《电气工程新技术PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气工程新技术PPT课件（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,电气工程新技术,2,下 页,上 页,返 回,电气工程的基本范畴,1.电机与电器 2.电力电子与电气传动 3.电力系统及其自动化 4.高电压与绝缘 5.电工理论与新技术 而且每个领域都有新技术的产生 。,3,下 页,上 页,返 回,一 电气工程技术的有关内容,(1)火力发电 (2)风力发电 (3)地热发电 (4)太阳能发电 (5)潮汐发电 (6)垃圾发电 (7)核能发电 (8)水力发电和抽水蓄能发电 测量技术：非接触式能量控制，电磁式 电力收费系统 电力传输 直流电交流电直流电 电气传动控制高压变频器 大规模集成电路的电路分析 建筑电气化 工厂电气设备 电力机车 电能质量控制-无冲击的变压器
2、启动，电力有源滤波器，UPFC、IPFC等,4,下 页,上 页,返 回,5,下 页,返 回,2.1 磁性材料的特性分析,图中，Br为剩磁感应，Hc为矫顽磁力，Hm为最大磁场强度，Bm为最大磁感应强度，对应于Hm1的磁滞回线称为饱和磁滞回线。二、四象限对应的磁滞回线称为去磁曲线。当磁场强度由H增加到DH，再由DH减小到H，不断重复该过程，则得到图中小的磁滞回线，该回线称为局部磁滞回线。,图2.2 交流电作用下的磁滞回线,上 页,6,磁通的定义为穿过某截面S的磁感应矢量的面积分，即：,磁场强度向量和磁感应向量之间的关系为：,式中的 、 、 分别为导磁物质的磁导率、真空磁导率、和相对磁导率。,而根据
3、安培环路定律知：在磁场中，沿任意闭合路径磁场强度向量的线积分，等于穿过该闭合路径所界定的面的电流的代数和，即：,返 回,下 页,上 页,7,一般情况下，磁通于磁场强度之间的关系可写为：,其中， 为导线匝数； 为磁场强度积分路径长度；,由于m为非线性，所以磁通与电流之间的关系也是非线性关系。 铁磁物质根据磁滞回线的形状及其在工程上的用途基本上分为两大类。一类是软磁材料，另一类是硬磁材料。软磁材料的磁滞回线狭窄，回线面积较小，磁导率高，一般用于电工钢片（硅钢片），做成电机、变压器、继电器的铁芯，铁镍合金、铁金氧磁体、纯铁、铸铁和铸钢等都属于软磁材料；硬磁材料一般具有较高的剩磁感应Bs和较大的矫顽磁
4、力Hc，磁滞回线较宽，如钨钢、钴钢等都是硬磁材料，一般制成永久磁铁。另外还有一种磁铁，它的磁滞回线呈矩形，一般计算机中的存储器铁芯就是用这种材料做成的。 磁材料与温度有很大的关系，一般情况下，当磁场强度一定时，温度升高会使磁导率下降，最终会降至最小值m0，对应的温度称为居里点温度，或居里点。,返 回,下 页,上 页,8,图2.3 典型的磁滞回线 (a)硬磁材 (b)软磁材 (c)记忆磁材,图2.4 交流信号作用下不同工作点对输出的影响,返 回,上 页,下 页,9,下 页,返回,返 回,2.2 直流侧电容参数的选择,要有效减小StatCom的体积，直流电容的体积大小是一个重要的因素。逆变器直流电
5、容的选择，与逆变器结构、控制策略、线路参数等都有很大的联系。,10,下 页,返回,返 回,2.2.1 逆变器及换流数学模型的建立,StatCom结构由电压多重化方式组成。电压等级越高，每周期的换流控制点越多，StatCom系统控制性能越好。,11,下 页,返回,返 回,三相线电压矢量图,稳态时StatCom直流电压波形,12,下 页,返回,返 回,令Ls+L=Lg ,假定负载电流为已知的三相对称恒流源，其a相电流表达式可写为：,假定系统电压为已知量，以a相电压作为参考量，a相电压为:,13,下 页,返回,返 回,2.2.1.1 无换流重叠现象时的电路描述,假定在某一时刻，电路工作在t1t2区间
