柔性電力電子技術(shù)全套課件

柔性電力技術(shù)

—電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用參考教材：《柔性電力技術(shù)》，韓民曉等編著，中國(guó)水利水電出版社課程內(nèi)容第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)第二章電力變換電路與控制第三章發(fā)電領(lǐng)域的電力電子技術(shù)第四章直流輸電技術(shù)第五章輸電系統(tǒng)柔性串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)诹码娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)第一節(jié)：電力系統(tǒng)特點(diǎn)以及柔性化的必要性1柔性電力技術(shù)的定義：柔性和非柔性基于電力電子技術(shù)在電能的產(chǎn)生，輸送與應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電能的質(zhì)量和形態(tài)進(jìn)行快速、精確控制的技術(shù)。柔性電力技術(shù)實(shí)施的核心是電力電子技術(shù)。 提出者：美國(guó)電力科學(xué)研究院的學(xué)者NarainHingorani2電力系統(tǒng)的目標(biāo)

(1)可控性好，形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)。

(2)潮流可控，安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。

(3)模式多樣、質(zhì)量可控的配電系統(tǒng)。

(4)調(diào)節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)。3傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)電力系統(tǒng)是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應(yīng)用而構(gòu)建成的人工系統(tǒng)。依據(jù)電能的流程可劃分為發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五個(gè)組成部分。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括：發(fā)電機(jī)、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的用電設(shè)備及保護(hù)與控制設(shè)備。

單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng),以空載電動(dòng)勢(shì)和同步電抗表示的功角關(guān)系:變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)可具有調(diào)節(jié)高壓線路無(wú)功潮流的作用。(3）架空輸電線路

4個(gè)參數(shù)：由導(dǎo)體電阻率引起的串聯(lián)電阻R，由相與地之間漏電流引起的并聯(lián)電導(dǎo)G，由導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)引起的串聯(lián)電感L，由導(dǎo)體之間的電場(chǎng)引起的并聯(lián)電容C。線路的功率傳輸特性（只考慮在功率傳輸分析中起主導(dǎo)作用的電感參數(shù)）

缺點(diǎn)：改變潮流的局限性(4)負(fù)荷

電壓、頻率調(diào)節(jié)特性較差，即負(fù)荷從系統(tǒng)取用的功率隨系統(tǒng)電壓、頻率的波動(dòng)而發(fā)生變化.

這對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行往往是有利的，但對(duì)用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行則是不利的。

(5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點(diǎn)：電能不平衡影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。各發(fā)電機(jī)組間必須嚴(yán)格保持同步。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定供電模式單一。電能質(zhì)量控制主要以靜態(tài)調(diào)節(jié)為主。用電負(fù)荷電能利用調(diào)節(jié)性能較差，電能利用率較低。1.2

柔性電力技術(shù)的概念、分類和應(yīng)用示例1、發(fā)電領(lǐng)域中的柔性化技術(shù)1）可變速抽水儲(chǔ)能技術(shù)

(ASPS，AdjustableSpeedPumpstorage)2）風(fēng)力發(fā)電中的雙饋感應(yīng)發(fā)電技術(shù)

(DFIG，DoubleFeedInductionGenerator)3）太陽(yáng)能發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)技術(shù)

(PC，PowerConditioning)4）靜止勵(lì)磁系統(tǒng)

(SE，StaticExciting)5)新的發(fā)電方式2、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)1）高壓直流輸電(HVDC，HighVoltageDC)2）靜止無(wú)功補(bǔ)償（SVC，StaticVarCompensator）3）靜止同步補(bǔ)償（STATCOM，StaticSynchronousCompensator）4）靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG，StaticVarGenerator)

5）可控串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備(TCSC，ThyristorControlledSeriesCompensator)6）統(tǒng)一潮流控制器（UPFC，UniformPowerFlowController)7）大容量超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SEMS，Super-ConductingMagneticEnergyStorage)8)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC，StaticSynchronousSeriesCompensator)3、配電網(wǎng)中的柔性化技術(shù)。1）配網(wǎng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器

(D-SVC，DistributionStaticVarCompensator)2)配網(wǎng)靜止無(wú)功補(bǔ)償發(fā)生器

(D-SVG，DistributionStaticVarGenerator)。3）有源電力濾波器(APF，ActivePowerFilter)4）固態(tài)斷路器(SCB，Solid-stateCircuitBreaker)5）輕型直流輸電.(HVDC-Light)。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR，DynamicVoltageRegulator)

配電系統(tǒng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能(D-SMESDistribution-SMES)不間斷電源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC，UniformPowerQualityController)(4)用電設(shè)備的柔性化技術(shù)。1)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

(VFD，VariableFrequencyDrive)2)中頻感應(yīng)加熱

(MFIH，MediumFrequencyInductionHeating)3)電力電子鎮(zhèn)流器

(EB，ElectronicBallast)

4）開關(guān)電源

(SMPS，SwitchModePowersupplies)1、按控制方式分類：(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件

(1)功率二極管1.3

電力電子器件的基本特性與發(fā)展(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT，Light-triggeredThyristor)。優(yōu)勢(shì)：1)LTT不需要高電位邏輯電路和BOD保護(hù)觸發(fā)電路,因此采用LTT的SVC閥塔的元器件數(shù)量將減少近7000個(gè),故障率將下降,可靠性將提高。2)LTT無(wú)須輔助電源,所以交流系統(tǒng)電壓降和外部故障(如直流陷落)對(duì)LTT的影響很小。3)與晶閘管等電位的門極驅(qū)動(dòng)單元取消后,模塊接線被簡(jiǎn)化,局部放電和電磁干擾的可能性大為降低,設(shè)備投運(yùn)后維護(hù)工作發(fā)生意外故障的可能性大為降低,LTT晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4)閥塔無(wú)須預(yù)充電即可啟動(dòng)。缺點(diǎn)：LTT需很高的光靈敏度，以適應(yīng)遠(yuǎn)距離控制和長(zhǎng)壽命發(fā)光管的實(shí)際要求。(4)門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

GTO是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件。 既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，限制了器件的開關(guān)頻率；關(guān)斷過(guò)程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過(guò)熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路

GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。(5)功率場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）

功率場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制型器件 優(yōu)點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率?。婚_關(guān)速度快，高頻特性好，工作頻率高達(dá)100kHz以上。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTO。 缺點(diǎn)： 電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的場(chǎng)合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

(6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。 柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)電壓高，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時(shí)，通常須多個(gè)串聯(lián)。

TC3300型IGBT變流器IGBT的導(dǎo)通電納比MOSFET小的多IGBT導(dǎo)通損耗比MOSFET小(7)集成門極換流晶閘管(IGCT)

(IntegratedGateCommutatedThyristor)

IGCT是在克服GTO關(guān)斷能力差，重復(fù)關(guān)斷較大電流時(shí)容易產(chǎn)生局部過(guò)熱損壞等缺陷而發(fā)展起來(lái)的。4500v/1100AIGCT組件

4500v/4000a不對(duì)稱型igct組件

IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級(jí)的高（中）壓開關(guān)器件。 與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過(guò)電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。

電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

變送領(lǐng)域

產(chǎn)業(yè)、交通領(lǐng)域

GTO

IGBT

MOSFET

晶閘管

100M

10M

1M

100k

10k

1k

100

10

100

1k

10k

100k

1M

控制容量（VA）

工作頻率（Hz）

信息處理領(lǐng)域

010203040功率容量MVA1990198019702000年晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)HVIGBT4.5KV0.9KA1.4

儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展1、水電站的開發(fā)方式一、壩式水電站

特點(diǎn)：水頭取決于壩高。引用流量較大等

1．河床式電站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒(méi)，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。2．壩后式水電站(powerstaionatdamtoe)當(dāng)水頭較大時(shí)，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫(kù)容較大，調(diào)節(jié)性能好。二、引水式水電站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無(wú)壩)取水，通過(guò)人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再經(jīng)壓力管道引水到水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電特點(diǎn)：(1)

水頭相對(duì)較高，目前最大水頭已達(dá)2000米以上。(2)引用流量較小，沒(méi)有水庫(kù)調(diào)節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價(jià)值較差。(3)電站庫(kù)容很小，基本無(wú)水庫(kù)淹沒(méi)損失，工程量較小，單位造價(jià)較低。類型：(1)無(wú)壓引水式(freeflow)：引水道是無(wú)壓的(如明渠)(2)有壓引水式(pressureflow)：引水道是有壓的(壓力隧洞)三、混合式水電站(mixedpowerplant)在一個(gè)河段上，同時(shí)采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方式稱為混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后，再通過(guò)有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差，形成了電站的總水頭。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。適用于上游有優(yōu)良?jí)沃?，適宜建庫(kù)，而緊接水庫(kù)以下河道突然變陡或河流有較大的轉(zhuǎn)彎。同時(shí)兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點(diǎn)。在工程實(shí)踐中多稱為引水式，很少用混合式水電站這個(gè)名稱。 1、抽水蓄能技術(shù)： 利用電能與水力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換的蓄能技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)外各電力公司采用的一項(xiàng)大規(guī)模實(shí)用技術(shù)。抽水蓄能：系統(tǒng)負(fù)荷低時(shí)，利用系統(tǒng)多余的電能帶動(dòng)泵站機(jī)組將下庫(kù)的水抽到上庫(kù)(電動(dòng)機(jī)+水泵)，以水的勢(shì)能形式貯存起來(lái)；放水發(fā)電：系統(tǒng)負(fù)荷高時(shí)，將上庫(kù)的水放下來(lái)推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組(水輪機(jī)+發(fā)電機(jī))發(fā)電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中電能的不足。

抽水蓄能的效率還較低，采用可變速技術(shù)后效率也只能達(dá)到75%左右。

四、抽水蓄能電站(pumpedstoragepowerstation)抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖電站安裝常規(guī)水電機(jī)組1×150MW，抽水蓄能機(jī)組3×90MW，下池閘小電站安裝2×5MW水電機(jī)組。常規(guī)機(jī)組于1981年并網(wǎng)發(fā)電，首臺(tái)蓄能機(jī)組于1991年7月投入試運(yùn)行，1992年12月全部機(jī)組投入運(yùn)行。我國(guó)第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動(dòng)發(fā)電機(jī)采用可變極（42極、48極）雙速電機(jī)，在泵工況低水頭（小于45m）運(yùn)用時(shí)由60MW變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)極變頻變速運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的靜止變頻器。

潘家口抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站上水庫(kù)的資料照片1994年3月12日，中國(guó)建設(shè)的第一座大型抽水蓄能電站――廣州抽水蓄能電站一期工程完工，四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。它也是當(dāng)時(shí)世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站總裝機(jī)容量240萬(wàn)千瓦，裝備8臺(tái)30萬(wàn)千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力的機(jī)組。二期工程2000年全部投產(chǎn)。電站以500kV出線接入廣東電網(wǎng)，一期出線兩回，二期出線三回，其中一回作兩期聯(lián)絡(luò)，對(duì)外共三回出線納入電網(wǎng)，負(fù)責(zé)廣東、香港兩地電網(wǎng)的填谷、調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產(chǎn)的嶺澳核電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。泰安抽水蓄能電站，位于山東省泰安市西郊，大河水庫(kù)北邊的山上。工程建設(shè)4×250兆瓦可逆式發(fā)電機(jī)組，于2006年12月30日竣工。機(jī)組投產(chǎn)后，對(duì)促進(jìn)泰安地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善山東電網(wǎng)布局，提高電網(wǎng)運(yùn)行水平都有重要意義。

五、

潮汐電站(tidalenergypowerstation)潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運(yùn)動(dòng)，即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊(yùn)藏量約為27億kW，若全部轉(zhuǎn)換成電能，每年發(fā)電量大約為1.2萬(wàn)億kW.h。潮汐發(fā)電與原理：利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢(shì)能來(lái)發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過(guò)程。2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站發(fā)電機(jī)房

全國(guó)大中型水電站分布圖長(zhǎng)江流域大中型水電站分布圖2、飛輪蓄能

原理：利用旋轉(zhuǎn)物體所具有的動(dòng)能存儲(chǔ)能量。平均效率在85％以上150WH飛輪電池的照片1994年，美國(guó)阿貢（ANL）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維試制一個(gè)儲(chǔ)能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為11千克，采用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪線速度達(dá)1000米／秒。它儲(chǔ)的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃2～5小時(shí)。目前正在開發(fā)儲(chǔ)能達(dá)5000千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬(wàn)千瓦的電廠，約需這樣的儲(chǔ)能輪200個(gè)。日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)引發(fā)可控?zé)岷司圩兊难b置。該裝置的飛輪直徑達(dá)6.45米，高1米，重255噸。它所儲(chǔ)存的能量與掛有150個(gè)車廂的列車以100千米／小時(shí)的速度行駛時(shí)所具有的能量相當(dāng)。故將這些能量在極短時(shí)間釋放出來(lái)足以引發(fā)核聚變。1992年美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了汽車用機(jī)-電電池（EMB），每個(gè)質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬(wàn)轉(zhuǎn)／分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲(chǔ)能為1千瓦時(shí)，它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時(shí)的速度行駛480千米。機(jī)-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機(jī)-電電池所儲(chǔ)的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米／小時(shí)。

軌道交通儲(chǔ)能：應(yīng)用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為蓄能系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用核聚變?cè)囼?yàn)裝置電源用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用3、電池蓄能技術(shù)電池蓄能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)、使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的蓄能技術(shù)。這種電池可以實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的多次反復(fù)轉(zhuǎn)化，有別于只一次性實(shí)現(xiàn)從化學(xué)能到電能轉(zhuǎn)化的一次電池(不可充電電池)，用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)。由于直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電能只能是直流形式，因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分。電池組合方式與系統(tǒng)的連接特點(diǎn)：(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暫態(tài)特性好，負(fù)荷追隨性能強(qiáng)。(4)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。(5)系統(tǒng)較為復(fù)雜。(6)使都市設(shè)施安全管理復(fù)雜化。種類：鉛酸電池NaS電池鋅-氯電池鋅溴電池RF(Redoxflow)4、超導(dǎo)蓄能技術(shù)

超導(dǎo)蓄能(SMES：Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用電流在處于超導(dǎo)狀態(tài)的線圈中流通，以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)電能的方式。

超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能(SMES)的原理

1908年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K的低溫源，為超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。三年后即1911年，在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，昂納斯又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，多次精密測(cè)量表明，汞柱兩端壓降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒(méi)有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1.4.4能量控制型并聯(lián)補(bǔ)償1.4.4.1超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES1、SMES概述

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98°C(4.2K)時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

荷蘭物理學(xué)家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學(xué)家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象象1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律

如圖所示橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示在該溫度下汞的電阻與0℃時(shí)汞的電阻之比：R/R0

R0：

T=273K的電阻超導(dǎo)體的分類

在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示）

重要物理參數(shù)

臨界溫度(Tc):

超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流(Ic):超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能力是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流

臨界磁場(chǎng)(Hc):逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)三、超導(dǎo)體的物理特性

(1)零電阻現(xiàn)象(ZeroResistance)T>Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場(chǎng)

