电力电子第十章

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第10章电力电子开关型电力补偿、控制器10电力电子开关型电力补偿、控制器10.0概述10.1晶闸管开关型并联电抗补偿控制器10.2晶闸管开关型串联电抗补偿器10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM10.4谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）10.5谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器SAPF）10.6PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC*10.7统一潮流控制器UPFC*10.8超导磁体储能系统SMES10.9小结10.0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应用：1.电力电子变换电源。实现电力变换。2.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。并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。10.0概述（续）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，可以分为：晶闸管相控型电力补偿控制器。全控开关器件高频PWM补偿控制器。优点：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，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10.1.1晶闸管投、切并联电容器TSC（ThyristorSwitchedCapacitors)10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR10.1.1晶闸管投、切并联电容器TSC图10.1晶闸管投切电容器TSC)110(2sinsin2/222fVICIIfCVXVIQCC投、切并联电容：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ΔP，补偿感性负载压降。缺点：只能电压过零投、切，不能相控。10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR在ωt=α时开通T1在ωt=π+α时开通T22222()[coscos],(106);2,()[1cos](107)mVVitttitiaLL在ωt=π时在ωt=2π时10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续1）电流i(t)负半波：2222()[coscos](106),(1cos)(105)mVVittiLL作傅立叶分析,基波有效值21sin22()(108)VIL电感L的等效基波电抗为211(1010)sin22()VXLI，i(t)比v落后90，电流为正弦波90;LXL180,0LX电流i(t)正半波：22()[coscos](104)VittL10.1.2晶闸管相控并联电抗器TCR（续2）α=90°时i(t)为完整的正弦波：α=ωt从90°再提前发触发脉冲时，由于i(t)还是负值，T2仍在导通不能开通T1，待到ωt=90°时，iT2=0才能开通T1，所以波形与α=90°相同；α调控范围90°~180°TSC与TCR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。10.2晶闸管开关型串联电抗补偿器10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC矢量图无C，A处无负载时:121sin(),cos()dLqqLqEIXXEVIXX222222211(cos)sin,dqLqLqEVVEVPVIQVIXXXX2222211(cos)sin,cos()EELqLqEVEEVPPQEIXXXX将图中的一个1/2Lc改为R，即构成同步振荡阻尼器SSRD1()dLqIXX1()LqIqXX2VEIdIqI10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续1）为确保发电机扰动状态运行稳定性，δ不宜过大。XL很大时，P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，可减小等效线路电抗，提高传输功率。固定C，相控电抗XL，构成TSCS（ThyristorControlledSeriesCapacitor)矢量图1()dLqIXX1()LqIqXX2VEIdIqI10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续2）相控电感l的等效感抗：1sin22cLClVXlI1/CXC1/ABXClXlLXLX/211CLABCCCLCLXXXXXXXXX传输功率21sinqLABEVPXXXα=180°时，AB两点等效容抗α=90°时，AB两点等效容抗串联等效电容C容抗：10.2.1晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续3）在B点T1关断后+i(t)流过电容C，使vc增大；ωtπ时，-i(t)又使vc减小为0；在D点T2关断后-i(t)流过电容C，使负vc增大，ωt2π时，+i(t)又使负vc减小为0。A点开通T1，B点关断T1，则在AB期间T1通态短接电容C，vc=0；C点开通T2，D点关断T2，则在CD期间T2通态短接电容C，vc=0。