發(fā) 電 機 、 變 壓 器 無 功 功 率 ，提 高 其 有 功 功 率 極 限 ， 減 少 P， 補 償 感 性 負 載 壓 降 。 缺 點 ： 只 能 電 壓 過 零 投 、 切 ， 不 能 相 控 。 10.1.2 晶 閘 管 相 控 并 聯(lián) 電 抗 器 TCRq在 t=時 開 通 T1q在 t=+時 開 通 T2 2 22 2( ) cos cos ,(10 6) ; 2 , ( )

6、1 cos (10 7)mV Vi t t t i t i aL L q在 t=時q在 t=2時 10.1.2 晶 閘 管 相 控 并 聯(lián) 電 抗 器 TCR （ 續(xù) 1）q電 流 i(t)負 半 波 ： 2 22 2( ) cos cos (10 6), (1 cos ) (10 5)mV Vi t t iL L q作 傅 立 葉 分 析 ,基 波 有 效 值 21 sin 2 2( ) (10 8)VI L q電 感 L的 等 效 基 波 電 抗 為 21 1 (10 10)sin 2 2( )VX LI ， i(t)比 v落 后 90， 電 流 為 正 弦 波90 ;LX L180 ,

7、0LX q電 流 i(t)正 半 波 ： 22( ) cos cos (10 4)Vi t tL 10.1.2 晶 閘 管 相 控 并 聯(lián) 電 抗 器 TCR （ 續(xù) 2）q=90 時 i(t)為 完 整 的 正 弦 波 ： =t從 90 再 提 前 發(fā) 觸 發(fā) 脈 沖 時 ， 由 于 i(t)還 是 負 值 ， T2仍 在 導 通 不 能 開 通 T1， 待 到 t= 90 時 ， iT2=0才 能 開 通T1， 所 以 波 形 與 =90 相 同 ； 調 控 范 圍 90 180 qTSC與 TCR聯(lián) 合 工 作 ， 可 連 續(xù) 改 變 等 效 并 聯(lián) 電 抗 的 大 小 和 性 質 ，

8、使 無 功 電 流 的 補 償 恰 如 其 分 。 10.2 晶 閘 管 開 關 型 串 聯(lián) 電 抗 補 償 器10.2.1 晶 閘 管 控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 TCSC10.2.2 可 關 斷 晶 閘 管 GTO控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 GCSC 10.2.1 晶 閘 管 控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 TCSC矢 量 圖 q 無 C， A處 無 負 載 時 : 1 2 1sin ( ) , cos ( )d L q q L qE I X X E V I X X 2 2 22 2 2 21 1( cos )sin ,d qL q L qEV V E VP

9、 V I Q V IX X X X 2 2 2 22 1 1( cos )sin , cos( )E EL q L qEV E E VP P Q EIX X X X q 將 圖 中 的 一 個 1/2Lc改 為 R， 即 構 成 同 步 振 蕩 阻 尼 器 SSRD 1( )d L qI X X1( )L qI q X X2VEI dI qI 10.2.1 晶 閘 管 控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 TCSC（ 續(xù) 1）q為 確 保 發(fā) 電 機 擾 動 狀 態(tài) 運 行 穩(wěn) 定 性 ， 不 宜 過 大 。 X L很 大時 ， P傳 輸 功 率 受 限 ， 遠 小 于 導 線 發(fā) 熱 所

10、允 許 的 功 率 極 限值 ， 在 線 路 中 串 入 電 容 ， 可 減 小 等 效 線 路 電 抗 ， 提 高 傳 輸功 率 。q固 定 C， 相 控 電 抗 XL， 構 成 TSCS（ Thyristor Controlled Series Capacitor) 矢 量 圖 1( )d L qI X X1( )L qI q X X2VEI dI qI 10.2.1 晶 閘 管 控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 TCSC（ 續(xù) 2）q相 控 電 感 l的 等 效 感 抗 ： 1 sin 2 2cLC lVX lI 1/CX C 1/ABX C lX l LX L X / 2 11C

