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1、三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院第第10章章 电力电子技术应用电力电子技术应用10.1 10.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统10.2 10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统10.3 10.3 不间断电源不间断电源不间断电源不间断电源10.4 10.4 开关电源开关电源开关电源开关电源10.5 10.5 功率因数校正技术功率因数校正技术功率因数校正技术功率因数校正技术10.6 10.6 电力电子技术在电力系统中应用电力电子技术在
2、电力系统中应用电力电子技术在电力系统中应用电力电子技术在电力系统中应用10.7 10.7 电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用 1三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时10.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统2三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1 晶闸管直流
3、电动机系统晶闸管直流电动机系统引言引言晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一。对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。3三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。图10-1 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波
4、形通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图10-1。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR4三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时此时，整流电路直流电压的平衡方程为（10-1）式中，。为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：变压器的电阻压降电枢电阻压降由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。系统的两种工作状态：电流连续工作状态电流断续工作状态5三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能
5、源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时转速与电流的机械特性关系式为1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性在电机学中，已知直流电动机的反电动势为（10-2）可根据整流电路电压平衡方程式（10-112），得（10-3）（10-4）图10-2 三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节 角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2p6三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能
6、源学院10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时2)电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。电动机的实际空载反电动势都是。时为：。主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。当Id减小至某一定值Id min以后，电流变为断续，这个是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。图10-3 电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585U2)(U2)27三峡大学三峡
7、大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性电流断续时电动机机械特性的特点：的特点：图10-4 电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速抬高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。随着a 的增加，进入断续区的电流值加大。断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0OIdminId(0.585 U2)(U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E图10-5 考虑电流断续时不同a 时反电动势的特性曲线 1 a 2 a 3 a 460 8三峡大学三峡大学
8、三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性电流连续时的机械特性由决定的。逆变时由于，反接，得因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式（10-5)（10-6)图10-6 电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向9三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气
9、与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时2)电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入式（10-7）、式（10-8）和式（10-9），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：(10-7)(10-8)(10-9)10三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图10-7 电动机在四象限中的机械特性理想空载转速
10、上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角变化时，机械特性得变化。第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向11三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图1
11、0-8 两组变流器的反并联可逆线路图10-53a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况12三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统两套变流装置反并联两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：环流环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流
12、和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。13三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。电动机反向过程分析电动机反向过程分析：=b=b配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=b b 的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有a P=b=b N N，Uda aP=Udb bN，且极性相抵，两组变流器之间
13、没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。14三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统逻辑无环流可逆系统逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。两组桥之间的切换两组桥之间的切换过程：首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制
14、，称为逻辑控制无环流逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。15三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2 变频器和交流调速系统定义定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器16三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学
15、院10.2.1交直交变频电路当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路具有再再生生反反馈馈电电力力的能力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路又名交直交变频电路交直交变频电路。不能再生反馈电力不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，称为泵升电压泵升电压。1）电压型间接交流 变流电路图10-7 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路17三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院1
