1、電力電子學電力電子變換和控制技術（第二版）第第 10 10 章章電力電子開關型電力補償、電力電子開關型電力補償、控制器控制器Page 22022年6月26日星期日10 10 電力電子開關型電力補償、控制器電力電子開關型電力補償、控制器10.0 10.0 概述概述10.1 10.1 晶閘管開關型并聯電抗補償控制器晶閘管開關型并聯電抗補償控制器10.2 10.2 晶閘管開關型串聯電抗補償器晶閘管開關型串聯電抗補償器10.3 PWM10.3 PWM開關型并聯無功功率發生器開關型并聯無功功率發生器STATCOMSTATCOM10.4 10.4 諧波電流補償器諧波電流補償器HCCHCC（或并聯型電力有源

2、濾波器（或并聯型電力有源濾波器PAPFPAPF）10.5 10.5 諧波電壓補償器諧波電壓補償器HVCHVC（或串聯型電力有源濾波器（或串聯型電力有源濾波器SAPFSAPF）10.6 PWM10.6 PWM開關型串聯同步電壓補償器開關型串聯同步電壓補償器SSSCSSSC* *10.7 10.7 統一潮流控制器統一潮流控制器UPFCUPFC* *10.8 10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SMESSMES10.9 10.9 小結小結Page 32022年6月26日星期日10.0 概述概述電力半導體開關器件所構成的電力電子開關電路有兩類電力半導體開關器件所構成的電力電子開關電路有兩類應用：

3、應用： 1. 1. 電力電子變換電源。電力電子變換電源。實現電力變換。實現電力變換。 2. 2. 電力電子補償、控制器。電力電子補償、控制器。輸出可控的電壓串聯在線路上，補償控制線路電壓。輸出可控的電壓串聯在線路上，補償控制線路電壓。輸出可控的電流并聯在電網上，補償控制線路電流。輸出可控的電流并聯在電網上，補償控制線路電流。串聯在線路上補償控制線路等效阻抗。串聯在線路上補償控制線路等效阻抗。并聯在電網上補償控制電網等效負載阻抗。并聯在電網上補償控制電網等效負載阻抗。Page 42022年6月26日星期日10.0 概述（續）概述（續）分類：分類： 按電力補償控制器中所用開關器件及其控制方式的不同

4、，按電力補償控制器中所用開關器件及其控制方式的不同，可以分為：可以分為：晶閘管相控型電力補償控制器。晶閘管相控型電力補償控制器。 全控開關器件高頻全控開關器件高頻PWM補償控制器。補償控制器。 優點：優點： 使電力系統的有功、無功功率潮流優化，平衡電力系統的使電力系統的有功、無功功率潮流優化，平衡電力系統的有功、無功功率，抑制功率振蕩，可以改善電力系統的供有功、無功功率，抑制功率振蕩，可以改善電力系統的供電質量和運行特性，可以提高運行的經濟性和可靠性，提電質量和運行特性，可以提高運行的經濟性和可靠性，提高電力設備（發電機、變壓器、輸配電線路）的利用率，高電力設備（發電機、變壓器、輸配電線路）的

5、利用率，減少備用電力設備。減少備用電力設備。Page 52022年6月26日星期日10.1 晶閘管開關型并聯電抗補償控制器晶閘管開關型并聯電抗補償控制器10.1.1 10.1.1 晶閘管投、切并聯電容器晶閘管投、切并聯電容器TSCTSC（Thyristor Thyristor Switched Capacitors)Switched Capacitors)10.1.2 10.1.2 晶閘管相控并聯電抗器晶閘管相控并聯電抗器TCRTCRPage 62022年6月26日星期日10.1.1 晶閘管投、切并聯電容器晶閘管投、切并聯電容器TSC圖10.1 晶閘管投切電容器TSC) 110(2sinsin

6、2/222fVICIIfCVXVIQCC 投、切并聯電容：投、切并聯電容：減少線路及發電機、變壓器無功功率，減少線路及發電機、變壓器無功功率，提高其有功功率極限，減少提高其有功功率極限，減少P，補償感性負載壓降。，補償感性負載壓降。 缺點：只能電壓過零投、切，不能相控。缺點：只能電壓過零投、切，不能相控。Page 72022年6月26日星期日10.1.2 晶閘管相控并聯電抗器晶閘管相控并聯電抗器TCRq 在在t=時開通時開通T1q在在t=+時開通時開通T22222() c o s c o s,( 1 06 ); 2,() 1c o s( 1 07 )mVVittt it iaLL q在在t=時