11、 LAB C CCL C LX XX X XXX X X 傳 輸 功 率 21 sinq L ABE VP X X X q=180 時 ， AB兩 點 等 效 容 抗q=90 時 ， AB兩 點 等 效 容 抗q串 聯(lián) 等 效 電 容 C容 抗 ： 10.2.1 晶 閘 管 控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 TCSC（ 續(xù) 3）q在 B點 T1關 斷 后 +i(t)流 過 電 容 C， 使 v c增 大 ； t 時 ， -i(t)又 使 vc減 小 為 0；q在 D點 T2關 斷 后 -i(t)流 過 電 容 C， 使 負 vc增 大 ， t 2時 ， +i(t)又 使 負 vc減 小

12、為 0。 qA點 開 通 T1， B點 關 斷 T1， 則 在 AB期 間 T1通 態(tài) 短 接 電 容 C，vc=0 ；qC點 開 通 T2， D點 關 斷 T2， 則 在 CD期 間 T2通 態(tài) 短 接 電 容 C，vc=0 。 10.2.2 可 關 斷 晶 閘 管 GTO控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 GCSCq若 為 T1的 關 斷 控 制 角 則 1 sin2 2C IV C 1 sin2 21( ) CC VX I C 等 效 基 波 電 容 容 抗對 vc(t)作 傅 立 葉 分 析 ， 可 得 vc(t)基 波 電 壓 有 效 值1 2( ) 2 sin (cos cos

13、 )tc Iv t I tdt tC C 在 BC期 間 ， 1 2( ) 2 sin (cos cos )tc Iv t I tdt tC C 在 DE期 間 ， 10.2.2 可 關 斷 晶 閘 管 GTO控 制 的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 GCSCq等 效 基 波 容 抗 CX 1/ 0C q/2 時 ，( ) 0CX q =時 ,=180 ， vc=0， C不 起 作 用 ；( /2) 1/CX C q =/2時 =0 ， C接 入 線 路 ， vc為 完 整 的 正 弦 波 ； sin 2 2( ) (10 12)C IX C 10.2.2 可 關 斷 晶 閘 管 GTO控 制

14、的 串 聯(lián) 電 容 補 償 器 GCSCq =和 =/2時 GCSC的 v c都 不 會 引 起 諧 波 電 壓 。 q采 用 N個 GCSC串 聯(lián) 使 用 ， 根 據 所 需 的 等 效 補 償 容 抗值 ， 只 控 制 一 個 GCSC的 在 90 180 之 間 變 化 ，可 以 減 小 GCSC所 引 起 的 諧 波 電 壓 。 10.3 PWM開 關 型 并 聯(lián) 無 功 功 率 發(fā) 生 器 STATCOM 圖 10.5 (a) (b) (c) i sV V QIq 當 時 ， 輸 出 超 前 無 功 電 流 ， 從 電 網 吸 收 滯 后 無 功 電 流 。q 三 相 橋 “ 逆 變

15、 器 ” 輸 出 三 相 對 稱 基 波 電 壓 ， 令 其 與 電 網 電 壓 同 頻 同 相 ，輸 出 電 流 i S i S S iL L LV V V V V VI j jjX X X i sV V QIq 當 時 ， 輸 出 滯 后 無 功 電 流 ， 可 補 償 感 性 負 載 無 功 電 流 ； 10.3 PWM開 關 型 并 聯(lián) 無 功 功 率 發(fā) 生 器 STATCOM（ 續(xù) 1）圖 10.5 (a) (d) sin (10 17)i SS P V VP V I X ( cos ) (10 18)S i SS Q V V VQ V I X 輸 入 有 功 功 率 輸 出 滯

16、后 無 功 功 率q 從 電 網 輸 入 有 功 功 率 P用 于 補 充 變 流 器 功 耗 使 VD恒 定 。 10.3 PWM開 關 型 并 聯(lián) 無 功 功 率 發(fā) 生 器 STATCOM （ 續(xù) 2）1.電 壓 V D閉 環(huán) 控 制 。2.無 功 功 率 Q閉 環(huán) 控 制 。 先 進 的 （ 或 高 級 的 ） 靜 止 型 無 功 功 率 發(fā) 生 器 ASVG（ Advanced Static Var Generator） 。 也 被 稱 為 靜 止 同 步 補 償 器 STATCOM（ Static Synchronous Compensator） ， 又 稱 為 靜 止 調 相 器