6、，系统a、b两相对StatCom的电容进行充电。,14,下 页,返回,返 回,设a、b两相线路电感初始能量分别取负载电流源对应的值。令电容此时初始电压值为ud1(0)，可得到稳态时StatCom的直流电压波形所对应的电路方程：,得,15,下 页,返回,返 回,式中，,由于系统电压和负载电流都是已知的正弦量，带入相应的表达式后可得：,式中，,16,下 页,返回,返 回,式中，第1、2项为暂态分量，l1和l2为上式所对应齐次方程的两个特征值，其值分别为：,17,下 页,返回,返 回,第3项为稳态分量，可通过直接求解稳态正弦电路求得。式中，,18,下 页,返回,返 回,利用初始条件id(0)=Id0
7、1；ud(0)=Ud01可分别求得式 中的常数x1、y1：,而,所以,19,下 页,返回,返 回,20,下 页,返回,返 回,此时，,z1和a1的值和上面相同，,21,下 页,返回,返 回,将z1、a1和l 再代入初始条件可得：,即得：,22,下 页,返回,返 回,式中，,23,下 页,返回,返 回,利用：,可知,代入,得：,所以，,24,下 页,返回,返 回,即可得,其中X1为该两个等式后面的两个常数之比。再由 可求得：,25,下 页,返回,返 回,2.2.1.2 IGBT提前触发时的换流模型,实际情况下，StatCom中的IGBT由于控制需要，其桥路的换流不是由于电网自然换流，而是在某一时
8、刻IGBT提前触发导通。,26,下 页,返回,返 回,根据无换流重叠现象的电路模型图相似的推导方法，可推得IGBT提前触发时的等效网络拓扑图对应的微分方程为：,式中：,27,下 页,返回,返 回,稳态解部分为：,28,下 页,返回,返 回,过阻尼情况下，通过初始条件ud2(0)=Ud02、id2(0)=Id02，可求得：,29,下 页,返回,返 回,临界阻尼情况下，依据前面分析的原理可得：,z1和a1的值和上面相同，,再代入初始条件可得：,即得,30,下 页,返回,返 回,欠阻尼的情况下：,式中，,31,下 页,返回,返 回,由,可知,将此式代入,得:,32,下 页,返回,返 回,所以,可得：
9、,33,下 页,返回,返 回,2.2.1.3 IGBT滞后触发时的换流模型,在某些控制情况下，桥路的IGBT也有可能出现滞后触发，如在t2之后触发。此时桥路是先经过电网自然换流后，再进入电流重叠区。,34,下 页,返回,返 回,电路的微分方程表达式为：,35,下 页,返回,返 回,设此时的初始条件分别为： id3(0)=Id03，ud3(0)=Ud03过阻尼的方程解为：,特征根的解相同：,36,下 页,返回,返 回,式中,37,下 页,返回,返 回,临界阻尼情况与IGBT提前触发时的换流模型的情况完全相仿，但初始条件不同，对应的方程可写为：,38,下 页,返回,返 回,欠阻尼时衰减振荡过程的微
10、分方程式的解可写为：,式中，,由,得：,39,下 页,返回,返 回,将 代入,由,得：,40,下 页,返回,返 回,所以,可得：,式中X3为该两个等式后面的两个常数之比，,41,下 页,返回,返 回,2.2.2 电容参数的选择,2.2.2.1 根据特征值确定电容量,其对应暂态解部分为欠阻尼的衰减振荡过程，,42,下 页,返回,返 回,解的形式为：,式中,式中，wn(i)为自然振荡角频率，表达式为：,z为阻尼比，表达式为：,当i=1时，k=2；i=2和3时，k=3/2,43,下 页,返回,返 回,对应的暂态解部分为过阻尼的衰减振荡过程，解的形式为：,44,下 页,返回,返 回,中的zi为不同的数
11、值，临界阻尼情况也代入相应的表达式，可得到id、ud过阻尼和欠阻尼曲线图。,分别令,45,下 页,返回,返 回,z 取不同值时id过阻尼和欠阻尼曲线,46,下 页,返回,返 回,z 取不同值时Ud过阻尼和欠阻尼曲线,电容的选择可表示为：,47,下 页,返回,返 回,2.2.2.2 根据ud的动态波形曲线要求确定电容,超前触发时不同z值的ud波形,48,下 页,返回,返 回,滞后触发时不同z值的ud波形,49,下 页,返回,返 回,电容电压的波动时间长短取决于控制策略和逆变器的物理实现结构。 具体选择电容参数时，应充分考虑每个周期的控制密度。 在实际中，为了保证电容上直流电压的稳定性，对于控制密