(b)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(c)突然撤去外磁場(chǎng)，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流

(2)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)三、超導(dǎo)體的物理特性

在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)這種情況就象是在超導(dǎo)盤下方，有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無(wú)摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀以及磁懸浮列車等。

1986年4月，喬治·柏諾茲(J.GeorgBednorz，1950－，瑞士)和卡爾·繆勒(KarlA.Muller，1927－，德國(guó))向德國(guó)《物理雜志》提交了題為“Ba－La－Cu－O系統(tǒng)中可能的高Tc超導(dǎo)電性”的論文。后來(lái)，日本東京大學(xué)的幾位學(xué)者根據(jù)他們的配方復(fù)制了類似的樣品，證實(shí)鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。

柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)使人類從基本探索和認(rèn)識(shí)超導(dǎo)電性跨越到超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時(shí)代。

柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導(dǎo)電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。高溫超導(dǎo)

把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷一類氧化物，其超導(dǎo)機(jī)理與低溫下的金屬或合金超導(dǎo)有很大不同。

1987年2月24日中國(guó)科學(xué)院宣布，趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研組已將釔鋇銅氧

(Y－Ba－Cu－O)材料的Tc提高到了92.8

K以上，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點(diǎn)為77.3K，價(jià)格比液氦便宜100

倍，冷卻效率高63

倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴(kuò)展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。五、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

（1）在電力工程方面的應(yīng)用

圖1超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)

超導(dǎo)輸電在原理上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革.熱絕緣超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次為：管狀支撐物（一般為波紋管，內(nèi)通液氮）；超導(dǎo)導(dǎo)體層（超導(dǎo)帶材分層繞制）；熱絕緣層（真空隔熱套件）；常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）；電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)

在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬(wàn)～6萬(wàn)高斯，并且?guī)缀鯖](méi)有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，達(dá)1萬(wàn)兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％

超導(dǎo)限流器

超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低，能自動(dòng)復(fù)位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn)。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能器

25kJ超導(dǎo)儲(chǔ)能用磁體日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV

高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”

（2）超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用（3）超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用

用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào)

超導(dǎo)量子干涉儀

超導(dǎo)數(shù)字電路

超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)10-11秒左右的數(shù)量級(jí)，比半導(dǎo)體集成電路快100倍，但功耗卻要低1000倍左右，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)途徑5、超級(jí)電容蓄能技術(shù)

一個(gè)完整的超級(jí)電容器包含雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個(gè)部件。

超級(jí)電容的機(jī)構(gòu)及等值電路超級(jí)電容器的靜電容量取決于單個(gè)分極的容量及分極的總面積。為增大總面積，通常用粉末狀活性炭制成分極。

根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理,可以將超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩大類。

雙電層電容原理圖超級(jí)電容器具有廣泛的用途。它與蓄電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)可用來(lái)滿足汽車在加速、啟動(dòng)、爬坡時(shí)的高功率要求，以保護(hù)蓄電池系統(tǒng)，并且在汽車緊急剎車是可以瞬間回收能量，從而減少能源浪費(fèi)，節(jié)省能源。超級(jí)電容器也用于其它系統(tǒng)中，如用作燃料電池的啟動(dòng)動(dòng)力、作移動(dòng)通訊和計(jì)算機(jī)的備用電源等。電容車在一個(gè)站點(diǎn)充電30秒至1分鐘后，空調(diào)車可以連續(xù)運(yùn)行3公里，不開空調(diào)則可以堅(jiān)持行駛5公里，最高時(shí)速可達(dá)44公里。

風(fēng)電變槳用超級(jí)電容器超級(jí)電容優(yōu)勢(shì)：1.具有法拉級(jí)的超大電容量，這比普通電容要大得多。2.可以瞬間釋放的功率比普通電池高近十倍，而且不會(huì)損壞。3.充放電循環(huán)壽命在十萬(wàn)次以上，傳統(tǒng)電池只能充放數(shù)百次。4.能在-40度至60度的環(huán)境溫度中正常使用，傳統(tǒng)電池低溫下效能將會(huì)大大降低。5.有超強(qiáng)的荷電保持能力，漏電量非常小，傳統(tǒng)電池要經(jīng)常充電。6.充電迅速，它的速度比普通電池快幾十倍，幾分鐘就可充滿一輛汽車所需要的電量。7.本身不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，真正免維護(hù)，而傳統(tǒng)電池仍是有污染。缺點(diǎn)：一是它的體積比較大，與體積相當(dāng)?shù)碾姵叵啾?，它的?chǔ)電量要小。二是即使達(dá)到法拉級(jí)的電量，但與傳統(tǒng)電池相比，仍然少得可憐，按目前的技術(shù)，它仍然不能作為電動(dòng)力的主要儲(chǔ)電器，因?yàn)樗碾娏恐荒茯?qū)動(dòng)車輛行駛幾公里。1.5

信息處理與控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

柔性電力技術(shù)中的信息處理與控制有兩層含義： 一是理論與算法，

包括信息的監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)方法、開環(huán)或閉環(huán)控制算法、脈沖產(chǎn)生與合成方法等；

二是實(shí)現(xiàn)這些理論與算法的硬件平臺(tái)。

簡(jiǎn)單系統(tǒng)可能只需一些邏輯電路，復(fù)雜系統(tǒng)可能會(huì)需要監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)、控制功能實(shí)現(xiàn)、觸發(fā)邏輯形成、人機(jī)界面等各個(gè)環(huán)節(jié)。

1、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

(FPGA，F(xiàn)ieldProgrammableGateArray)

復(fù)雜可編程邏輯器件

(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)2、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

(DSP—DigitalSignalProcessing)

3、工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)

(IPC，IndustrialPersonalComputer)

第2章電力變換電路與控制 電力變換通常由電力電子電路實(shí)現(xiàn)，可分為四大類:交流變直流 AC/DC直流變直流 DC/DC直流變交流 DC/AC交流變交流 AC/AC本章重點(diǎn)：四類變換的典型電路及其控制方法單相半波可控整流電路及波形帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及波形比帶電阻負(fù)載時(shí)平均值減小

2.1交流-直流變換電路2.1.1單相可控整流電路單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形

當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞2.1.1單相可控整流電路三相橋式全控整流電路原理圖

三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載α=0時(shí)的波形

為變壓器二次側(cè)線電壓的有效值

開關(guān)導(dǎo)通情況依次為：2.1.2三相可控整流電路VT1-VT6、VT1-VT2、VT2-VT3、VT3-VT4、VT4-VT5、VT5-VT6與此相對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電壓：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb2.1.2三相可控整流電路三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形2.1.3三相橋有源逆變工作狀態(tài)2.1.3三相橋有源逆變工作狀態(tài)2.1.4整流電路的功率因數(shù)和諧波2.1.4整流電路的功率因數(shù)和諧波通常電力系統(tǒng)中裝設(shè)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器，可對(duì)相移功率因數(shù)DPF進(jìn)行校正，但畸變所引起的功率因數(shù)降低則只能通過(guò)減小諧波含有率得到改善。(2)三相橋式全控整流電路2.1.4整流電路的功率因數(shù)和諧波2.1.5交流電感對(duì)換相的影響由于換相的影響，交流側(cè)電流波形將發(fā)生變化，這會(huì)對(duì)功率因數(shù)以及注入交流系統(tǒng)的諧波電流產(chǎn)生影響。2.1.5交流電感對(duì)換相的影響2.1.5交流電感對(duì)換相的影響變壓器接線方式不同時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流波形將上述兩組不同的變壓器組合起來(lái)，其電網(wǎng)側(cè)的總電流中將不再含有5、7、17、19等次數(shù)的諧波，而只含有12k±1次的特征諧波，即為12脈動(dòng)整流，如圖(c)所示，2.1.6雙三相橋式整流電路將一種幅值直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的可控直流電壓的過(guò)程稱為直流-直流電壓變換。由于這類變換的基本原理是利用開關(guān)器件對(duì)輸入電壓波形周期性地“斬切”，因此也常稱為斬波器。主要內(nèi)容：降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器升降壓(Buck-Boost)變換器全橋直-直變換器

