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1、电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术在电力系统中的应用张波张波内容内容l绪论绪论l在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理l阻抗补偿装置阻抗补偿装置l有源电压电流补偿装置有源电压电流补偿装置l其它装置其它装置l结语结语 绪论绪论 电力电子技术在电力系统中的应用又称为交流电力电子技术在电力系统中的应用又称为交流柔性输电技术。它起源于上个世纪柔性输电技术。它起源于上个世纪80年代末，目前年代末，目前仅有部分技术应用到电力系统中，国内外都处于发仅有部分技术应用到电力系统中，国内外都处于发展阶段。它是一门研制电力系统装置的技术，是当展阶段。它是一门研制电力系统装置的技术，是当今改变电
2、力系统运行方式、提高电网可靠性、稳定今改变电力系统运行方式、提高电网可靠性、稳定性、质量最有效的技术手段，也是支撑今后电力市性、质量最有效的技术手段，也是支撑今后电力市场实施的技术手段。广泛采用电力电子技术是未来场实施的技术手段。广泛采用电力电子技术是未来电力系统的发展趋势，是今后电力系统工作人员必电力系统的发展趋势，是今后电力系统工作人员必须了解和掌握的技术。须了解和掌握的技术。在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理电力系统控制基本原理电力系统控制基本原理 电网基本方程：电网基本方程：要求根据实际需要，改变电网电压、电流和阻抗，实现要求根据实际需要，改变电网电压、电流和阻抗，实
3、现电网的潮流优化、提高输电能力和改善电网质量。电网的潮流优化、提高输电能力和改善电网质量。在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理举例说明：举例说明： 例例1： 电网功率因数电网功率因数： 例例2： 例例3： 电网容量：电网容量： 理论上电网容量可以达到热极限理论上电网容量可以达到热极限 可以抑制电网电压谐波、闪变、跌落等电压变化可以抑制电网电压谐波、闪变、跌落等电压变化在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理举例说明：举例说明： 例例5： 例例6： 电网电流：电网电流： 可以将非线性负载转换为线性负载可以将非线性负载转换为线性负载 例例4： 可以抑制电网电流谐波等各种
4、变化可以抑制电网电流谐波等各种变化在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理电力电子变换原理电力电子变换原理 通过电力电子变换器实现电网电压、电流、阻抗的任意通过电力电子变换器实现电网电压、电流、阻抗的任意变换变换其中：其中： 为电力电子变换器开关函数为电力电子变换器开关函数 在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理 以上四种电能变换形式，当电力电子变换器输出端接电以上四种电能变换形式，当电力电子变换器输出端接电网时就可以实现电压或电流变换；当网时就可以实现电压或电流变换；当电力电子变换器输出端电力电子变换器输出端接阻抗元件时就可以实现阻抗变换。接阻抗元件时就可以实现阻抗
5、变换。举例说明：举例说明： 输入输入输出输出交交 流流直直 流流直直 流流整整 流流直流斩波直流斩波交交 流流交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆逆 变变在电力系统中应用的基本原理在电力系统中应用的基本原理根据电力电子技术研制的主要电力系统装置根据电力电子技术研制的主要电力系统装置阻抗补偿原理及装置阻抗补偿原理及装置 利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电感，电容，电阻，可以瞬时地改变线路等效阻抗或者等效的感，电容，电阻，可以瞬时地改变线路等效阻抗或者等效的感性，容性，阻性负载，可用以补偿和控制电力系统中线路感性，容性，阻
6、性负载，可用以补偿和控制电力系统中线路阻抗和等值负载，控制有功和无功潮流，平衡电力系统的有阻抗和等值负载，控制有功和无功潮流，平衡电力系统的有功以及抑制电压瞬变和功率震荡。功以及抑制电压瞬变和功率震荡。有源电压电流补偿原理及装置有源电压电流补偿原理及装置 利用电力电子电路产生补偿电压或电流控制有功和无功利用电力电子电路产生补偿电压或电流控制有功和无功潮流，可以使电力系统的有功、无功功率潮流优化，平衡电潮流，可以使电力系统的有功、无功功率潮流优化，平衡电力系统的有功、无功功率，抑制功率振荡，可以改善电力系力系统的有功、无功功率，抑制功率振荡，可以改善电力系统的供电质量和运行特性，可以提高运行的经
7、济性和可靠性，统的供电质量和运行特性，可以提高运行的经济性和可靠性，提高电力设备（发电机、变压器、输配电线路）的利用率，提高电力设备（发电机、变压器、输配电线路）的利用率，减少备用电力设备。减少备用电力设备。阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器晶闸管投切电抗器晶闸管投切电抗器晶闸管投切电阻晶闸管投切电阻晶闸管控制串联电容器晶闸管控制串联电容器晶闸管控制次同步震荡阻尼器晶闸管控制次同步震荡阻尼器晶闸管控制的故障电流限制器晶闸管控制的故障电流限制器固态电路开关固态电路开关主要装置主要装置阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC)装置原理介绍装置原理介绍