17、 STATCON(Static Condenser)。圖 10.5 (a) (e) 實 時 檢 測 iA、 iB、 iC， 分 離 出 ih、 iL1Q ， 取 ih、 iL1Q為 變 流器 指 令 輸 出 電 流 ， 控 制 變 流 器 實 際 輸 出 電 流 ， 使 其 跟 蹤 指 令電 流 ， 使 電 網 無 諧 波 電 流 ， 甚 至 沒 有 無 功 電 流 。 10.4 諧 波 電 流 補 償 器 HCC（ 或 并 聯(lián) 型 電 力 有 源 濾 波 器 PAPF） 10.5 諧 波 電 壓 補 償 器 HVC（ 或 串 聯(lián) 型 電 力 有 源 濾 波 器 SAPF）q非 線 性 負 載

18、 ， 或 電 源 v S為 非 正 弦 ， 使 重 要 負 載 端 A、B、 C電 壓 有 諧 波 vh。 hrv*c hv vq實 時 檢 測 A、 B、 C處 的 諧 波 電 壓 ， 取 變 流 器 的 指 令 輸出 電 壓 ， 則 重 要 負 載 R、 S、 T處 無 諧 波 電 壓 。 10.6 PWM開 關 型 串 聯(lián) 同 步 電 壓 補 償 器 SSSC 1. 若 ， 相 當 于 線 路 上 串 接 了 一個 容 抗 K， 等 效 串 聯(lián) 電 容 補 償 向 電 網 串 聯(lián) 注 入 無 功 功 率 。, / / B A AB AB BAV V V jkI Z V I V I jk

19、B AV V V kI P VI2. 若 ， 向 電 網 串 聯(lián) 注 入 有 功 功 率 1V 2V V /( )LI V jX V3. 若 、 大 小 、 相 位 不 變 ， 串 入 則 增 加 線 路 電 流 改變 大 小 、 相 位 ， 可 調 控 線 路 有 功 、 無 功 功 率 潮 流 。1V V4. 若 大 小 、 相 位 不 變 ， 串 入 可 改 變 負 載 的 電 壓 大 小 、 相 位 。 10.7 統(tǒng) 一 潮 流 控 制 器 UPFC qI經 PT 1并 聯(lián) 在 電 網 上 ， 補 償 電 流 ic； II經 PT2， 補 償 電 壓 V串 接在 線 路 上 。qI在

20、逆 變 狀 態(tài) 向 電 網 送 出 有 功 功 率 時 ， II則 高 頻 整 流 從 電 網 吸 取有 功 功 率 ；qI在 高 頻 整 流 狀 態(tài) 從 電 網 吸 取 有 功 功 率 時 ， II則 逆 變 向 電 網 送 出有 功 功 率 。 變 流 器 II輸 出 的 串 聯(lián) 補 償 電 壓 超 前 為 角 ； 超 前 為 + ， 串 入 后 ， 在 線 路 上 增 加 的 電 流 ， 滯 后 , 滯 后 的 相 角 為 10.7 統(tǒng) 一 潮 流 控 制 器 UPFC（ 續(xù) 1） 2VVV / /L LI V jX j V X I 902V 90 ( ) V 1V 1VI 10.7 統(tǒng)

21、 一 潮 流 控 制 器 UPFC（ 續(xù) 2） 22 2 2cos cos90 ( ) sin( ) (10 19)P LV VP V I V I V I X 22 2 2sin sin90 ( ) cos( ) (10 20)Q LV VQ V I V I V I X 10.7 統(tǒng) 一 潮 流 控 制 器 UPFC （ 續(xù) 3） 2 2sin( ) ; cos( )L LV V V VP QX X 1 2 22 0 sin sin( );L LVV V VP P P X X 2 22 0 1 2( cos ) cos( )L LV V VQ Q Q V VX X 1 2 20 0 1 2si

