PE10-電力電子開關(guān)型電力補償-控制器

第10章

電力電子開關(guān)型電力補償、控制器110電力電子開關(guān)型電力補償、控制器引言10.1晶閘管開關(guān)型并聯(lián)電抗補償控制器10.2晶閘管開關(guān)型串聯(lián)電抗補償器10.3PWM開關(guān)型并聯(lián)無功功率發(fā)生器TATCOM10.4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(guān)型串聯(lián)同步電壓補償器SSSC10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC10.8超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)SMES小節(jié)引言

電力半導(dǎo)體開關(guān)器件所構(gòu)成的電力電子開關(guān)電路有兩類應(yīng)用

1.電力電子變換電源。實現(xiàn)DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC電力變換。

2.電力電子補償、控制器。

含有L、C的開關(guān)電路可構(gòu)成：①電壓、電流補償控制器：輸出任意波形的周期或非周期性的電壓、電流。

1.1輸出可控的電壓串聯(lián)在線路上，補償控制線路電壓。

1.2輸出可控的電流并聯(lián)在電網(wǎng)上，補償控制線路電流。②阻抗補償控制器：等效為一個可變的阻抗。

2.1串聯(lián)在線路上補償控制線路等效阻抗。

2.2并聯(lián)在電網(wǎng)上補償控制電網(wǎng)等效負(fù)載阻抗。

按電力補償控制器中所用開關(guān)器件及其控制方式的不同，分為：①晶閘管相控型電力補償控制器。②全控開關(guān)器件高頻PWM補償控制器。在電力系統(tǒng)中采用電力補償控制器，可以使電力系統(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(zhì)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(shè)備（發(fā)電機、變壓器、輸配電線路）的利用率，減少備用電力設(shè)備。引言（續(xù)）10.1晶閘管開關(guān)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TCR10.1.1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ΔP，補償感性負(fù)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ωt=α?xí)r開通T1圖10.2（a)(c)對L可相控在ωt=π+α?xí)r開通T210.1.2晶閘管相控并聯(lián)電抗器TCR（續(xù)1）圖10.2（a)(c)電流i(t)負(fù)半波：作傅立葉分析,基波有效值

電感L相控角為α?xí)r等效基波電抗，i(t)比v落后90，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）圖10.2（a)(d)α=90°時i(t)為完整的正弦波：α=ωt從90°再提前發(fā)觸發(fā)脈沖時，由于i(t)還是負(fù)值，T2仍在導(dǎo)通不能開通T1，待到ωt=

90°時，iT2=0才能開通T1，所以波形與α=90°相同；α調(diào)控范圍90°~180°

TSC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(zhì)，使無功電流的補償恰如其分。10.2晶閘管開關(guān)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(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補償器GCSC10.2.1晶閘管控制的串聯(lián)電容補償器TCSC矢量圖

圖10.3

(a)TSCS單線圖

無C，A處無負(fù)載時:cc將圖中的一個1/2Lc改為R，即構(gòu)成同步振蕩阻尼器SSRD10.2.1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，δ不宜過大。XL很大時，P傳輸功率受限，遠(yuǎn)小于導(dǎo)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(gòu)成TSCS（ThyristorControlledSeriesCapacitor)矢量圖

圖10.3

(a)TSCS單線圖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)的等效感抗圖10.3晶閘管控制的串聯(lián)電容傳輸功率α=180°時，AB兩點等效容抗α=90°時，AB兩點等效容抗串聯(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）將C與晶閘管相控電感并聯(lián)，可得到可控的容抗；將C與GTO并聯(lián)，也可得到可控的容抗；圖10.4GTO控制的串聯(lián)電容補償器在B點T1關(guān)斷后+i(t)流過電容C，使vc增大；ωt>π時，-i(t)又使vc減小為0；在D點T2關(guān)斷后-i(t)流過電容C，使負(fù)vc增大，ωt

>2π時，+i(t)又使負(fù)vc減小為0。如果輸電線電流為，在i正半周的A點開通T1，在B點關(guān)斷T1，則在AB期間T1通態(tài)短接電容C，vc=0；在負(fù)半周的C點開通T2，在D點關(guān)斷T2，則在CD期間T2通態(tài)短接電容C，vc=010.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補償器GCSC若α為T1的關(guān)斷控制角則圖10.4GTO控制的串聯(lián)電容補償器，等效基波電容容抗對作傅立葉分析，可得到的基波電壓有效值在BC期間，在DE期間，10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補償器GCSC（續(xù)1）T1的關(guān)斷控制角為α?xí)r，T導(dǎo)通角θ=α－(π－α)=2α－π，起始導(dǎo)通角即觸發(fā)開通角為π－α，這時等效基波容抗圖10.4GTO控制的串聯(lián)電容補償器π/2<α<π時，在之間改變。

α=π時，T導(dǎo)通角θ=180°，vc=0，C不起作用；α=π/2時，T導(dǎo)通角θ=0°，C在整個周期中都接入線路，vc為完整的正弦波；10.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO控制的串聯(lián)電容補償器GCSC（續(xù)2）α=π和α=π/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α在90°~180之間變化，可以減小GCSC所引起的諧波電壓。

