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1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 10 10 章章电力电子开关型电力补偿、电力电子开关型电力补偿、控制器控制器1010 电力电子开关型电力补偿、控制器电力电子开关型电力补偿、控制器10.0 10.0 概述概述10.1 10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.2 10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器晶闸管开关型串联电抗补偿器10.3 PWM10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器STATCOMSTATCOM10.4 10.4 谐波电流补偿器谐波电流补偿器HCCHCC（或并联型电力有源滤波器（或并联型电力有源滤波器PAPFP
2、APF）10.5 10.5 谐波电压补偿器谐波电压补偿器HVCHVC（或串联型电力有源滤波器（或串联型电力有源滤波器SAPFSAPF）10.6 PWM10.6 PWM开关型串联同步电压补偿器开关型串联同步电压补偿器SSSCSSSC* *10.7 10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFCUPFC* *10.8 10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMESSMES10.9 10.9 小结小结10.0 概述概述电力半导体开关器件所构成的电力电子开关电路有两类电力半导体开关器件所构成的电力电子开关电路有两类应用：应用： 1. 1. 电力电子变换电源。电力电子变换电源。实现电力变换。实现电力
3、变换。 2. 2. 电力电子补偿、控制器。电力电子补偿、控制器。输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。10.0 概述（续）概述（续）分类：分类： 按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式的不同，按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式的不同，可以分为：可以分为：晶闸管相控型电力补偿控制器。晶闸管相控型电力
4、补偿控制器。 全控开关器件高频全控开关器件高频PWM补偿控制器。补偿控制器。 优点：优点： 使使电电力力系系统统的的有有功功、无无功功功功率率潮潮流流优优化化，平平衡衡电电力力系系统统的的有有功功、无无功功功功率率，抑抑制制功功率率振振荡荡，可可以以改改善善电电力力系系统统的的供供电电质质量量和和运运行行特特性性，可可以以提提高高运运行行的的经经济济性性和和可可靠靠性性，提提高高电电力力设设备备（发发电电机机、变变压压器器、输输配配电电线线路路）的的利利用用率率，减少备用电力设备。减少备用电力设备。10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.1.1 10.1.1
5、 晶闸管投、切并联电容器晶闸管投、切并联电容器TSCTSC（Thyristor Thyristor Switched Capacitors)Switched Capacitors)10.1.2 10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCRTCR10.1.1 晶闸管投、切并联电容器晶闸管投、切并联电容器TSC图10.1 晶闸管投切电容器TSC 投、切并联电容：投、切并联电容：减少线路及发电机、变压器无功功率，减少线路及发电机、变压器无功功率，提高其有功功率极限，减少提高其有功功率极限，减少P，补偿感性负载压降。，补偿感性负载压降。 缺点：只能电压过零投、切，不能相控。缺点：只能电
6、压过零投、切，不能相控。10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCRq在在t=时开通时开通T1q在在t=+时开通时开通T2q在在t=时时q在在t=2时时10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCR （续（续1）q电流电流i(t)负半波：负半波：q作傅立叶分析作傅立叶分析, ,基波有效值基波有效值 q电感电感L L的等效基波电抗为的等效基波电抗为，i(t)比v落后90，电流为正弦波q电流电流i(t)正半波：正半波：10.1.2 晶闸管相控并联电抗器晶闸管相控并联电抗器TCR （续（续2）q=90时时i(t)为完整的正弦波：为完整的正弦波： =t从从90再提前发触发
7、脉冲时，由于再提前发触发脉冲时，由于i(t)还是负值，还是负值，T2仍仍在导通不能开通在导通不能开通T1，待到，待到t= 90时，时，iT2=0才能开通才能开通T1，所以波形与所以波形与=90相同；相同；调控范围调控范围90180 qTSC与与TCR联合工作，可连续改变等效并联电抗的大小和联合工作，可连续改变等效并联电抗的大小和性质，使无功电流的补偿恰如其分。性质，使无功电流的补偿恰如其分。10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器晶闸管开关型串联电抗补偿器10.2.1 10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSCTCSC10.2.2 10.2.2 可关断晶闸管可关断晶