2.2直流-直流變換電路降壓變換器電路原理圖連續(xù)電流下對(duì)應(yīng)的波形1)連續(xù)電流工作方式

2.2.1降壓型變換器2.2.1降壓型變換器2)電流臨界連續(xù)工作方式3)間斷電流方式。

由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，降壓變換器有兩種工作方式：

①輸入電壓不變的間斷電流工作方式

當(dāng)降壓變換器應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸入電壓保持不變，而輸出電壓通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制。

②輸出電壓不變的間斷電流工作方式

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，如直流開關(guān)電源，則需要保持輸出電壓不變，而輸入電壓由于電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)有所變化，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比保持輸出電壓。4)通過(guò)選擇合適的低通濾波器截止頻率，使得，可大大減少輸出電壓紋波。

2.2.1降壓型變換器 升壓變換器電路結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)的再生制動(dòng)。

升壓變換器電路原理2.2.2升壓型變換器 主要應(yīng)用于要求相對(duì)輸入電壓的公共端為負(fù)極性、輸出電壓可高于或低于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源

2.2.3升降壓型變換器升降壓變換器電路原理2.2.3升降壓型變換器上圖為全橋開關(guān)型變換器電路圖，主要應(yīng)用于：(1)直-直(幅值極性)變換，用于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。(2)直-交(正弦波形)變換，用于單相交流不間斷電源。(3)直-交(中高頻率)變換，用于變壓器隔離式直流開關(guān)電源等。全橋直一直換流器電路2.2.4全橋直-直變換器單極性電壓開關(guān)脈寬調(diào)制方式雙極性電壓開關(guān)脈寬調(diào)制方式2.2.4全橋直-直變換器2.3直流一交流變換電路電壓源逆變器電流源逆變器思考：逆變；有源逆變；無(wú)源逆變。四象限工作情況反并聯(lián)二極管

逆變器輸出瞬時(shí)電壓和電流曲線2.3直流一交流變換電路無(wú)論逆變器輸出是方波還是正弦波，在負(fù)載為感性或容性負(fù)載時(shí)，其輸出電壓滯后或超前電流。因此，在任意時(shí)刻（除阻性負(fù)載）其輸出功率的瞬時(shí)值有正有負(fù)。正的輸出功率表明逆變器輸出功率，即能量從逆變器輸入向負(fù)載傳輸；負(fù)的輸出功率表明逆變器工作于整流狀態(tài)，從負(fù)載向逆變器反饋能量。因此逆變器必須能夠工作在四個(gè)象限才能適應(yīng)各種不同的負(fù)載情況。在第一象限，逆變器輸出電壓和電流均為正，逆變器輸出能量；在第三象限，逆變器輸出電壓和電流均為負(fù)，逆變器輸出能量；即在一、三象限，逆變器工作在逆變狀態(tài)。在第二象限，逆變器輸出電壓為負(fù)，電流為正，逆變器從負(fù)載向逆變器反饋能量；在第四象限，逆變器輸出電壓為正，電流為負(fù)，逆變器從負(fù)載向逆變器反饋能量。即在二、四象限，逆變器工作在整流狀態(tài)。為了使逆變器能夠在四個(gè)象限工作，功率開關(guān)管反并聯(lián)一個(gè)二極管即可實(shí)現(xiàn)。2.3直流一交流變換電路逆變器波形指標(biāo)1）諧波因子（HarmonicFactor） 第n次諧波因子HFn定義為第n次諧波分量有效值同基波分量有效之值比，即

2）總諧波（畸變）因子THD(Totalharmonicdistortionfactor)

該參數(shù)表征了一個(gè)實(shí)際波形同基波分量的接近程度。輸出為理想正弦波的THD為零。3）畸變因子（Distortionfactor） 總諧波因子指示了總的諧波合量，但它并不能告訴我們每一個(gè)諧波分量的影響程度，畸變因子定義：

對(duì)于第n次諧波的畸變因子定義如下：2.3直流一交流變換電路逆變器單相逆變?nèi)嗄孀兎讲}寬調(diào)制方波脈寬調(diào)制單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1、電路結(jié)構(gòu)及原理1）單相半橋電壓型逆變電路

單相全橋逆變電路下圖所示，有四個(gè)功率管、四個(gè)反并聯(lián)二極管組成，其控制方式有雙極性控制、受限雙極性控制和移相控制三種。電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)2)單相全橋逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)及原理全橋電路受限雙極性控制方式工作波形全橋電路移相控制方式的工作過(guò)程三相電壓型橋式逆變電路 面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 沖量：窄脈沖的面積。 效果：環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形。 即：如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2、PWM控制的基本原理

PWM逆變電路的實(shí)質(zhì)是依靠調(diào)節(jié)脈沖寬度改變輸出電壓，通過(guò)改變調(diào)制周期達(dá)到改變輸出頻率的目的。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。實(shí)用的PWM逆變裝置由3部分組成：直流電源、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變電路。2、PWM控制的基本原理

分類：(1)根據(jù)調(diào)制脈沖的極性，可分為單極性和雙極性調(diào)制兩種。(2)根據(jù)載頻信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。(3)根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的不同，可分為矩形波脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制等。矩形波脈寬調(diào)制法：輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數(shù)的諧波；正弦波脈寬調(diào)制法：輸出脈沖列是不等寬的，寬度按正弦規(guī)律變化，故輸出電壓的波形接近正弦波。方案：SPWM

2、PWM控制的基本原理

單相橋式PWM逆變電路單極性.PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式波形單極性PWM波形諧波畸變低于雙極性3、PWM逆變電路及其控制方法(1)單相橋式三相橋式PWM逆變電路三相橋式PWM逆變電路波形為了防止上、下2個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲某一時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長(zhǎng)短取決于開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。但這個(gè)延遲時(shí)間對(duì)輸出的PWM波形將帶來(lái)一定影響，使其與正弦波產(chǎn)生偏離。(2)三相橋式PWM逆變電路

3、異步調(diào)制和同步調(diào)制(1)異步調(diào)制：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式(2)同步調(diào)制：載波比等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式(3)分段同步調(diào)制：同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成分段同步調(diào)制方式，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比為恒定，不同頻段的載波比不同。各頻段的載波比取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)為宜。4、PWM控制技術(shù)自然采樣法,規(guī)則采樣法,特定諧波消去法

4、PWM控制技術(shù)(1)自然采樣法。

按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交點(diǎn) 時(shí)刻，控制功率開關(guān)器件的通 斷，這種生成SPWM波形的方 法，稱為自然采樣法。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地計(jì)算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。自然采樣法(2)規(guī)則采樣法包括對(duì)稱和不對(duì)稱規(guī)則采樣法