7、時q在在t=2時時Page 82022年6月26日星期日10.1.2 晶閘管相控并聯電抗器晶閘管相控并聯電抗器TCR （續（續1）q電流電流i(t)負半波：負半波：2222()c o s c o s ( 1 06 ),( 1c o s)( 1 05 )mVVittiLL q作傅立葉分析作傅立葉分析, ,基波有效值基波有效值 21sin22()(10 8)VIL q電感電感L L的等效基波電抗為的等效基波電抗為211(10 10)sin22()VXLI ，i(t)比v落后90，電流為正弦波90;LXL180 ,0LX q電流電流i(t)正半波：正半波：22( )coscos (104)Vi tt

8、LPage 92022年6月26日星期日10.1.2 晶閘管相控并聯電抗器晶閘管相控并聯電抗器TCR （續（續2）q=90時時i(t)為完整的正弦波：為完整的正弦波： =t從從90再提前發觸發脈沖時，由于再提前發觸發脈沖時，由于i(t)還是負值，還是負值，T2仍在導通不能開通仍在導通不能開通T1，待到，待到t= 90時，時，iT2=0才能開通才能開通T1，所以波形與，所以波形與=90相同；相同；調控范圍調控范圍90180 qTSC與與TCR聯合工作，可連續改變等效并聯電抗的大小和聯合工作，可連續改變等效并聯電抗的大小和性質，使無功電流的補償恰如其分。性質，使無功電流的補償恰如其分。Page 1

9、02022年6月26日星期日10.2 晶閘管開關型串聯電抗補償器晶閘管開關型串聯電抗補償器10.2.1 10.2.1 晶閘管控制的串聯電容補償器晶閘管控制的串聯電容補償器TCSCTCSC10.2.2 10.2.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管GTOGTO控制的串聯電容補償器控制的串聯電容補償器GCSCGCSCPage 112022年6月26日星期日10.2.1 晶閘管控制的串聯電容補償器晶閘管控制的串聯電容補償器TCSC矢量圖 q 無無C，A處無負載時處無負載時:121sin(),cos()dLqqLqEIXXEVIXX222222211(cos)sin,dqLqLqEVVEVPV IQV IXX

10、XX2222211(cos)sin,cos()EELqLqEVEEVPPQEIXXXXq 將圖中的一個將圖中的一個1/2Lc改為改為R，即構成同步振蕩阻尼器，即構成同步振蕩阻尼器SSRD1()dLqIXX1()LqI q XX2VEIdIqIPage 122022年6月26日星期日10.2.1 晶閘管控制的串聯電容補償器晶閘管控制的串聯電容補償器TCSC（續（續1）q 為確保發電機擾動狀態運行穩定性，為確保發電機擾動狀態運行穩定性，不宜過大。不宜過大。XL很大很大時，時，P傳輸功率受限，遠小于導線發熱所允許的功率極限傳輸功率受限，遠小于導線發熱所允許的功率極限值，在線路中串入電容，可減小等效線

11、路電抗，提高傳輸值，在線路中串入電容，可減小等效線路電抗，提高傳輸功率。功率。q 固定固定C，相控電抗，相控電抗XL，構成，構成TSCS（Thyristor Controlled Series Capacitor)矢量圖 1()dLqIXX1()LqI q XX2VEIdIqIPage 132022年6月26日星期日10.2.1 晶閘管控制的串聯電容補償器晶閘管控制的串聯電容補償器TCSC（續（續2）q 相控電感相控電感l的等效感抗：的等效感抗：1sin 22cLClVXlI1/CXC1/ABXC lX lLXLX/ 211CLABCCCLCLXXXXXXXXX傳輸功率傳輸功率21sinqLA

12、BE VPXXXq=180時時 ，AB兩點等效容抗兩點等效容抗q=90時時 ，AB兩點等效容抗兩點等效容抗q串聯等效電容串聯等效電容C容抗：容抗：Page 142022年6月26日星期日10.2.1 晶閘管控制的串聯電容補償器晶閘管控制的串聯電容補償器TCSC（續（續3）q在在B點點T1關斷后關斷后+i(t)流過電容流過電容C，使，使vc增大；增大；t 時，時， -i(t)又使又使vc減小為減小為0；q在在D點點T2關斷后關斷后-i(t)流過電容流過電容C，使負，使負vc增大，增大，t 2時，時， +i(t)又使負又使負vc減小為減小為0。 qA點開通點開通T1，B點關斷點關斷T1，則在，則在