8、闸管GTOGTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCGCSC10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC矢量图 q 无无C，A处无负载时处无负载时:q 将图中的一个将图中的一个1/2Lc改为改为R，即构成同步振荡阻尼器，即构成同步振荡阻尼器SSRD10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续1）q为确保发电机扰动状态运行稳定性，为确保发电机扰动状态运行稳定性，不宜过大。不宜过大。XL很大很大时，时，P传输功率受限，远小于导线发热所允许的功率极限传输功率受限，远小于导线发热所允许的功率极限值，在线路中串入电容，可减小
9、等效线路电抗，提高传输值，在线路中串入电容，可减小等效线路电抗，提高传输功率。功率。q固定固定C，相控电抗，相控电抗XL，构成，构成TSCS（Thyristor Controlled Series Capacitor)矢量图 10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续2）q相控电感相控电感l的等效感抗：的等效感抗：传输功率传输功率q=180时时 ，AB两点等效容抗两点等效容抗q=90时时 ，AB两点等效容抗两点等效容抗q串联等效电容串联等效电容C容抗：容抗：10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续（续3）q在在B点点
10、T1关断后关断后+i(t)流过电容流过电容C，使，使vc增大；增大；t 时，时， -i(t)又使又使vc减小为减小为0；q在在D点点T2关断后关断后-i(t)流过电容流过电容C，使负，使负vc增大，增大，t 2时，时， +i(t)又使负又使负vc减小为减小为0。 qA点开通点开通T1，B点关断点关断T1，则在，则在AB期间期间T1通态短接电容通态短接电容C，vc=0 ；qC点开通点开通T2，D点关断点关断T2，则在，则在CD期间期间T2通态短接电容通态短接电容C，vc=0 。10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCq若若为为 T1的关断控制角
11、则的关断控制角则等效基波电容容抗等效基波电容容抗对对vc( (t) )作傅立叶分析，可得作傅立叶分析，可得vc(t)基波电压有效值基波电压有效值在在BCBC期间，期间， 在在DEDE期间，期间，10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCq等效基波容抗等效基波容抗q/2 时，时，q =时时 ,=180，vc=0，C不起作用不起作用；q =/2时时 =0， C接入线路，接入线路，vc为完整的正弦波；为完整的正弦波；10.2.2 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器控制的串联电容补偿器GCSCq =和和 =/2时时GCSC的的 vc都不
12、会引起谐波电压。都不会引起谐波电压。q采用采用N个个GCSC串联使用，根据所需的等效补偿容抗串联使用，根据所需的等效补偿容抗值，只控制一个值，只控制一个GCSC的的 在在90180 之间变化，可之间变化，可以减小以减小GCSC所引起的谐波电压所引起的谐波电压。 10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器 STATCOM 图10.5 (a) (b) (c)q当当 时，输出超前无功电流时，输出超前无功电流 ，从电网吸收滞后无功电流。，从电网吸收滞后无功电流。q三相桥三相桥“逆变器逆变器”输出三相对称基波电压，令其与电网电压同频同相，输出三相对称基波电压，令其与电网电压同频同相
13、，输出电流输出电流q当当 时，输出滞后无功电流时，输出滞后无功电流 ，可补偿感性负载无功电流；，可补偿感性负载无功电流；10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器 STATCOM（续（续1）图10.5 (a) (d) 输入有功功率输入有功功率 输出滞后无功功率输出滞后无功功率q从电网输入有功功率从电网输入有功功率P用于补充变流器功耗使用于补充变流器功耗使VD恒定。恒定。10.3 PWM开关型并联无功功率发生器开关型并联无功功率发生器STATCOM （续（续2）1.电压电压VD闭环控制。闭环控制。2.无功功率无功功率Q闭环控制。闭环控制。先先进进的的（或或高高级级的的）静静