8、功用功用: :晶闸管动态投切电容器补偿滞后功率晶闸管动态投切电容器补偿滞后功率 装置图装置图 补偿原理补偿原理 阻抗补偿装置阻抗补偿装置设计公式：设计公式： 阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶闸管投切电抗器（晶闸管投切电抗器（TPCI)功用：可连续改变等效并联电抗的大小和性质，实现无功功用：可连续改变等效并联电抗的大小和性质，实现无功电流连续控制。电流连续控制。 装置图装置图 补偿原理补偿原理 阻抗补偿装置阻抗补偿装置设计公式：设计公式： T1T1导电导电T2T2导电导电等效基波电抗等效基波电抗阻抗补偿装置阻抗补偿装置带带TPCITPCI及及TSCTSC的电力系统的电力系统 阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶
9、闸管投切电阻晶闸管投切电阻(TSR)装置图装置图 补偿原理补偿原理 功用：防止故障时发电机功率不平衡所引起的矢步，应在功用：防止故障时发电机功率不平衡所引起的矢步，应在原动机功率调节作用尚未动作之前增加发电机的输出功率。原动机功率调节作用尚未动作之前增加发电机的输出功率。通过晶闸管接入一个制动（负载）电阻通过晶闸管接入一个制动（负载）电阻R R。以增大发电机以增大发电机的输出功率使发电机转子受到附加的制动力矩，防止电动的输出功率使发电机转子受到附加的制动力矩，防止电动机失步。机失步。阻抗补偿装置阻抗补偿装置设计公式：设计公式： 发电机功角特性导电发电机功角特性导电极限最大功率极限最大功率阻抗补
10、偿装置阻抗补偿装置晶闸管控制串联电容器晶闸管控制串联电容器(TCSC)装置图装置图 功用：输电线路的电感越大，其传输功率极限值越小，在功用：输电线路的电感越大，其传输功率极限值越小，在输电线电路中串联介入电容器可以补偿线路电感，提高输输电线电路中串联介入电容器可以补偿线路电感，提高输电线的输电能力改善系统稳定性。为了改变等效串联电容电线的输电能力改善系统稳定性。为了改变等效串联电容的大小，可将一定容量的电容的大小，可将一定容量的电容C C与一个晶闸管控制的电感与一个晶闸管控制的电感L L相并联，再共同串联在线路上。相并联，再共同串联在线路上。阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶闸管控制次同步震荡阻尼器晶
11、闸管控制次同步震荡阻尼器(SSRD)装置图装置图 功用：功用：为了降低线路电抗，提高线路输电能力，可以采用为了降低线路电抗，提高线路输电能力，可以采用串联电容器补偿。但当补偿度较高时，便有可能激发起一串联电容器补偿。但当补偿度较高时，便有可能激发起一种低于工频频率的次同步震荡而引发事故。次同步震荡阻种低于工频频率的次同步震荡而引发事故。次同步震荡阻尼器是在串联电容器上并一个由电感，小电阻及晶闸管双尼器是在串联电容器上并一个由电感，小电阻及晶闸管双向交流开关串联而成的支路。向交流开关串联而成的支路。阻抗补偿装置阻抗补偿装置晶闸管控制的故障电流限制器晶闸管控制的故障电流限制器(FLC)装置图装置图
12、 功用：电力系统越来越大，短路引起的短路电流也越来功用：电力系统越来越大，短路引起的短路电流也越来越大，仅靠提高电器设备承受短路电流能力的办法是不越大，仅靠提高电器设备承受短路电流能力的办法是不经济的，采取措施限制短路电流是一个可取的技术方案。经济的，采取措施限制短路电流是一个可取的技术方案。为了限制电网短路故障时的故障电流，可在短路后立即为了限制电网短路故障时的故障电流，可在短路后立即在短路回路中接入一个阻抗以限制短路电流。在短路回路中接入一个阻抗以限制短路电流。短路电流限制器由三部分组成短路电流限制器由三部分组成: :（1 1）快速动作的）快速动作的GTOGTO开关开关（2 2）限制故障电
13、流的电感）限制故障电流的电感L L（3 3）金属氧化物非线性电阻器金属氧化物非线性电阻器R R阻抗补偿装置阻抗补偿装置固态电路开关固态电路开关装置图装置图 功用：功用：将固态开关串联在输电线路上接通负载，当发生短将固态开关串联在输电线路上接通负载，当发生短路故障时，立即施加关断信号，使开关管迅即切断故障回路，路故障时，立即施加关断信号，使开关管迅即切断故障回路，或及时接同备用线路，确保系统的稳定运行和连续供或及时接同备用线路，确保系统的稳定运行和连续供电。电。有源电压电流补偿装置有源电压电流补偿装置主要装置主要装置并联型电力有源滤波器并联型电力有源滤波器串联型电力有源滤波器串联型电力有源滤波器
14、统一潮流控制器统一潮流控制器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并联型电力有源滤波器（并联型电力有源滤波器（PAPF)功用：相当于一个电流源，与负载同时并联在电网上，控功用：相当于一个电流源，与负载同时并联在电网上，控制三相桥的开关器件使其输出的谐波电流跟踪指令电流，制三相桥的开关器件使其输出的谐波电流跟踪指令电流，补偿负载的谐波电流，使电网电源电流正弦化。补偿负载的谐波电流，使电网电源电流正弦化。装置图装置图负载电流负载电流滤波器输出电流滤波器输出电流或或有源电压电流补偿装置有源电压电流补偿装置装置原理介绍装置原理介绍串联型电力有源滤波器（串联型电力有源滤波器（SPAF)功