對(duì)稱和不對(duì)稱規(guī)則采樣法對(duì)于對(duì)稱規(guī)則采樣法，以三角波負(fù)半周角平分線與正弦波交點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，過(guò)此點(diǎn)作平行線，該平行線與三角波在△內(nèi)有兩個(gè)交點(diǎn)，此兩個(gè)交點(diǎn)即脈沖的開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。對(duì)于不對(duì)稱規(guī)則采樣法，把△四等份，等份線與正弦波在內(nèi)有五個(gè)交點(diǎn)，除去二等份線與正弦波交點(diǎn)，剩余兩個(gè)交點(diǎn)，此兩個(gè)交點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，過(guò)這兩點(diǎn)作平行線與三角波在內(nèi)有四個(gè)交點(diǎn)，取采樣點(diǎn)最近的兩個(gè)交點(diǎn)作為脈沖的開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成的梯形波與正弦波逼近程度較高，諧波分量的幅值較小。按沖量相等原理計(jì)算雙極性第k個(gè)PWM脈沖開通和關(guān)斷角

特定諧波消去法中，脈沖開關(guān)時(shí)間不是由三角波載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)確定的，而是從消除某些特定諧波的目的出發(fā)，通過(guò)解方程組確定。特定諧波消去法的輸出PWM波形(3)特定諧波消去法特點(diǎn)：基波幅度大小與調(diào)制度成正比：。諧波頻率的主要分量以簇（clusters）的形式出現(xiàn)特定諧波消去法的頻譜圖不同調(diào)制度α?xí)r單相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖不同調(diào)制度α?xí)r三相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖5、PWM逆變電路的諧波分析對(duì)于三相逆變器，如果選擇為奇數(shù)并且為三的倍數(shù)（例如3，9，15，21，27…），線電壓的形狀與正弦波更為接近；在相電壓的諧波中不存在偶次諧波。滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流2.3.5

PWM跟蹤控制技術(shù)1、滯環(huán)比較方式2、三角波比較方式優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，便于高頻濾波器的設(shè)計(jì)為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波信號(hào)。比滯環(huán)比較控制方式輸出電流所含諧波少。3、定時(shí)比較方式特點(diǎn)：不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘，以固定采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)兩者偏差的極性來(lái)控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號(hào)。電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制的精度要低一些。AC/AC變換器交流斬波器DC-Link逆變器On/off控制觸發(fā)角控制電壓型電流型周波變換器諧振型2.4

交流-交流變換電路電阻負(fù)載2.4.1.1單相調(diào)壓電路阻感負(fù)載電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量2.4.1交流調(diào)壓電路(a)星形連接(b)線路控制三角形連接(c)支路控制三角形連接(d)中點(diǎn)控制三角形連接2.4.1.2

三相交流調(diào)壓電路過(guò)零觸發(fā)調(diào)功電路輸出波形調(diào)功電路通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載2.4.2

交流調(diào)功電路控制方法：

在設(shè)定的周期內(nèi)，使晶閘管開關(guān)接通幾個(gè)整周波，再斷開幾個(gè)整周波，通過(guò)改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率。單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形2.4.3

交交變頻電路

交交變頻電路是不通過(guò)中間環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路.又稱為直接變頻器或周波變換器。

這種變頻器可用于交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，也用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生變速恒頻電源等。變流電路單向?qū)щ?)輸出上限頻率。:

變流電路采用6脈波的三相橋式電路時(shí)，最高輸出頻率不高于電網(wǎng)頻率的1／3～1／2。電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。2)輸入功率因數(shù)。 輸入功率因數(shù)較低，不論負(fù)載是滯后的還是超前的功率因數(shù)，輸入的無(wú)功電流總是滯后的。3)輸出電壓諧波 與電網(wǎng)頻率、變流電路脈波數(shù)m、輸出頻率fo有關(guān)

輸入輸出特性公共交流母線進(jìn)線輸出星形連接方式三相交交變頻電路(1)電路接線方式:公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形連接方式。(2)輸入輸出特性輸出頻率上限和輸出電壓中的諧波與單相交交變頻電路一致的。不同的是輸入電流諧波分量大為減少且輸入功率因數(shù)有所提高。(3)改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓

在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量（直流偏置）梯形波輸出控制方式（交流偏置）與交直交比較，交交變頻的優(yōu)點(diǎn)：只用一次變流，效率較高；可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波；缺點(diǎn)：接線復(fù)雜，采用三相橋的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸入功率因數(shù)較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜；應(yīng)用：主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速交流調(diào)速電路中，已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等場(chǎng)合。既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)。第3章發(fā)電領(lǐng)域的電力電子技術(shù)3.1整流勵(lì)磁在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)3.3可變速抽水蓄能技術(shù)3.4太陽(yáng)能發(fā)電中的電力電子技術(shù)3.1整流勵(lì)磁在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用勵(lì)磁系統(tǒng)的類型直流勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁系統(tǒng)靜止整流器系統(tǒng)（自勵(lì)）不可控整流器可控整流器旋轉(zhuǎn)整流器系統(tǒng)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)電勢(shì)源可控整流器系統(tǒng)復(fù)合源整流器系統(tǒng)3.1整流勵(lì)磁在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用三相可控晶閘管勵(lì)磁整流電路的控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器用于控制整流橋的控制角：0°~90°——整流狀態(tài)；90°~180°——逆變狀態(tài)；移相環(huán)節(jié)：三相觸發(fā)脈沖的移相控制角?是由反饋的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電壓uR決定的。形成?與uR關(guān)系的環(huán)節(jié)稱為移相環(huán)節(jié)，通常有線性移相環(huán)節(jié)與余弦移相環(huán)節(jié)。3.1整流勵(lì)磁在現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用三相全控整流電路的數(shù)學(xué)模型通常對(duì)整流器電路使用一周波平均值模型代替瞬時(shí)值模型，即計(jì)算出的觸發(fā)角可以立即得到勵(lì)磁電壓平均值的響應(yīng)。整流勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（復(fù)雜的勵(lì)磁控制策略）數(shù)值集成電路的發(fā)展電力電子技術(shù)的進(jìn)步3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類：恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)：與系統(tǒng)頻率保持嚴(yán)格一致，難以適用風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)；異步發(fā)電機(jī)：鼠籠式結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)沖擊大、無(wú)功消耗大；變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不連續(xù)變速系統(tǒng)：1、多臺(tái)不同轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，2、雙繞組雙速感應(yīng)發(fā)電機(jī)，3、雙速極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機(jī)連續(xù)變速系統(tǒng)：同步發(fā)電機(jī)采用交直交系統(tǒng)，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：工作原理：同步發(fā)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)雙饋異步風(fēng)機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)：亞同步運(yùn)行狀態(tài)：n<n1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)行方向同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，n+n2=n1超同步運(yùn)行狀態(tài)：n>n1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)行方向同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，n-n2=n1同步運(yùn)行狀態(tài)：n=n1，滑差頻率f2=0，轉(zhuǎn)子電流等于？？？三角載波與正弦調(diào)制波幅值比較方式產(chǎn)生PWM的頻率與相序改變：相位增幅3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)結(jié)論：間隔越大，頻率越大間隔越小，頻率越小間隔為零，勵(lì)磁電流為直流若?a為負(fù)值時(shí)，?a反向讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)相序相反功率傳遞關(guān)系：Pr—注入轉(zhuǎn)子的功率，Pe—發(fā)電機(jī)的電磁功率S>0，勵(lì)磁功率流向轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)S<0，勵(lì)磁功率流出轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)與功率控制特點(diǎn)：通過(guò)AC/AC變換器控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率、幅值和相位，可以做到并網(wǎng)時(shí)無(wú)沖擊電流。雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)量：頻率、幅值和相位頻率—保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行時(shí)發(fā)出恒定頻率的電力相位—調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率輸出幅值—調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率輸出3.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)：兩臺(tái)繞線式三相異步電機(jī)組成，一臺(tái)作為主發(fā)電機(jī)，定子繞組與電網(wǎng)連接；另一臺(tái)作為勵(lì)磁電機(jī)，其定子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)連接。優(yōu)缺點(diǎn)：不存在滑環(huán)和電刷，運(yùn)行時(shí)的事故率小，可靠性高；高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)（超同步運(yùn)行狀態(tài)），主發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)均向電網(wǎng)饋送有功功率；采用兩臺(tái)異步電機(jī)，結(jié)構(gòu)尺寸增大，機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量增加。3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)基本原理：背景：為實(shí)現(xiàn)發(fā)電量與負(fù)荷用電量的動(dòng)態(tài)平衡，必須不斷調(diào)節(jié)、控制發(fā)電出力，使頻率控制在一定的范圍內(nèi)，即自動(dòng)頻率控制（AFC，AutomaticFrequencyControl)常規(guī)調(diào)節(jié)方式：調(diào)整發(fā)電機(jī)出力，核電和火電調(diào)節(jié)能力有限，經(jīng)濟(jì)性差抽水蓄能機(jī)組，恒速運(yùn)行機(jī)組，改變導(dǎo)向片開度無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速有效的調(diào)節(jié)水輪機(jī)組特點(diǎn)：輸入功率與回轉(zhuǎn)速度的3次方成正比，通過(guò)電力電子技術(shù)、高強(qiáng)度材料制造工藝，設(shè)計(jì)可調(diào)速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)調(diào)速機(jī)組分類：定子勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式—發(fā)電機(jī)的定子繞組側(cè)加裝變換裝置（一次側(cè)，容量大，造價(jià)高）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式—發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組側(cè)加裝變換裝置（常用）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：變換電路容量大快速電流控制勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓抑制機(jī)組的平穩(wěn)啟動(dòng)較小的高次諧波與高壓直流輸電相當(dāng)?shù)母呖煽啃?.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)速的原理：n1—同步轉(zhuǎn)速，n2—轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組生成