16、0.2.1交直交变频电路使电路具备再生反馈电力再生反馈电力的能力的方法：带有泵升电压限制电路泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路。当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。图108 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路利用可控变流器实现再生反馈可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路。当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。图109 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路18三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.1交直交变频电路整流和逆变均为整
17、流和逆变均为PWM控制控制的电压型间接交流变流电路。整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。图810 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路19三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.1交直交变频电路2）电流型间接交流变流电路整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。图10-不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路图10-11 采用可控整流的电流型间接交流变流电路为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：整
18、流电路采用晶闸管可控整流电路。负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。20三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.1交直交变频电路整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦并使输入功率因数为1。图10-13 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路图10-12 电流型交-直-交PWM变频电路实现再生反馈的电路图负载为三相异步电动机，适用于较大容量的场合。21三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能
19、源学院10.2.1交直交变频电路晶闸管直流直流电动机传动系统存在一些固有的缺点缺点：(1)受使用环境条件制约；(2)需要定期维护；(3)最高速度和容量受限制等。交流交流调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外还具有：(1)交流电动机结构简单，可靠性高；(2)节能；(3)高精度，快速响应等优点。22三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交流调速传动应用
20、最多的一种方式。笼型异步电动机的定子频率控制方式有：(1)恒压频比(U/f)控制；(2)转差频率控制；(3)矢量控制；(4)直接转矩控制等。23三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式1）恒压频比控制为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大,引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系
21、统的静、动态性能要求不高的场合。24三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式转速给定既作为调节加减速的频率f 指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U U1 1的指令值。该比例决定了U/U/f f比值，可以保证压频比为恒定。在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图25三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新
22、能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图26三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动
23、机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式2）转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因此，控制ws就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率w 1=wr+ws，则w 1随实际转速wr增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态性能。27三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式3）矢量控制异步电动机的数学模型是高阶、非
24、线性、强耦合的多变量系统。传统设计方法无法达到理想的动态性能。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。28三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.2.2 交流电动机变频调速控制方式交流电动机变频调速控制方式4）直接转矩控制直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰控制，可以得到转
25、矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。29三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.3 不间断电源CVCF电源主要用作不间断电源(UPS)。UPS-Uninterruptible Power SuppliesUPS是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。30三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.3 不间断电源1）UPS基本工作原理工作
26、原理:图10-15 UPS基本结构原理图市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容量的大小。31三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.3 不间断电源图10-17 具有旁路电源系统的UPS 增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。图10-16 用柴油发电
27、机作为后备电源的UPS为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。32三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.3 不间断电源2）UPS主电路结构图10-18 小容量UPS主电路 小容量的UPS，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器(PFC)，可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。图10-19 大功率UPS主电路 大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。33三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学
28、院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.4 开关电源开关电源如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，通常被称为开关电源。由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。34三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.5 功率因数校正技术功率因数校正技术35三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6 电力电子技术在电力系统中应用
29、电力电子技术在电力系统中应用10.6.1电力电子技术在电力系统中应用36三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电HVDC系统的主要元件如图所示，以双极系统为例，其它结构的元件与该图所示基本类同。37三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电38三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院晶闸管换流阀晶闸管换流阀39三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学
30、院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院并联电容器组并联电容器组40三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电）换流器它们完成交直流和直一交流转换，由阀桥和有抽头切换器的变压器构成。41三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电）直流平波电抗器这些大电抗器具有高达1H的电感，在每个换流站与每极串联。42三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.
31、6.1 高压直流输电高压直流输电）谐波滤波器换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流。43三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电）无功功率支持换流器内部要吸收无功功率，稳态条件下，所消耗的无功功率是传输功率的50左右。44三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电）接地极45三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流