13、AB期間期間T1通態短接電容通態短接電容C，vc=0 ；qC點開通點開通T2，D點關斷點關斷T2，則在，則在CD期間期間T2通態短接電容通態短接電容C，vc=0 。Page 152022年6月26日星期日10.2.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管GTO控制的串聯電容補償器控制的串聯電容補償器GCSCq 若若為為 T1的關斷控制角則的關斷控制角則1sin22CIVC1sin221( )CCVXIC 等效基波電容容抗等效基波電容容抗對對vc( (t) )作傅立葉分析，可得作傅立葉分析，可得vc(t)基波電壓有效值基波電壓有效值12( )2 sin(coscos)tcIv tItdttCC在在BCBC期

14、間，期間，12( )2 sin(coscos)tcIv tItdttCC 在在DEDE期間，期間，Page 162022年6月26日星期日10.2.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管GTO控制的串聯電容補償器控制的串聯電容補償器GCSCq 等效基波容抗等效基波容抗CX1/0Cq/2 時，時，()0CXq =時時 ,=180，vc=0，C不起作用不起作用；( /2)1/CXCq =/2時時 =0， C接入線路，接入線路，vc為完整的正弦波；為完整的正弦波；sin 22( )(1012)CIXCPage 172022年6月26日星期日10.2.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管GTO控制的串聯電容補償器控制的

15、串聯電容補償器GCSCq =和和 =/2時時GCSC的的 vc都不會引起諧波電壓。都不會引起諧波電壓。q 采用采用N個個GCSC串聯使用，根據所需的等效補償容抗串聯使用，根據所需的等效補償容抗值，只控制一個值，只控制一個GCSC的的 在在90180 之間變化，之間變化，可以減小可以減小GCSC所引起的諧波電壓所引起的諧波電壓。 Page 182022年6月26日星期日10.3 PWM開關型并聯無功功率發生器開關型并聯無功功率發生器 STATCOM 圖10.5 (a) (b) (c)isVVQIq當當 時，輸出超前無功電流時，輸出超前無功電流 ，從電網吸收滯后無功電流。，從電網吸收滯后無功電流。

16、q三相橋三相橋“逆變器逆變器”輸出三相對稱基波電壓，令其與電網電壓同頻同相，輸出三相對稱基波電壓，令其與電網電壓同頻同相，輸出電流輸出電流iSiSSiLLLV VV VVVIjjjXXXisVVQIq當當 時，輸出滯后無功電流時，輸出滯后無功電流 ，可補償感性負載無功電流；，可補償感性負載無功電流；Page 192022年6月26日星期日10.3 PWM開關型并聯無功功率發生器開關型并聯無功功率發生器 STATCOM（續（續1）圖10.5 (a) (d)sin(10 17)iSSPV VPVIX(cos)(1018)SiSSQVVVQVIX 輸入有功功率輸入有功功率 輸出滯后無功功率輸出滯后無

17、功功率q從電網輸入有功功率從電網輸入有功功率P用于補充變流器功耗使用于補充變流器功耗使VD恒定。恒定。Page 202022年6月26日星期日10.3 PWM開關型并聯無功功率發生器開關型并聯無功功率發生器STATCOM （續（續2）1.電壓電壓VD閉環控制。閉環控制。2.無功功率無功功率Q閉環控制。閉環控制。先進的（或高級的）靜止型無功功率發生器先進的（或高級的）靜止型無功功率發生器ASVG（Advanced Static Var Generator）。也被稱為靜止同步補償器）。也被稱為靜止同步補償器STATCOM（Static Synchronous Compensator），又稱為靜止調

18、相器），又稱為靜止調相器STATCON(Static Condenser)。圖10.5 (a) (e)Page 212022年6月26日星期日實時檢測實時檢測i iA A、i iB B、i iC C，分離出，分離出i ih h、i iL1Q L1Q ，取，取ih、iL1Q為變流為變流器指令輸出電流，控制變流器實際輸出電流，使其跟蹤指令器指令輸出電流，控制變流器實際輸出電流，使其跟蹤指令電流，使電網無諧波電流，甚至沒有無功電流。電流，使電網無諧波電流，甚至沒有無功電流。 10.4 諧波電流補償器諧波電流補償器HCC（或并聯型電力有源濾波器（或并聯型電力有源濾波器PAPF）Page 222022年

19、6月26日星期日10.5 諧波電壓補償器諧波電壓補償器HVC（或串聯型電力有源濾波器（或串聯型電力有源濾波器SAPF）q 非線性負載，或電源非線性負載，或電源vS為非正弦，使重要負載端為非正弦，使重要負載端A、B、C電壓有諧波電壓有諧波vh。hrv*chvv q實時檢測實時檢測A、B、C處的諧波電壓，取變流器的指令輸處的諧波電壓，取變流器的指令輸出電壓，則重要負載出電壓，則重要負載R、S、T處無諧波電壓。處無諧波電壓。Page 232022年6月26日星期日10.6 PWM開關型串聯同步電壓補償器開關型串聯同步電壓補償器SSSC l若若 ，相當于線路上串接了一，相當于線路上串接了一個容抗個容抗