22、n ; ( cos )L LV V VP Q V VX X 10.7 統(tǒng) 一 潮 流 控 制 器 UPFC （ 續(xù) 4） 12 ( ) sinLV VP X 22 1 2( )cos LVQ V V VX 180 12 ( ) sin ,LV VP X 22 1 2( )cos LVQ V V VX 180 10.8 超 導 磁 體 儲 能 系 統(tǒng) SMES q組 成 ： 1、 AC DC雙 向 三 相 橋 四 象 限 變 流 器 ； 2、 二 象 限DC/DC變 換 器 ; 3、 超 導 線 圈 。q電 網 負 載 發(fā) 電 機 功 率 :變 流 器 逆 變 向 電 網 輸 出 交 流 功 率

23、 PAC，超 導 線 圈 磁 能 經 DC/DC輸 出 PDC， 再 經 逆 變 器 向 電 網 輸 出 PAC。 10.8 超 導 磁 體 儲 能 系 統(tǒng) SMES（ 續(xù) 1）q電 力 系 統(tǒng) 任 何 時 刻 P 0， 發(fā) 電 機 P 負 載 P。q儲 能 類 型 ： 電 池 ， 壓 縮 空 氣 ， 抽 水 儲 能 ， 飛 輪 慣 性 儲 能 。q優(yōu) 點 ： 儲 能 損 耗 小 ； 存 取 效 率 高 ； 響 應 快 ； 控 制 靈 活 ； 建 造不 受 地 點 限 制 ； 運 行 維 護 簡 單 ； 投 資 不 斷 下 降 ， 經 濟 效 益 高 。 10.8 超 導 磁 體 儲 能 系

24、統(tǒng) SMES （ 續(xù) 2）q （ 1） 三 相 橋 高 頻 整 流 ， 從 電 網 輸 入 P AC向 DC/DC變 換 器 輸 出 ID， Buck型變 換 器 降 壓 ， 在 整 個 開 關 周 期 中 T8都 導 通 ， 在 開 關 周 期 TS的 Ton=DTs期間 ， T7、 T8同 時 通 態(tài) ； vEF VD， 在 Toff=(1-D)Ts期 間 ， T7斷 態(tài) ， T8仍 導通 ， Isc經 T8、 D7續(xù) 流 ， vEF 0， 平 均 值 VEF DVD SCIDV*ACP ACP *ACP q 起 導 線 圈 輸 入 功 率 T7導 電 占 空 比 D Ton/Ts=PAC

25、+ / VDISC， 檢 測 、 ， 按 指 令 要 求 的 確 定 D， 即 可 使 DDACSCDSCEFSC IVPIDVIVP （ 2） 三 相 橋 工 作 在 逆 變 狀 態(tài) 向 電 網 輸 出 PAC， DC/DC變 換 器 從 超 導 線 圈 獲得 直 流 功 率 ， DC/DC-Boost變 換 ， 升 壓 后 輸 出 電 壓 VD， iD、 ID反 向 ， 在 整 個 開關 周 期 TS中 T7都 斷 態(tài) ， 在 T on=D Ts 期 間 令 T8導 通 ， ISC經 T8、 D7續(xù) 流 ， VEF 0 ， 在 T off=(1-D )Ts 期 間 T7、 T8都 處 于

26、斷 態(tài) ， ISC經 D8 、 D7反 送 回 直 流 母 線 ， VEF VD， VEF的 直 流 平 均 電 壓10.8 超 導 磁 體 儲 能 系 統(tǒng) SMES （ 續(xù) 3） (1 ) 1 1 (10 29)ACFE D DC D SC AC D SCPV D V P D V I P D V I ( / )on SD T T按 指 令 要 求 的 PAC及 檢 測 到 的 VD、 ISC即 可 確 定 根 據 交 流 電 網 發(fā) 電 機 和 負 載 的 功 率 不 平 衡 情 況 ， 得 到 三 相 橋 變 換 器 輸 入 交 流功 率 的 指 令 值 P*AC+ 、 Q*AC+ ， 或