的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，nr—轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。變換器類型：周波變換器基于GTO的電壓型或電流型變換器3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)可調(diào)速抽水蓄能機(jī)組的特點(diǎn)：抽水運(yùn)行時(shí)輸入功率的調(diào)整。通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)整，可大幅度調(diào)整輸入功率，進(jìn)而達(dá)到全網(wǎng)AFC的目的。發(fā)電運(yùn)行時(shí)效率提高。水輪機(jī)存在最佳效率回轉(zhuǎn)速度，水輪機(jī)在發(fā)電運(yùn)行和水泵運(yùn)行時(shí)的最佳效率回轉(zhuǎn)速度是不同的。固定速度機(jī)組通常只能運(yùn)行在水泵的最佳回轉(zhuǎn)速度，因而發(fā)電運(yùn)行時(shí)無(wú)法達(dá)到最佳速度?？烧{(diào)速機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行的最佳速度，使效率提高3%~5%。有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？勺兯贆C(jī)組在保持水輪機(jī)軸功率不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)有功出力和無(wú)功出力的單獨(dú)調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)可能發(fā)生的電壓失穩(wěn)、低頻震蕩等現(xiàn)象有抑制作用。3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)的兩種實(shí)現(xiàn)方式：周波變換器方式采用晶閘管將工頻電流變?yōu)閿?shù)赫茲的交流電流。由于這類周波變換器脈沖數(shù)多，諧波畸變率小于1%，無(wú)需濾波；控制精度要求高，控制系統(tǒng)多采用DSP實(shí)現(xiàn)。必須解決的問(wèn)題：系統(tǒng)故障引起母線電壓下降，可能導(dǎo)致?lián)Q流的失??；系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)負(fù)序電壓、對(duì)地電流等造成的過(guò)電壓周波變換器方式具有易于大容量化，器件少，可靠性高3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)AC-DC-AC變換器：采用的是全控器件GTO，實(shí)現(xiàn)交流到直流的整流變換，直流側(cè)通過(guò)GTO電壓斬波電路、平波電容連接到低頻交流逆變回路。逆變器為三相三電平方式。為提高輸出容量，采用3個(gè)相同的單元并聯(lián)構(gòu)成。三電平采用二極管鉗位方式，三個(gè)橋臂由4個(gè)GTO與若干反并聯(lián)二極管組成。3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)可變速抽水蓄能電動(dòng)工作狀態(tài)在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電動(dòng)勢(shì)Ea的高效率調(diào)速方法，稱為串級(jí)調(diào)速。工作原理：轉(zhuǎn)子電流：引入附加電動(dòng)勢(shì)：電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：（亞同步轉(zhuǎn)速）3.3可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)功率傳遞關(guān)系：實(shí)質(zhì)是利用附加電動(dòng)勢(shì)Ea來(lái)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。低于同步轉(zhuǎn)速的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)—E2>Ea，E2向Ea輸出轉(zhuǎn)差功率P=sP1高于同步轉(zhuǎn)速的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)—E2相位反轉(zhuǎn)，與Ea同相位，Ea向E2輸出轉(zhuǎn)差功率高于同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)—E2向Ea輸出轉(zhuǎn)差功率低于同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)—Ea向E2輸出轉(zhuǎn)差功率倒拉反接制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)—E2向Ea輸出轉(zhuǎn)差功率，功率值很大3.4太陽(yáng)能發(fā)電中的電力電子技術(shù)發(fā)電形式有：太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電（主要形式）太陽(yáng)能發(fā)電的電力電子電路形式：工頻變壓器方式—采用工頻隔離，造價(jià)低，但不宜小型輕量化特點(diǎn)高頻連接方式—高頻逆變，高頻隔離，小型輕量化，但造價(jià)高，效率低無(wú)變壓器方式—通過(guò)升壓斬波電路，逆變器和濾波器等，造價(jià)適中，適合小型輕量化3.4太陽(yáng)能發(fā)電中的電力電子技術(shù)光伏發(fā)電的最大功率跟蹤光伏發(fā)電的伏安特性曲線（輸出特性曲線），圖中同時(shí)標(biāo)注了功率輸出曲線。在一定的光照、大氣壓和結(jié)溫溫度前提下，存在太陽(yáng)能發(fā)電的最大輸出功率，稱為峰值功率。目標(biāo)：提高發(fā)電效率，使光伏電池運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近措施：最大功率點(diǎn)控制實(shí)質(zhì)上是控制輸出電壓在最大功率點(diǎn)電壓附近，由于溫度等因素的變化，最大功率點(diǎn)電壓也是不斷變化的，需要通過(guò)DC/DC電路不斷調(diào)整輸出電壓，稱為最大功率點(diǎn)追蹤問(wèn)題。3.4太陽(yáng)能發(fā)電中的電力電子技術(shù)最大功率點(diǎn)追蹤方法：試探法