14、止止型型无无功功功功率率发发生生器器ASVG（Advanced Static Var Generator）。也也被被称称为为静静止止同同步步补补偿偿器器STATCOM（Static Synchronous Compensator），又称为静止调相器），又称为静止调相器STATCON(Static Condenser)。图10.5 (a) (e)实时检测实时检测i iA A、i iB B、i iC C，分离出，分离出i ih h、i iL1Q L1Q ，取，取ih、iL1Q为变流为变流器指令输出电流，控制变流器实际输出电流，使其跟踪指令器指令输出电流，控制变流器实际输出电流，使其跟踪指令电流，使
15、电网无谐波电流，甚至没有无功电流。电流，使电网无谐波电流，甚至没有无功电流。 10.4 谐波电流补偿器谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器（或并联型电力有源滤波器PAPF）10.5 谐波电压补偿器谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器（或串联型电力有源滤波器SAPF）q非线性负载，或电源非线性负载，或电源vS为非正弦，使重要负载端为非正弦，使重要负载端A、B、C电压有谐波电压有谐波vh。q实时检测实时检测A、B、C处的谐波电压，取变流器的指令输处的谐波电压，取变流器的指令输出电压，则重要负载出电压，则重要负载R、S、T处无谐波电压。处无谐波电压。10.6 PWM开关型串联同步电压
16、补偿器开关型串联同步电压补偿器SSSC 1.若若 ，相当于线路上串接了一，相当于线路上串接了一个容抗个容抗K，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。2. 若若 ，向电网串联注入有功功率，向电网串联注入有功功率3. 若、大小、相位不变，串入则增加线路电流若、大小、相位不变，串入则增加线路电流 改改变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。4. 若大小、相位不变，串入可改变负载的电压大小、相位。若大小、相位不变，串入可改变负载的电压大小、相位。10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC qI I经经PTP
17、T1 1并联在电网上，补偿电流并联在电网上，补偿电流i ic c；IIII经经PTPT2 2，补偿电压，补偿电压VV串接串接在线路上。在线路上。qI I在在逆变状态逆变状态向电网送出有功功率时，向电网送出有功功率时，IIII则高频整流从电网吸取则高频整流从电网吸取有功功率；有功功率；qI I在在高频整流状态高频整流状态从电网吸取有功功率时，从电网吸取有功功率时， IIII则逆变向电网送则逆变向电网送出有功功率。出有功功率。变流器变流器IIII输出的串联补偿电压超前为输出的串联补偿电压超前为角；超前为角；超前为+， 串入后，在线路上增加的电流，滞后串入后，在线路上增加的电流，滞后 , ,滞后的相
18、角为滞后的相角为10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC（续（续1）10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC（续（续2）10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC （续（续3）10.7 统一潮流控制器统一潮流控制器UPFC （续（续4） 180 18010.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES q组成组成：1、ACDC双向三相桥四象限变流器；双向三相桥四象限变流器；2、二象限、二象限DC/DC变换器变换器; 3、超导线圈。、超导线圈。q电网负载电网负载发电机功率发电机功率:变流器逆变向电网输出交流功率变流器逆变向电网输出交流功率PAC，超导线圈磁能经超导线圈磁能经DC/
19、DC输出输出PDC，再经逆变器向电网输出，再经逆变器向电网输出PAC。10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES（续（续1）q电力系统任何时刻电力系统任何时刻 P0， 发电机发电机P 负载负载P。q储能类型储能类型：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。q优点优点：储能损耗小；存取效率高；响应快；控制灵活；建造：储能损耗小；存取效率高；响应快；控制灵活；建造不受地点限制；运行维护简单；投资不断下降，经济效益高。不受地点限制；运行维护简单；投资不断下降，经济效益高。10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES （续（续2）q（1）三相桥高
20、频整流，从电网输入）三相桥高频整流，从电网输入PAC向向DC/DC变换器输出变换器输出ID，Buck型型变换器降压，在整个开关周期中变换器降压，在整个开关周期中T8都导通，在开关周期都导通，在开关周期TS的的Ton=DTs期期间，间，T7、T8同时通态；同时通态；vEFVD，在，在Toff=(1-D)Ts期间，期间， T7断态，断态， T8仍导仍导通，通，Isc经经T8、D7续流，续流， vEF0，平均值，平均值VEFDVDq起导线圈输入功率起导线圈输入功率T7导电占空比导电占空比DTon/Ts=PAC+ / VDISC，检测、，按指令要求的检测、，按指令要求的确定确定D，即可使，即可使（2
