电气工程新技术

1电气工程新技术首页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。B0HHH+AHaBHm1HHmHcBrBmBm1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：ruu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BH0HB0H0B(a)(b)(c)BH0BH0HB0HB0H0B(a)(b)(c)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。UdrsisUsLsLsUidigrgLLgiL11下页返回返回UbcUbaUcbUabUcaUacb(6)(5)(4)(3)(2)(1)a☟三相线电压矢量图☝稳态时StatCom直流电压波形UacUabwtt3Udt2t112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t1～t2区间，系统a、b两相对StatCom的电容进行充电。UacUabwtt3Udt2t1UbUaUscUcUdiscLsidCiLcrsiLaiLbisaisbrgrsrgLsLgLgLsigbigaUsbUsa14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：dgaggagsbsassbsassbsauiLiriiLiirUU'''22)()(得11'1''1)(21EiLLCiLLrridgsdgsgsdgaLbsbLagasagadiiiiiiii,,1代入上式Cdtiugad/1将和15下页返回返回式中，)()()()(21''''''''1LbLasLbLassbsagsiiLiirUULLE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：)30sin()(231021211wwtLLBAEgsLLmsLLmssmILIrUAwsincos11cossinsLmLsLmLBLIrIw式中，16下页返回返回当线路中各有关电阻、电感、和电容均为常数时，11'1''1)(21EiLLCiLLrridgsdgsgsd二阶、线性非齐次微分方程。当特征根不含有虚数时，它的解的形式为：式为常系数、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，)]30sin()30cos([2300LsLsLmsmLrIUaw)]30sin()30cos([2100LsLsLmsmrLIUbw)(2/122111gsgsrrCLLtgabtg(0)=Id01；ud(0)=Ud01可分别求得式中的常数x1、y1：111101sinzyxId而所以19下页返回返回111101sinzyxId求解可得：和20下页返回返回平方根里面的数为零，则说明微分方程的解有重根，其解的表达式为：若此时，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，平方根里面的数小于零，微分方程式解为：若23下页返回返回利用：可知代入得：所以，24下页返回返回除以将即可得其中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2.2.1.2IGBT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，而是在某一时刻IGBT提前触发导通。rgUbUaUsaUcisaigcLgiLcUdrsLsCidUsciscUsbisbrsrsLsLsiLbiLaigbigargrgLgLg26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)/(cos2222212BAA过阻尼时的解为：方程)sin(2222221awlltzeyexittd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：特征根为：方程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22202sinazIydwalllal/cossin22222020222zCUIzxdd30下页返回返回欠阻尼的情况下：)sin()sin()(222222awwltztextidtd式中，222)(4)()(32gsgsgsdLLrrCLLw31下页返回返回由可知将此式代入22222222022220cos)]cos)sin([)(1awwalwlCzxzICUdddd得:32下页返回返回所以2222222220220222222cos)()sin()(cosadddddddzzIUCx将除以上式可得：212Xtg式中X2为该两个等式后面的两个常数之比，再由式可求得：222202sin/)sin(azIxd33下页返回返回2.2.1.3IGBT滞后触发时的换流模型rgUbUaUsaUcisaigcLgiLcUdrsLsCidUsciscUsbisbrsrsLsLsiLbiLaigbigargrgLgLg❦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：33'3''3)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd35下页返回返回33'3''3)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd比较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：)sin(3333321awlltzeyexittd特征根的解相同：36下页返回返回式中)sin(3333321awlltzeyexittd0333330312123sin)cos(ddIzzCUxawallllwallllallll33032121330321213cossin2zCUzIydd37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：walllal/cossin33223030333zCUIzxdd38下页返回返回欠阻尼时衰减振荡过程的微分方程式的解可写为：)sin()sin()(333333awwltztextidtd式中，2223)(4)()(32gsgsgsddLLrrCLLww3333303sinsin)0(azxIidd由3333303sinsin)0(azxIidd得：39下页返回返回将代入3333303sinsin)0(azxIidd由将此式代入得：得：40下页返回返回所以将比上式可得：313Xtg式中X3为该两个等式后面的两个常数之比，可求得：再由333303sin/)sin(azIxd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由式可以看出当2)()(2gsgsrrLLC2)(3)(8gsgsrrLLC或时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=3/243下页返回返回可以看出当2)()(2gsgsrrLLC2)(3)(8gsgsrrLLC或时对应的暂态解部分为过阻尼的衰减振荡过程，解的形式为：)sin()()1()1(22iititiditzeyextiniiiniiiawwzzwzz44下页返回返回中的zi为不同的数值，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。)sin()()1()1(22iititiditzeyextiniiiniiiawwzzwzz分别令45t/ms*10-30500－500108642id/A下页返回返回z=0.001z=0.002z=0.003z=0.004z=0.005z=0.006z=0.007z=0.008z=0.009z=1.0z=1.1z=1.2z=1.3z=1.4z=1.5z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0600400108642t/ms*10-3Ud/KV200z=0.001z=0.002z=0.003z=0.004z=0.005z=0.006z=0.007z=0.008z=0.009z=1.1-1.522)()(4gsgsrrkLLCz电容的选择可表示为：47下页