每隔一固定時(shí)間，給工作電壓附加一個(gè)小的增量。若輸出功率增加，則繼續(xù)向此方向調(diào)整工作電壓；若輸出功率減小，則向相反的方向調(diào)整工作電壓。微分法根據(jù)最大功率點(diǎn)處功率對(duì)電壓或電流的微分應(yīng)為零，來(lái)判斷是否處于最大功率點(diǎn)，并進(jìn)行工作電壓的調(diào)整。太陽(yáng)能光伏發(fā)電運(yùn)行方式：獨(dú)立運(yùn)行方式—適合于無(wú)電地區(qū)和人口稀少地區(qū)，需蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行方式—將電網(wǎng)作為蓄電池，功率雙向流動(dòng)，具有一定的調(diào)峰能力4直流輸電技術(shù)4.1概述直流輸電換流技術(shù)三相換流器有兩種基本結(jié)構(gòu)：電流源換流器（CSC）和電壓源換流器（VSC）。4直流輸電技術(shù)4.1概述換流技術(shù)的發(fā)展：20世紀(jì)50~90年代，都采用電流源變換器。50~70年代中期，電流源換流器都采用汞弧閥，之后，晶閘管換流閥被作為高壓直流系統(tǒng)的基本開關(guān)器件。20世紀(jì)90年代以后，電壓源換流器得到應(yīng)用。由于新的大功率自換相器件（如GTO和IGBT）的出現(xiàn)；由于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）強(qiáng)大的計(jì)算處理能力使得在技術(shù)上能夠滿足控制要求，在經(jīng)濟(jì)上具備競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)代高壓直流系統(tǒng)既可采用電流源換流器也可采用電壓源換流器作為換流單元。4.1概述電流源換流器與電壓源換流器特性比較電流源換流器（CSC）電壓源換流器（VSC）交流系統(tǒng)側(cè)的作用作為恒定電壓源需要電容器作為儲(chǔ)能元件需要大型濾波器以消除諧波需要無(wú)功補(bǔ)償與提高功率因數(shù)作為恒定電流源需要電感元件作為儲(chǔ)能元件需要小型濾波器以消除較高頻率的諧波不需要無(wú)功補(bǔ)償，因?yàn)樵摀Q流器可以四象限運(yùn)行。直流系統(tǒng)側(cè)的作用作為恒定電流源需要電感元件作為儲(chǔ)能元件需要直流濾波器具有固有的故障電流限制特性作為恒定電壓源需要電容元件作為儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能電容器起到直流濾波器的作用直流側(cè)故障時(shí)，已充電的電容器會(huì)向故障點(diǎn)放電開關(guān)方式電網(wǎng)換相或串聯(lián)電容器強(qiáng)迫換相每周波只發(fā)一個(gè)脈沖開關(guān)功耗較低自換相高頻開關(guān)，即每周波內(nèi)發(fā)多個(gè)脈沖。開關(guān)功耗較高額定值范圍單換流器的容量為0~550MW電壓可達(dá)800kV單換流器的容量為0~200MW電壓可達(dá)320kV4.2電流源換流器（CSC）直流輸電換流站包括：換流變壓器、換流器、交流濾波器、直流濾波器以及控制保護(hù)裝置等。換流器由基本換流單元組成，它在換流站內(nèi)允許獨(dú)立運(yùn)行。電流源換流器的基本換流單元有：6脈動(dòng)換流單元（三相橋式換流電路）；12脈動(dòng)換流單元（由兩個(gè)交流側(cè)電壓相位差30°的6脈動(dòng)換流器所組成）。6脈動(dòng)換流單元換流變壓器結(jié)構(gòu)：可以采用三相or單相結(jié)構(gòu);

閥側(cè)繞組接線方式：可以采用星形or三角形接線。6脈動(dòng)換流器在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生6k±1次和6k次的特征諧波（k為正整數(shù)）。4.2電流源換流器（CSC）直流濾波器平波電抗器6脈動(dòng)換流單元交流濾波器換流變壓器控制保護(hù)裝置12脈動(dòng)換流單元由兩個(gè)交流側(cè)電壓相位相差30°的6脈動(dòng)換流單元在直流側(cè)串聯(lián)，同時(shí)，交流側(cè)經(jīng)換流變并聯(lián)所組成。12脈動(dòng)換流單元可采用雙繞組換流變壓器或三繞組換流變壓器，其閥側(cè)繞組的接線方式必須為一個(gè)是星形接線，另一個(gè)是三角形接線。12脈動(dòng)換流單元在交流側(cè)和直流側(cè)分別產(chǎn)生12k±1次和12k次的特征諧波。直流濾波器平波電抗器12脈動(dòng)換流單元交流濾波器換流變壓器控制保護(hù)裝置換流變壓器4.2電流源換流器（CSC）4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理晶閘管換流閥的特點(diǎn):單向?qū)щ娦浴?dǎo)通條件(兩個(gè))：陽(yáng)極對(duì)陰極為正電壓；控制極對(duì)陰極加能量足夠的正向觸發(fā)脈沖。控制極無(wú)關(guān)斷能力，只有當(dāng)換流閥加反向電壓或流經(jīng)換流閥的電流為零時(shí)，它才能關(guān)斷。換相電抗平波電抗進(jìn)行理論分析時(shí)做如下假設(shè)：直流電流Id恒定(即平波電抗器為無(wú)窮大)；閥為理想開關(guān)；交流系統(tǒng)為無(wú)窮大(即三相電動(dòng)勢(shì)平衡并且是完全正弦波)。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理一、不考慮漏電感的理想情況：換相電抗為0，即重疊角；換流橋上、下半橋各有一個(gè)閥導(dǎo)通；觸發(fā)延遲角。每個(gè)時(shí)刻2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，一個(gè)是共陰極的，一個(gè)是共陽(yáng)極組的，且不在同一相。

6個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖按V1V2V3V4V5V6的順序，相位依次相差60°；共陰極組V1、V3、V5觸發(fā)脈沖依次相差120°。整流輸出電壓Ud一周脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)波形一樣，估該電路為6脈動(dòng)整流電路。整流電路合閘啟動(dòng)過(guò)程或電流斷續(xù)時(shí)，須保證同時(shí)導(dǎo)通2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理自然換相點(diǎn)4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理V1為什么能關(guān)斷，V3為什么能導(dǎo)通？4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理晶閘管按照一定次序的“通”與“斷”，將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理結(jié)論：直流電壓瞬時(shí)值在一個(gè)周期內(nèi)由六段相同的曲線所組成，取其中一段就可求出直流平均電壓Udo。6脈動(dòng)整流器的理想空載直流電壓：交流線電壓有效值Udo為時(shí)直流電壓平均值，稱為理想空載直流電壓4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理二、考慮延遲角的情況：直流電壓下降4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理結(jié)論：調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角，可改變直流輸出電壓，從而改變直流輸出功率。注意：；在正常運(yùn)行時(shí)，通常取最小觸發(fā)角為5°；如果需要利用整流器進(jìn)行無(wú)功功率調(diào)節(jié)，或直流輸電需要降壓運(yùn)行時(shí)，則觸發(fā)角需要相應(yīng)增大。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理三、既考慮延遲角，又考慮換相電抗的情況：存在V1和V3同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，稱為換相時(shí)間，電氣角度為換相角或重疊角。在這段時(shí)間內(nèi)，相當(dāng)于交流a、b兩相通過(guò)閥V1和V3短路。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理整流電壓下降4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理在換相結(jié)束時(shí)，6脈動(dòng)整流器交流側(cè)電流波形不是正弦波，近似為正、負(fù)矩形波。不計(jì)換相影響時(shí)，6脈動(dòng)整流器交流側(cè)電流中所含諧波次數(shù)為6k+1,相電流波形如圖2-6所示?；娏饔行е禐?.2.16脈動(dòng)整流器工作原理結(jié)論：換相過(guò)程實(shí)質(zhì)上是交流系統(tǒng)短時(shí)間的兩相短路過(guò)程，換相是依靠電源提供的短路電流進(jìn)行的。名詞：換相過(guò)程中的短路電流稱為換相電流。提供換相電流的交流電壓稱為換相電壓。每相從電源中性點(diǎn)到閥之間的短路阻抗稱為換相電抗。換相過(guò)程中兩個(gè)閥共同導(dǎo)通的時(shí)間用電氣角度表示，稱為重疊角。4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理整流側(cè)的等值換相電阻4.2.16脈動(dòng)整流器工作原理Y/Y接線換流變壓器相位超前于Y/Δ接線換流變壓器；橋1對(duì)應(yīng)閥臂的開通時(shí)間超前于橋2對(duì)應(yīng)閥臂30o；每個(gè)單橋內(nèi)部的6個(gè)閥臂按照60o的間隔順序輪流導(dǎo)通。4.2.2