27、 輸 出 的 交 流 功 率 指 令 值 P*AC - 、 Q*AC - ，再 根 據 實 測 的 VD及 ISC即 可 確 定 DC/DC變 換 器 的 工 況 及 占 空 比 D 或 D 。 而 按 P*AC 、 Q*AC及 交 流 電 網 電 壓 值 即 可 確 定 三 相 橋 變 換 器 的 指 令 電 壓 ，再 由 的 大 小 、 相 位 確 定 開 關 管 的 SPWM控 制 信 號 ， 并 使 三 相 變 換 器 交 流 側 電壓 與 電 源 電 壓 之 差 產 生 電 流 ， 使 。10.8 超 導 磁 體 儲 能 系 統(tǒng) SMES （ 續(xù) 4） *iV*iV I * *,AC

28、 AC AC ACP P Q Q SV 10.9 小 結 利 用 電 力 半 導 體 開 關 器 件 可 以 調 控 電 感 、 電 容 、電 阻 的 數 值 ， 利 用 電 力 電 子 開 關 組 成 的 開 關 型 電 力變 換 電 路 可 以 構 成 各 種 類 型 的 電 壓 、 電 流 補 償 器 和控 制 器 。 這 些 電 力 補 償 器 和 控 制 器 可 以 改 變 電 網 等 效 負 載的 感 抗 、 容 抗 和 電 壓 、 電 流 ， 可 以 補 償 諧 波 電 流 和諧 波 電 壓 ， 可 以 調 控 電 網 負 載 的 基 波 電 壓 的 大 小 和相 位 ， 可 以

29、 補 償 線 路 電 抗 ， 可 以 改 變 輸 電 線 路 的 有功 和 無 功 功 率 ， 并 對 電 力 系 統(tǒng) 的 功 率 平 衡 進 行 快 速 、靈 活 、 有 效 的 調 節(jié) 和 控 制 。 （ 1） 靈 活 控 制 電 力 系 統(tǒng) 有 功 功 率 和 無 功 功 率 潮 流 ， 使電 力 系 統(tǒng) 、 電 網 中 的 潮 流 分 布 最 優(yōu) 化 ， 減 少 損 耗 ，提 高 運 行 經 濟 性 。（ 2） 線 路 傳 輸 的 功 率 有 可 能 增 大 至 接 近 導 線 的 熱 極 限（ 比 以 往 由 電 力 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 要 求 所 限 制 的 功 率 極 限 值提 高

30、50 100%） ， 最 充 分 地 利 用 輸 電 線 的 傳 輸 能力 ， 又 能 確 保 電 力 系 統(tǒng) 的 運 行 穩(wěn) 定 性 。（ 3） 減 少 備 用 發(fā) 電 機 組 的 容 量 。（ 4） 補 償 無 功 功 率 ， 減 少 功 率 損 耗 ， 提 高 發(fā) 、 配 電 設備 利 用 率 。（ 5） 提 高 電 力 系 統(tǒng) 運 行 的 穩(wěn) 定 性 和 供 電 可 靠 性 。（ 6） 消 除 非 線 性 負 載 的 諧 波 和 無 功 沖 擊 對 電 力 系 統(tǒng) 的污 染 和 危 害 。 10.9 小 結 （ 續(xù) 1） 10.9 小 結 （ 續(xù) 2） 引 入 了 大 功 率 半 導

31、體 開 關 型 電 力 變 換 器 、 補 償 器 、控 制 器 以 后 ， 原 有 電 力 系 統(tǒng) 的 結 構 將 發(fā) 生 重 大 變 化 。無 論 是 發(fā) 電 、 輸 配 電 和 電 力 應 用 都 將 獲 得 更 好 的 技術 經 濟 效 益 、 更 高 的 安 全 可 靠 性 、 更 靈 活 有 效 的 控制 特 性 和 更 優(yōu) 良 的 供 電 質 量 。 隨 著 現(xiàn) 代 電 力 電 子 技 術 的 不 斷 發(fā) 展 和 電 力 電 子 技術 在 電 力 系 統(tǒng) 領 域 中 的 廣 泛 應 用 ， 傳 統(tǒng) 的 電 力 系 統(tǒng)將 成 為 一 個 運 行 更 加 安 全 、 可 靠 、 經 濟 、 控 制 靈 活的 柔 性 電 力 系 統(tǒng) ， 傳 統(tǒng) 的 電 力 技 術 將 發(fā) 生 革 命 性 的變 革 。