圖10.4GTO控制的串聯(lián)電容補償器10.3PWM開關(guān)型并聯(lián)無功功率發(fā)生器STATCOM圖10.5(a)(b)(c)當(dāng)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，令與電網(wǎng)電壓同頻同相位，輸出電流當(dāng)時，輸出滯后無功電流，可補償感性負(fù)載無功電流；10.3PWM開關(guān)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。超前一個δ角，向提供有功功率P；數(shù)值大，向提供感性無功功率Q。當(dāng)滯后一個相位角δ時，Ip為負(fù)，輸出有功功率為負(fù)，從電網(wǎng)吸收的有功功率為正，10.3PWM開關(guān)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(diào)相器STATCON(StaticCondenser)。圖10.5(a)(e)10.4諧波電流補償器HCC（或并聯(lián)型電力有源濾波器PAPF）

圖10.6并聯(lián)有源濾波器

非線性負(fù)載電流=基波有功電流+基波無功電流+諧波諧波電流補償器HCC輸出，則電源電流若電流補償器輸出，則實時檢測iA、iB、iC，分離出、，取、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，甚至無無功電流。

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(fù)載，或電源vS為非正弦，使重要負(fù)載端A、B、C電壓有諧波vh。圖10.7串聯(lián)型電力有源濾波器

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(fù)載R、S、T處無諧波電壓。10.6PWM開關(guān)型串聯(lián)同步電壓補償器SSSC

圖10.8PWM開關(guān)型串聯(lián)同步電補償器

若，相當(dāng)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(diào)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(fù)載的電壓大小、相位。10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC三相橋變流器I經(jīng)PT1并聯(lián)在電網(wǎng)上，輸出（輸入）補償電流ic；三相橋變流器II經(jīng)PT2，輸出補償電壓ΔV串接在線路上。變流器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。變流器I高頻整流從電網(wǎng)吸取有功功率時，II則逆變向電網(wǎng)送出有功功率。

圖10.9統(tǒng)一潮流控制器

變流器II輸出的串聯(lián)補償電壓超前為α角；超前為δ+α，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）

圖10.9統(tǒng)一潮流控制器

輸電線首端電源電壓超前輸電線末端電壓：δ角。10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)2）

圖10.9統(tǒng)一潮流控制器

串入后產(chǎn)生，使輸電線末端的有功功率增量為，無功功率增量為10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)3）

圖10.9統(tǒng)一潮流控制器

串入后，、、δ不變時，改變的大小和相位α，可連續(xù)調(diào)控、的大小和方向，調(diào)控輸電線潮流P2、Q2。不串入電壓時，

10.7統(tǒng)一潮流控制器UPFC（續(xù)4）

圖10.9統(tǒng)一潮流控制器

α＝180°時，與反相，降低了輸電線首端電壓。，P2減小；，Q2可能為負(fù)。變流器I、II協(xié)調(diào)控制，可使潮流值為指令值。

超前的相位角為α可在0→2π之間的任意調(diào)控。α＝0時與同相，提高了輸電線首端電壓。

P2增大；，Q2增大。10.8超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)SMESSMES由：1、AC－DC雙向三相橋四象限變流器；2、二象限D(zhuǎn)C/DC變換器（電壓+、－，電流方向不變）；3、超導(dǎo)線圈；三部分組成。電網(wǎng)負(fù)載小于發(fā)電機功率時，三相橋變流器高頻整流，吸收電網(wǎng)交流功率PAC輸出PDC，經(jīng)DC/DC變換后給超導(dǎo)線圈供電：isc增大，存儲磁能增加。電網(wǎng)負(fù)載大于發(fā)電機功率時，三相橋變流器逆變，向電網(wǎng)輸出交流功率PAC，超導(dǎo)線圈磁能經(jīng)DC/DC變換輸出PDC，再經(jīng)逆變器向電網(wǎng)輸出PAC。圖10.10超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)的電力電子變換電路10.8超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)1）電力系統(tǒng)任何時刻P＝0，發(fā)電機P＝負(fù)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(yīng)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。圖10.10超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)的電力電子變換電路10.8超導(dǎo)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(guān)周期中T8都導(dǎo)通，在開關(guān)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(dǎo)通，Isc經(jīng)T8、D7續(xù)流，vEF＝0，平均值VEF＝DVD圖10.10超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)的電力電子變換電路起導(dǎo)線圈輸入功率

T7導(dǎo)電占空比D＝Ton/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(dǎo)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(guān)周期TS中T7都斷態(tài)，在T’on=D’Ts

期間令T8導(dǎo)通，ISC經(jīng)T8、D7續(xù)流，VEF＝0，在T’off=(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，VEF

＝VD，VEF的直流平均電壓10.8超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)SMES（續(xù)3）圖10.10超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)的電力電子變換電路按指令要求的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(fù)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(guān)管的SPWM控制信號，并使三相變換器交流側(cè)電壓與電源電壓之差產(chǎn)生電流，使