21、2）三相桥工作在逆变状态向电网输出）三相桥工作在逆变状态向电网输出PACPAC，DC/DCDC/DC变换器从超导线圈获变换器从超导线圈获得直流功率，得直流功率，DC/DC-BoostDC/DC-Boost变换，升压后输出电压变换，升压后输出电压VDVD，iDiD、IDID反向，在整个开反向，在整个开关周期关周期TSTS中中T7T7都断态，在都断态，在Ton=DTsTon=DTs 期间令期间令T8T8导通，导通，ISCISC经经T8T8、D7D7续流，续流， VEFVEF0 0 ，在，在Toff=(1-D)TsToff=(1-D)Ts 期间期间T7T7、 T8T8都处于断态，都处于断态， ISC
22、ISC经经 D8 D8 、D7D7反送回直流母线，反送回直流母线， VEFVEF VDVD， VEFVEF的直流平均电压的直流平均电压10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES （续（续3）按指令要求的按指令要求的PAC及检测到的及检测到的VD、 ISC即可确定即可确定 根据交流电网发电机和负载的功率不平衡情况，得到三相桥变换器输入交流根据交流电网发电机和负载的功率不平衡情况，得到三相桥变换器输入交流功率的指令值功率的指令值P*AC+ P*AC+ 、Q*AC+ Q*AC+ ，或输出的交流功率指令值，或输出的交流功率指令值P*AC - P*AC - 、Q*AC - Q*AC - ，再根据
23、实测的再根据实测的VDVD及及ISCISC即可确定即可确定DC/DCDC/DC变换器的工况及占空比变换器的工况及占空比 D D 或或 D D 。而按。而按 P*AC P*AC 、Q*ACQ*AC及交流电网电压及交流电网电压 值即可确定三相桥变换器的指令电压值即可确定三相桥变换器的指令电压 ，再，再由由 的大小、相位确定开关管的的大小、相位确定开关管的SPWMSPWM控制信号，并使三相变换器交流侧电压控制信号，并使三相变换器交流侧电压与电源电压与电源电压 之差产生电流，使之差产生电流，使 。10.8 超导磁体储能系统超导磁体储能系统SMES （续（续4）10.9 小结小结 利利用用电电力力半半导
24、导体体开开关关器器件件可可以以调调控控电电感感、电电容容、电电阻阻的的数数值值，利利用用电电力力电电子子开开关关组组成成的的开开关关型型电电力力变变换换电电路路可可以以构构成成各各种种类类型型的的电电压压、电电流流补补偿偿器器和和控制器。控制器。 这这些些电电力力补补偿偿器器和和控控制制器器可可以以改改变变电电网网等等效效负负载载的的感感抗抗、容容抗抗和和电电压压、电电流流，可可以以补补偿偿谐谐波波电电流流和和谐谐波波电电压压，可可以以调调控控电电网网负负载载的的基基波波电电压压的的大大小小和和相相位位，可可以以补补偿偿线线路路电电抗抗，可可以以改改变变输输电电线线路路的的有有功功和和无无功功
25、功功率率，并并对对电电力力系系统统的的功功率率平平衡衡进进行行快快速速、灵活、有效的调节和控制。灵活、有效的调节和控制。（1）灵灵活活控控制制电电力力系系统统有有功功功功率率和和无无功功功功率率潮潮流流，使使电电力力系系统统、电电网网中中的的潮潮流流分分布布最最优优化化，减减少少损损耗耗，提提高运行经济性。高运行经济性。（2）线线路路传传输输的的功功率率有有可可能能增增大大至至接接近近导导线线的的热热极极限限（比比以以往往由由电电力力系系统统稳稳定定要要求求所所限限制制的的功功率率极极限限值值提提高高50100%），最最充充分分地地利利用用输输电电线线的的传传输输能能力，又能确保电力系统的运行
26、稳定性。力，又能确保电力系统的运行稳定性。（3）减少备用发电机组的容量。）减少备用发电机组的容量。（4）补补偿偿无无功功功功率率，减减少少功功率率损损耗耗，提提高高发发、配配电电设设备备利用率。利用率。（5）提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性。）提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性。（6）消消除除非非线线性性负负载载的的谐谐波波和和无无功功冲冲击击对对电电力力系系统统的的污污染和危害。染和危害。10.9 小结（续小结（续1）10.9 小结（续小结（续2）引引入入了了大大功功率率半半导导体体开开关关型型电电力力变变换换器器、补补偿偿器器、控控制制器器以以后后，原原有有电电力力系系统统的的结结构
27、构将将发发生生重重大大变变化化。无无论论是是发发电电、输输配配电电和和电电力力应应用用都都将将获获得得更更好好的的技技术术经经济济效效益益、更更高高的的安安全全可可靠靠性性、更更灵灵活活有有效效的的控控制特性和更优良的供电质量。制特性和更优良的供电质量。 随随着着现现代代电电力力电电子子技技术术的的不不断断发发展展和和电电力力电电子子技技术术在在电电力力系系统统领领域域中中的的广广泛泛应应用用，传传统统的的电电力力系系统统将将成成为为一一个个运运行行更更加加安安全全、可可靠靠、经经济济、控控制制灵灵活活的的柔柔性性电电力力系系统统，传传统统的的电电力力技技术术将将发发生生革革命命性性的的变革。变革。