12脈動(dòng)整流器工作原理4.2.212脈動(dòng)整流器工作原理12脈動(dòng)整流電路工作特點(diǎn)：每個(gè)時(shí)刻均需4個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通形成向負(fù)載供電的回路，每個(gè)單橋中各有兩個(gè)閥臂導(dǎo)通，直流電流通過(guò)四個(gè)閥臂。對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：12個(gè)晶閘管的相位依次相差30o；同一組的上下兩個(gè)橋臂，即V11與V41等脈沖相差180o。

整流輸出電壓一周脈動(dòng)12次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為12脈波整流電路。在整流電路合閘啟動(dòng)過(guò)程或電流斷續(xù)時(shí)，為確保電路正常工作，須保證同時(shí)導(dǎo)通的4個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。4.2.2

12脈動(dòng)整流器工作原理12脈動(dòng)整流器的整流電壓平均值為：交流系統(tǒng)a相電流的傅里葉展開式為：交流系統(tǒng)電流中含有12k±1次諧波。12脈動(dòng)整流電壓中只含有12k次諧波4.2.2

12脈動(dòng)整流器工作原理4.2.3逆變器的工作原理

直流輸電工程所用的逆變器，大部分為有源逆變器，它要求逆變器所接的交流系統(tǒng)提供換相電壓和電流，即受端交流系統(tǒng)必須有交流電源。

從整流器的原理開始討論：假設(shè)整流器接阻感負(fù)荷。直流電壓曲線所決定的正負(fù)電壓相等，直流電壓的平均值為0；直流電壓曲線所決定的負(fù)面積大于正面積，直流電壓變?yōu)樨?fù)值而反向；直流電壓曲線所決定的面積都是負(fù)的。分析逆變狀態(tài)：超前觸發(fā)角4.2.3逆變器的工作原理要使逆變器導(dǎo)通，必須滿足下列條件：(1)在直流母線上加一個(gè)足夠大的直流電壓，以克服反電勢(shì)的作用，才能使電流流通。(2)在直流電壓小于交流反電勢(shì)時(shí)，為了保持電流的連續(xù)，直流回路中要有充分大的電感，利用儲(chǔ)藏在磁場(chǎng)中的能量幫助電流連續(xù)導(dǎo)通而不致中斷。(3)換流閥的觸發(fā)延遲角。4.2.3逆變器的工作原理

逆變器的換流過(guò)程與整流器類似，也是依靠交流系統(tǒng)提供的兩相短路電壓和電流（換相電壓和電流）完成的。換流器電流不能反向，Ud反向?qū)⒁鸸β实姆聪颉Ｏɑ〗悄孀兘茄舆t觸發(fā)角換相重疊角“換相失敗”：為使換相成功，必須在換相電壓變?yōu)樨?fù)值前完成從將關(guān)斷閥到導(dǎo)通閥的轉(zhuǎn)換。例如，從閥V5到閥V1的換相，只有時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，而且需要有一個(gè)使閥去游離的足夠時(shí)間裕度的條件下完成。4.2.3逆變器的工作原理逆變器的直流平均電壓：逆變器的直流電流：

逆變器工作原理：直流回路提供足夠大直流電壓和磁場(chǎng)能量，電流從高電位閥流進(jìn)，經(jīng)低電位的閥流出。4.2.3逆變器的工作原理?yè)Q相引起的直流電壓平均值的變化量4.2.3逆變器的工作原理4.3電壓源換流器（VSC）

VSC的優(yōu)點(diǎn)：快速控制有功功率和無(wú)功功率；高電能質(zhì)量；對(duì)環(huán)境的影響??；可與弱交流網(wǎng)絡(luò)甚至無(wú)源網(wǎng)絡(luò)連接。VSC技術(shù)的主要應(yīng)用：小功率(小于250MW)直流輸電系統(tǒng)(稱為輕型直流輸電)；無(wú)功補(bǔ)償(SVC和STATCOM)；有源濾波器(APF)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及變頻調(diào)速系統(tǒng)。

電壓源換流器VSC

采用自換相器件(如GTO、IGBT等)；在一個(gè)周波中可換相多次；功率反向可以通過(guò)直流側(cè)的電流反向或者電壓反向獲得；通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)控制功率因數(shù)。

電流源換流器CSC

采用電網(wǎng)換相的晶閘管器件；一個(gè)周波只能換相一次；功率反向只能通過(guò)電壓反向來(lái)實(shí)現(xiàn)；4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

主電路圖單相等效電路圖PWM技術(shù)在逆變電路應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路，絕大部分都是PWM型逆變電路。太陽(yáng)能光伏發(fā)電VSC的四象限運(yùn)行特性

整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)逆變器運(yùn)行于單位功率因數(shù)

電流超前電壓的純無(wú)功運(yùn)行電流滯后電壓的純無(wú)功運(yùn)行4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

柔性直流輸電的特點(diǎn)無(wú)源逆變諧波含量小，無(wú)功需求小不會(huì)出現(xiàn)換相失敗模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或少人值守柔性直流輸電的應(yīng)用場(chǎng)合偏遠(yuǎn)地區(qū)供電孤島或海上平臺(tái)新能源發(fā)電并網(wǎng)非同步電網(wǎng)互聯(lián)多端直流輸電的發(fā)展城市配電網(wǎng)增容改造提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

209三電平結(jié)構(gòu)也有工程投運(yùn)，比兩電平結(jié)構(gòu)開關(guān)頻率低，損耗小。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2—三電平結(jié)構(gòu)4.3.2VSC拓?fù)洌ㄑa(bǔ)充）210模塊化多電平換流器（MMC）由西門子公司提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3—多電平結(jié)構(gòu)1（半橋）4.3.2VSC拓?fù)洌ㄑa(bǔ)充）211MMC各相任意時(shí)刻導(dǎo)通子模塊數(shù)相同，以維持直流電壓恒定。4.3.2VSC拓?fù)洌ㄑa(bǔ)充）212MMC與2、3電平VSC對(duì)比投資成本較低模塊化設(shè)計(jì)輸出濾波器容量小

開關(guān)頻率低損耗小電壓諧波畸變率小

MMC輸出的多電平波形兩、三電平VSC輸出波形MMC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：MMC213適合于MMC的調(diào)制策略MMC調(diào)制策略的本質(zhì)是使MMC輸出所期望的多電平波形，工程中電平數(shù)低的場(chǎng)合主要采用載波移相正弦脈寬調(diào)制（CPS-SPWM），電平數(shù)較高的場(chǎng)合采用最近電平逼近調(diào)制（NLM）

（TBC工程以及上海南匯風(fēng)電場(chǎng)都采用NLM）。CPS-SPWM調(diào)制示意圖NLM調(diào)制示意圖4.3.3

電壓源換流器的PWM調(diào)制方法脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即面積相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的電路中時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖寬度調(diào)制是把希望輸出的電壓波形作為調(diào)制信號(hào)與高頻載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開關(guān)器件進(jìn)行控制，就可得到寬度正比于調(diào)制波幅值的脈沖，即PWM電壓波。

PWM調(diào)制方法：正弦脈寬調(diào)制（SPWM）；PWM跟蹤控制技術(shù)（滯環(huán)比較、三角波比較）；空間矢量調(diào)制等。

4.3.3.1正弦脈寬調(diào)制（SPWM）

驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生原理圖VSC輸出三相電壓波形圖4.3.3.2