10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC若α为T1的关断控制角则1sin22CIVC1sin221()CCVXIC等效基波电容容抗对vc(t)作傅立叶分析，可得vc(t)基波电压有效值12()2sin(coscos)tcIvtItdttCC在BC期间，12()2sin(coscos)tcIvtItdttCC在DE期间，10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC等效基波容抗CX1/0Cπ/2π时，()0CX=π时,θ=180°，vc=0，C不起作用；(/2)1/CXC=π/2时θ=0°，C接入线路，vc为完整的正弦波；sin22()(1012)CIXC10.2.2可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC=π和=π/2时GCSC的vc都不会引起谐波电压。采用N个GCSC串联使用，根据所需的等效补偿容抗值，只控制一个GCSC的α在90°~180之间变化，可以减小GCSC所引起的谐波电压。10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM图10.5(a)(b)(c)isVVQI当时，输出超前无功电流，从电网吸收滞后无功电流。三相桥“逆变器”输出三相对称基波电压，令其与电网电压同频同相，输出电流iSiSSiLLLVVVVVVIjjjXXXisVVQI当时，输出滞后无功电流，可补偿感性负载无功电流；10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM（续1）图10.5(a)(d)sin(1017)iSSPVVPVIX(cos)(1018)SiSSQVVVQVIX输入有功功率输出滞后无功功率从电网输入有功功率P用于补充变流器功耗使VD恒定。10.3PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM（续2）1.电压VD闭环控制。2.无功功率Q闭环控制。先进的（或高级的）静止型无功功率发生器ASVG（AdvancedStaticVarGenerator）。也被称为静止同步补偿器STATCOM（StaticSynchronousCompensator），又称为静止调相器STATCON(StaticCondenser)。图10.5(a)(e)实时检测iA、iB、iC，分离出ih、iL1Q，取ih、iL1Q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HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）10.5谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器SAPF）非线性负载，或电源vS为非正弦，使重要负载端A、B、C电压有谐波vh。hrv*chvv实时检测A、B、C处的谐波电压，取变流器的指令输出电压，则重要负载R、S、T处无谐波电压。10.6PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC1.若，相当于线路上串接了一个容抗K，等效串联电容补偿向电网串联注入无功功率。,//BAABABBAVVVjkIZVIVIjkBAVVVkIPVI2.若，向电网串联注入有功功率1V2VV/()LIVjXV3.若、大小、相位不变，串入则增加线路电流改变大小、相位，可调控线路有功、无功功率潮流。1VV4.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UPFCI经PT1并联在电网上，补偿电流ic；II经PT2，补偿电压ΔV串接在线路上。I在逆变状态向电网送出有功功率时，II则高频整流从电网吸取有功功率；I在高频整流状态从电网吸取有功功率时，II则逆变向电网送出有功功率。变流器II输出的串联补偿电压超前为α角；超前为δ+α，串入后，在线路上增加的电流，滞后,滞后的相角为10.7统一潮流控制器UPFC（续1）2VVV//LLIVjXjVXI902V90()V1V1VI10.7统一潮流控制器UPFC（续2）2222coscos[90()]sin()(1019)PLVVPVIVIVIX2222sinsin[90()]cos()(1020)QLVVQVIVIVIX10.7统一潮流控制器UPFC（续3）22sin();cos()LLVVVVPQXX12220sinsin();LLVVVVPPPXX222012(cos)cos()LLVVVQQQVVXX1220012sin;(cos)LLVVVPQVVXX10.7统一潮流控制器UPFC（续4）12()sinLVVPX2212[()cos]LVQVVVX＝180°12()sin,LVVPX2212[()cos]LVQVVVX180°10.8超导磁体储能系统SMES组成：1、AC－DC双向三相桥四象限变流器；2、二象限DC/DC变换器;3、超导线圈。电网负载发电机功率:变流器高频整流吸收电网交流功率PAC,输出PDC，经DC/DC给超导线圈供电：isc增大，存储磁能增加。电网负载发电机功率:变流器逆变向电网输出交流功率PAC，超导线圈磁能经DC/DC输出PDC，再经逆变器向电网输出PAC。10.8超导磁体储能系统SMES（续1）电力系统任何时刻P＝0，发电机P＝负载P。储能类型：电池，压缩空气，抽水储能，飞轮惯性储能。优点：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。10.8超导磁体储能系统SMES（续2）（1）三相桥高频整流，从电网输入PAC向DC/DC变换器输出ID，Buck型变换器降压，在整个开关周期中T8都导通，在开关周期TS的Ton=DTs期间，T7、T8同时通态；vEF＝VD，在Toff=(1-D)Ts期间，T7断态，T8仍导通，Isc经T8、D7续流，vEF＝0，平均值VEF＝DVDSCIDV*ACPACP*ACP起导线圈输入功率T7导电占空比D＝Ton/Ts=PAC+/VDISC，检测、，按指令要求的确定D，即可使DDACSCDSCEFSCIVPIDVIVP（2）三相桥工作在逆变状态向电网输出PAC，DC/DC变换器从超导线圈获得直流功率，DC/DC-B