15、用：功用：它相当于一个电压源，串联在电路中，控制三相桥开它相当于一个电压源，串联在电路中，控制三相桥开关器件使其输出的谐波电压跟踪补偿电网的谐波电压，经谐关器件使其输出的谐波电压跟踪补偿电网的谐波电压，经谐波电压补偿后，电网中其他负载端点电压无谐波，电源电流波电压补偿后，电网中其他负载端点电压无谐波，电源电流也随之正弦化。也随之正弦化。装置图装置图电网电压电网电压滤波器输出电压滤波器输出电压有源电压电流补偿装置有源电压电流补偿装置统一潮流控制器（统一潮流控制器（UPFC)功用：功用：对电网电量的综合调节和控制对电网电量的综合调节和控制装置图装置图电网电压电网电压滤波器滤波器II输出电压输出电压
16、负载电流负载电流滤波器滤波器I输出电流输出电流有源电压电流补偿装置有源电压电流补偿装置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)功用：功用：先进的（或高级的）静止型无功功率发生器先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG。也被称为静止同步补偿器也被称为静止同步补偿器STATCOM,又称为静止调相器。又称为静止调相器。装置图装置图电感上电流电感上电流q当当 时，输出滞后无功电流时，输出滞后无功电流 ，可，可补偿感性负载无功电流；补偿感性负载无功电流；q当当 时，输出超前无功电流时，输出超前无功电流 ，从，从电网吸收滞后无功电流。电网吸收滞后无功电流。有源电压电
17、流补偿装置有源电压电流补偿装置其它装置其它装置主要装置主要装置高压直流输电高压直流输电超导磁体储能系统超导磁体储能系统电力电子变压器电力电子变压器无线输电无线输电高压直流输电（高压直流输电（HVDC)功用：实现远距离输电。功用：实现远距离输电。装置图装置图装置原理介绍装置原理介绍其它装置其它装置超导磁体储能系统（超导磁体储能系统（SMES)功用：功用：电网负载小于发电机功率时，三相桥变流器高频电网负载小于发电机功率时，三相桥变流器高频整流，吸收电网交流功率，经整流，吸收电网交流功率，经DC/DC变换后给超导线圈变换后给超导线圈供电供电;电网负载大于发电机功率时，三相桥变流器逆变，电网负载大于发
18、电机功率时，三相桥变流器逆变，向电网输出交流功率，超导线圈磁能经向电网输出交流功率，超导线圈磁能经DC/DC变换输出，变换输出，再经逆变器向电网输出。再经逆变器向电网输出。装置图装置图其它装置其它装置电力电子变压器（电力电子变压器（EPT)功用：功用：取代现有电力变压器。取代现有电力变压器。装置图装置图高压交流电输入高压交流电输入整流整流高频逆变高频逆变高频降压变压器高频降压变压器整流整流工频逆变工频逆变负载负载其它装置其它装置无线输电无线输电功用：功用：通过电力电子技术及电磁原理实现无线电力传输通过电力电子技术及电磁原理实现无线电力传输装置图装置图其它装置其它装置结语结语 利利用用电电力力半
19、半导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控制制器器。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
20、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、灵灵活活、有效的调节和控制，这些功能将导致：有效的调节和控制，这些功能将导致： （1 1）灵活控制电力系统有功功率和无功功率潮流，使电力系）灵活控制电力系统有功功率和无功功率潮流，使电力系 统、电网中的潮流分布最优化，减少损耗，提高运行经统、电网中的潮流分布最优化，减少损耗，提高运行经 济性。济性。结语结语（2 2）线路传输的功率有可能增大至接近导线的热极限（比）线路传输的功率有可能增大至接近导线的热极限（比 以往由电力系统稳定要求所限制的功率极限值提高以往由电力系统稳定要求所限制的功率极限值提高 50 50100%100
21、%），最充分地利用输电线的传输能力，又能），最充分地利用输电线的传输能力，又能 确保电力系统的运行稳定性。确保电力系统的运行稳定性。（3 3）减少备用发电机组的容量。）减少备用发电机组的容量。（4 4）补偿无功功率，减少功率损耗，提高发、配电设备利）补偿无功功率，减少功率损耗，提高发、配电设备利 用率。用率。 (5 (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 6）消除非线性负载的谐波和无功冲击对电力系统的污染）消除非线性负载的谐波和无功冲击对电力系统的污染 和危害。和危害。结语结语 引引入入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、
22、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制特特性性和和更更优优良良的的供供电电质质量量。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其其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，传统的电力技术将发生革命性的变革。统，传统的电力技术将发生革命性的变革。谢谢谢谢
