電力電子-陳堅第十章.ppt

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10.3PWM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)型電力有源濾波器SAPF）10.6PWM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)在電網(wǎng)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(wǎng)上補償控制電網(wǎng)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，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(jīng)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（ThyristorSwitchedCapacitors)10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR,10.1.1晶閘管投、切并聯(lián)電容器TSC,圖10.1晶閘管投切電容器TSC,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TCR,在t=時開通T1,在t=+時開通T2,在t=時,在t=2時,10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR（續(xù)1）,電流i(t)負半波：,作傅立葉分析,基波有效值,電感L的等效基波電抗為,，i(t)比v落后90，電流為正弦波,電流i(t)正半波：,10.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR（續(xù)2）,=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90180TSC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，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,無C，A處無負載時:,將圖中的一個1/2Lc改為R，即構成同步振蕩阻尼器SSRD,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補償器TCSC（續(xù)1）,為確保發(fā)電機擾動狀態(tài)運行穩(wěn)定性，不宜過大。XL很大時，P傳輸功率受限，遠小于導線發(fā)熱所允許的功率極限值，在線路中串入電容，可減小等效線路電抗，提高傳輸功率。固定C，相控電抗XL，構成TSCS（ThyristorControlledSeriesCapacitor),矢量圖,10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補償器TCSC（續(xù)2）,相控電感l(wèi)的等效感抗：,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）,在B點T1關斷后+i(t)流過電容C，使vc增大；t時，-i(t)又使vc減小為0；在D點T2關斷后-i(t)流過電容C，使負vc增大，t2時，+i(t)又使負vc減小為0。,A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；C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GCSC,若為T1的關斷控制角則,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,在BC期間，,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GCSC,等效基波容抗,/2時，,=時,=180，vc=0，C不起作用；,=/2時=0，C接入線路，vc為完整的正弦波；,10.2.2可關斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補償器GCSC,=和=/2時GCSC的vc都不會引起諧波電壓。采用N個GCSC串聯(lián)使用，根據(jù)所需的等效補償容抗值，只控制一個GCSC的在90180之間變化，可以減小GCSC所引起的諧波電壓。,10.3PWM開關型并聯(lián)無功功率發(fā)生器STATCOM,圖10.5(a)(b)(c),當時，輸出超前無功電流，從電網(wǎng)吸收滯后無功電流。,三相橋“逆變器”輸出三相對稱基波電壓，令其與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸出電流,當時，輸出滯后無功電流，可補償感性負載無功電流；,10.3PWM開關型并聯(lián)無功功率發(fā)生器STATCOM（續(xù)1）,圖10.5(a)(d),輸入有功功率輸出滯后無功功率,從電網(wǎng)輸入有功功率P用于補充變流器功耗使VD恒定。,10.3PWM開關型并聯(lián)無功功率發(fā)生器STATCOM（續(xù)2）,1.電壓VD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（AdvancedStaticVarGenerator）。也被稱為靜止同步補償器STATCOM（StaticSynchronousCompensator），又稱為靜止調相器STATCON(StaticCondenser)。,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(wǎng)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）,非線性負載，或電源vS為非正弦，使重要負載端A、B、C電壓有諧波vh。,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。,10.6PWM開關型串聯(lián)同步電壓補償器SSSC,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(wǎng)串聯(lián)注入無功功率。,2.若，向電網(wǎng)串聯(lián)注入有功功率,3.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。,4.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,I經(jīng)PT1并聯(lián)在電網(wǎng)上，補償電流ic；II經(jīng)PT2，補償電壓V串接在線路上。I在逆變狀態(tài)向電網(wǎng)送出有功功率時，II則高頻整流從電網(wǎng)吸取有功功率；I在高頻整流狀態(tài)從電網(wǎng)吸取有功功率時，II則逆變向電網(wǎng)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）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)2）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)3）,10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)4）,180,180,10.8超導磁體儲能系統(tǒng)SMES,組成：1、ACDC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。電網(wǎng)負載發(fā)電機功率:變流器逆變向電網(wǎng)輸出交流功率PAC，超導線圈磁能經(jīng)DC/DC輸出PDC，再經(jīng)逆變器向電網(wǎng)輸出PAC。,10.8超導磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)1）,電力系統(tǒng)任何時刻P0，發(fā)電機P負載P。儲能類型：電池，壓縮空氣，抽水儲能，飛輪慣性儲能。優(yōu)點：儲能損耗?。淮嫒⌒矢?；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(jīng)濟效益高。,10.8超導磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)2）,（1）三相橋高頻整流，從電網(wǎng)輸入PAC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)；vEFVD，在Toff=(1-D)Ts期間，T7斷態(tài)，T8仍導通，Isc經(jīng)T8、D7續(xù)流，vEF0，平均值VEFDVD,起導線圈輸入功率T7導電占空比DTon/Ts=PAC+/VDISC，檢測、，按指令要求的確定D，即可使,（2）三相橋工作在逆變狀態(tài)向電網(wǎng)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Ton=DTs期間令T8導通，ISC經(jīng)T8、D7續(xù)流，VEF0，在Toff=(1-D)Ts期間T7、T8都處于斷態(tài)，ISC經(jīng)D8、D7反送回直流母線，VEFVD，VEF的直流平均電壓,10.8超導磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)3）,按指令要求的PAC及檢測到的VD、ISC即可確定,根據(jù)交流電網(wǎng)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+，或輸出的交流功率指令值P*AC-、Q*AC-，再根據(jù)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(wǎng)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(chǎn)生電流，使。,10.8超導磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)4）,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(shù)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(wǎng)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(wǎng)負載的基波電壓的大小和相位，可以補償線路電抗，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(wǎng)中的潮流分布最優(yōu)化，減少損耗，提高運行經(jīng)濟性。（2）線路傳輸?shù)墓β视锌赡茉龃笾两咏鼘Ь€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50100%），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