12、度较低的StatCom，应增加稳定直流电容电压的稳压电路，以保证StatCom控制功能的正确实现。 对于控制密度较高的StatCom，由于控制密度较高，电容相对可以取得小一些，甚至可以不要。,50,下 页,返回,返 回,设工频系统输入电压U=400sinwt(V)，传输线阻抗Zs=0.009+4jw10-4(W)；三相全波整流输入阻抗Zd=0.0053+0.001jw(W) ；三相StatCom的逆变器输入阻抗Zg=0.014+8.410-4jw(W)。在t=0.25s时，负载等效电流由开始时的iL=55*1.414sin(wt+300)（A）突增到iL=2501.414sin(wt+450)
13、（A）。根据以上参数，可得不同电容参数时的补偿响应过程图。,51,下 页,返回,返 回,突加感性负载并保持功率因数不变时的动态波形,52,下 页,返回,返 回,直流电流减小时突加感性负载的动态波形,53,下 页,返回,返 回,54,下 页,返回,返 回,因为,代入,可得：,式中：,即,55,下 页,返回,返 回,典型的两电平和双三点式构成的StatCom可以完成无功补偿作用。 当StatCom发出无功和吸收无功时，直流电压有很大区别。 用根据特征值确定电容量方法进行参数选择时，并没有考虑稳压电路的支撑问题，在确定的每周期的控制密度的前提下，要根据时域图上曲线确定电容参数，这种方法所得到的参数选
14、择值一般会大些。,56,下 页,返回,返 回,根据ud的动态波形曲线要求确定电容方法是建立在根据特征值确定电容量方法的基础之上，考虑了控制密度和稳压电路的支撑作用，范围较宽，特别是稳压电路的支撑系数m不是很容易确定，要有一定的经验。 用电场能量变化率法方法需要预先对电路由一定的了解，主要是确定电容电流的最大值，这在不同运行情况下，可能会有不同。,57,下 页,返回,返 回,介绍了电力电子器件在无功补偿装置中的具体应用，主要是针对SVC、StatCom的控制原理、控制策略，以及相关参数的选择进行了详细的分析； 对SVC和StatCom的传输特性进行了具体的比较； 给出了控制系统的各种仿真模型，并
15、进行了相关的仿真分析。,58,下 页,返回,返 回,SVC有两种基本控制方式：晶闸管投切电容器TSC；晶闸管控制电抗器TCR。 SVC的补偿原理：包括SVC对系统电压的调整作用，以及对提高电压稳定性所产生的影响。 StatCom的工作原理：重点讲述了StatCom的控制系统及无功补偿数学模型的推导；StatCom的运行性能与系统参数之间的静态关系。,59,下 页,返回,返 回,StatCom和SVC的传输特性比较。 StatCom控制系统的仿真分析：包括控制系统的各种控制策略的仿真模型，如围绕电压稳定的控制 (VOC)，直接功率控制 (DPC)，围绕虚拟磁通的控制(VFOC)以及基于直接功率的
16、虚拟磁通控制(VF-DPC)；并对两电平控制系统和三电平控制系统的仿真波形进行了具体的分析。 StatCom直流侧电容参数的选择：分析StatCom直流侧电容的大小和StatCom的结构息息相关，重点掌握逆变器的数学换流模型的建立方法。,60,2.3 趋肤效应的限制,当磁芯的材料是导电材料时，加在磁芯中的交变磁场将在磁芯中产生自环电流，即涡流。,使用右手法则判断涡流的方向。,下 页,上 页,返 回,61,涡流会产生一个与原磁场方向相反的磁场，这个磁场将在磁芯的内部起一个屏蔽作用，导致磁芯中的磁场逐渐减小，减小的幅度随着离磁芯中心的距离成指数关系变化。,下 页,上 页,返 回,62,计算式为：,趋肤深度,磁场指数衰减过程中衰减的长度。, ：磁性材料的磁场相对渗透度， ：磁性材料的电导率。,下 页,上 页,返 回,63,如果磁芯的横截面半径相对于趋肤深度长很多，则磁芯最内部的磁通密度非常小，甚至完全没有。这将削弱了磁芯的储能或者能量转换的能力。,低频时，磁场相对渗透度比较大，趋肤深