32、输电）直流输电线可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间距的要求有差异外，直流线路与交流线路十分相似。46三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电）交流断路器为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器，它们不是用来排除直流故障的，因为直流故障可以通过换流器的控制更快地清除。47三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1 高压直流输电高压直流输电直流系统的电流和功率48三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与
33、新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1.1 直流输电系统的分类直流输电系统的分类 由于目前各种类型的直流断路器都还处于研制阶段，致使直流输电系统还不能像交流系统一样构成各种复杂的网络，目前直流输电大多是两端供电系统。该系统常见的接线类型有：49三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1.1 直流输电系统的分类直流输电系统的分类）单极线路方式是用一根架空导线或电缆线，以大地或海水作为返回线路组成的直流输电系统50三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6
34、.1.1 直流输电系统的分类直流输电系统的分类2)双极线路方式双极线路方式有两根不同极性（即正、负极）的导线，可具有大地回路或中性线回路。双极两线中性点两端接地方式双极两线中性点单端接地方式51三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1.1 直流输电系统的分类直流输电系统的分类双极中性线方式将双极两端的中性点用导线连接起来，就构成双极中性线方式。这种方式由于增加了一根导线在经济上将增加一定的投资52三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.1.1 直流输电系统的分类
35、直流输电系统的分类D“背靠背”(back-to-back）换流方式没有直流输电线路，而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为“背靠背”换流站。这种方式适用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统之间的互联。因为没有直流输电线路，所以直流系统可选用较低的额定电压。这样，整个直流系统的绝缘费用可降低。目前世界各国已修建和准备投建的“背靠背”直流工程较多，其主要用途是系统的增容时限制短路容量，从而不致更换大量的电气设备。53三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院54三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气
36、与新能源学院电气与新能源学院10.6.2 无功功率控制无功功率控制55三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院什么叫无功？什么叫无功？电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有的电网容量叫无功，无功功率的电网容量叫无功，无功功率 表达式如下：表达式如下：式中无功量式中无功量 的单位为的单位为Var（乏），线电压的单（乏），线电压的单位为位为V（伏），视在电流（伏），视在电流I单位为单位为A（安）。（安）。1
37、0.6.2 无功功率控制无功功率控制56三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院无功及分类无功及分类 1 1、感性无功：感性无功：感性无功：感性无功：电流矢量滞后电压矢量电流矢量滞后电压矢量9090度，度，如：电动机、变压器线圈、晶闸管变流设备等；如：电动机、变压器线圈、晶闸管变流设备等；2 2、容性无功：容性无功：容性无功：容性无功：电流矢量超前电压矢量电流矢量超前电压矢量9090度，度，如：电容器、电缆输配电线路、电力电子超前控制如：电容器、电缆输配电线路、电力电子超前控制设备等；设备等；3 3、基波无功：基波无功：与电源频率相等的无
38、功；与电源频率相等的无功；4 4、谐波无功：谐波无功：谐波无功：谐波无功：与电源频率不相等的无功与电源频率不相等的无功。10.6.2 无功功率控制无功功率控制57三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院什么是无功补偿？无功补偿：无功补偿：无功补偿：无功补偿：指根据电网中的无功类型，人为地补偿容指根据电网中的无功类型，人为地补偿容性无功或感性无功来抵消线路中的无功功率。性无功或感性无功来抵消线路中的无功功率。无功功率有那些危害：无功功率有那些危害：无功功率有那些危害：无功功率有那些危害：无功功率不做功，但占用电网容量和导线截无功功率不做功，
39、但占用电网容量和导线截面积，造成线路压降增大，使供配面积，造成线路压降增大，使供配电设备过载，电设备过载，谐波无功使电网受到污染，甚至会引起电网振荡谐波无功使电网受到污染，甚至会引起电网振荡颠覆。颠覆。10.6.2 无功功率控制无功功率控制58三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.2 无功功率控制无功功率控制为什么要进行无功功率补偿为什么要进行无功功率补偿 是为了减小供配电线路中往复交换的无是为了减小供配电线路中往复交换的无功功率，提高供配电线路的利用率。功功率，提高供配电线路的利用率。59三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气
40、与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院6-601)晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）图10-35 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图10.6.2 无功功率控制无功功率控制作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。60三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院6-61晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和
41、电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图图10-36 TSC10-36 TSC理想投切时刻原理说明理想投切时刻原理说明10.6.2 无功功率控制无功功率控制61三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院6-62TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式10.6.2 无功功率控制无功功率控制由于二极管的作用
42、，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图图10-37 TSC10-37 TSC理想投切时刻原理说明理想投切时刻原理说明62三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院6-632)晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）图图10-38 10-38 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)(TCR)电路电路10.6.2 无功功率控制无功功率控制a 移相范围
43、为90 180。控制a 角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。63三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.6.2 无功功率控制无功功率控制2)静止无功补偿器（SVG）SVCSVC由静电电容器与由静电电容器与电抗器并联组成电抗器并联组成饱和电抗器型SR晶闸管控制电抗器型(TCR)晶闸管开关电容器型(TSC)TCR和TSC组合型64三峡大学三峡
44、大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院n先进的静止型无功补偿装置先进的静止型无功补偿装置(SVG(SVG）n与与SVCSVC比较，比较，SVGSVG具有相应快、运行范围宽、谐波具有相应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流注入较大的无功电流10.6.2 无功功率控制无功功率控制65三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院工业电网向非线性负载供电，不仅可以产生基波无功电流，还产生与电网频率的整倍数的谐波无功电
45、流。谐波电流的危害有以下几个方面：谐波电流在变压器磁路中产生附加高频涡流铁损，使变压器过热，降低了变压器的功率。谐波电流趋肤效应是导线等效截面变小，增加线路损耗。谐波电流使供电电压产生畸形，影响电网上其他各种电器设备的正常工作，导致自动装置的误动作，仪表计量不准确。谐波电流对临近通讯系统产生干扰。谐波电流通过一般补偿电容器产生谐波放大，造成点容器使用寿命缩短，甚至损坏。谐波电流会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，造成严重事故。10.6.3 电力系统谐波抑制电力系统谐波抑制66三峡大学三峡大学三峡大学三峡大学电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院电气与新能源学院10.7 电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用67