20、K，等效串聯電容補償向電網串聯注入無功功率。，等效串聯電容補償向電網串聯注入無功功率。,/BAABABBAVVVjkI ZVIVIjk BAVVVkIPVI 2. 若若 ，向電網串聯注入有功功率，向電網串聯注入有功功率1V2VV/()LIVjX V3. 若、大小、相位不變，串入則增加線路電流若、大小、相位不變，串入則增加線路電流 改改變大小、相位，可調控線路有功、無功功率潮流。變大小、相位，可調控線路有功、無功功率潮流。1VV4. 若大小、相位不變，串入可改變負載的電壓大小、相位。若大小、相位不變，串入可改變負載的電壓大小、相位。Page 242022年6月26日星期日10.7 統一潮流控制器

21、統一潮流控制器UPFC q I I經經PTPT1 1并聯在電網上，補償電流并聯在電網上，補償電流i ic c；II II經經PTPT2 2，補償電壓，補償電壓VV串接串接在線路上。在線路上。q I I在在逆變狀態逆變狀態向電網送出有功功率時，向電網送出有功功率時，II II則高頻整流從電網吸取則高頻整流從電網吸取有功功率；有功功率；q I I在在高頻整流狀態高頻整流狀態從電網吸取有功功率時，從電網吸取有功功率時， II II則逆變向電網送出則逆變向電網送出有功功率。有功功率。Page 252022年6月26日星期日變流器變流器IIII輸出的串聯補償電壓超前為輸出的串聯補償電壓超前為角；超前為角

22、；超前為+， 串入后，在線路上增加的電流，滯后串入后，在線路上增加的電流，滯后 , ,滯后的相角為滯后的相角為10.7 統一潮流控制器統一潮流控制器UPFC（續（續1）2VVV/LLIV jXj V X I902V90()V1V1VIPage 262022年6月26日星期日10.7 統一潮流控制器統一潮流控制器UPFC（續（續2）2222coscos90()sin()(10 19)PLV VPVIVIVIX2222sinsin90()cos()(1020)QLV VQVIVIVIXPage 272022年6月26日星期日10.7 統一潮流控制器統一潮流控制器UPFC （續（續3）22sin()

23、 ;cos()LLV VV VPQXX12220sinsin();LLVVVVPPPXX222012(cos)cos()LLVV VQQQVVXX1220012sin;(cos)LLVVVPQVVXXPage 282022年6月26日星期日10.7 統一潮流控制器統一潮流控制器UPFC （續（續4）12()sinLVVPX 2212()cosLVQVVVX 18012()sin,LVVPX 2212()cosLVQVVVX 180Page 292022年6月26日星期日10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SMES q 組成組成：1、ACDC雙向三相橋四象限變流器；雙向三相橋四象限變流器；

24、2、二象限、二象限DC/DC變換器變換器; 3、超導線圈。、超導線圈。q 電網負載電網負載發電機功率發電機功率:變流器逆變向電網輸出交流功率變流器逆變向電網輸出交流功率PAC，超導線圈磁能經超導線圈磁能經DC/DC輸出輸出PDC，再經逆變器向電網輸出，再經逆變器向電網輸出PAC。Page 302022年6月26日星期日10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SMES（續（續1）q 電力系統任何時刻電力系統任何時刻 P0， 發電機發電機P 負載負載P。q 儲能類型儲能類型：電池，壓縮空氣，抽水儲能，飛輪慣性儲能。：電池，壓縮空氣，抽水儲能，飛輪慣性儲能。q 優點優點：儲能損耗??；存取效率高；響

25、應快；控制靈活；建造：儲能損耗?。淮嫒⌒矢?；響應快；控制靈活；建造不受地點限制；運行維護簡單；投資不斷下降，經濟效益高。不受地點限制；運行維護簡單；投資不斷下降，經濟效益高。Page 312022年6月26日星期日10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SMES （續（續2）q （1）三相橋高頻整流，從電網輸入）三相橋高頻整流，從電網輸入PAC向向DC/DC變換器輸出變換器輸出ID，Buck型型變換器降壓，在整個開關周期中變換器降壓，在整個開關周期中T8都導通，在開關周期都導通，在開關周期TS的的Ton=DTs期期間，間，T7、T8同時通態；同時通態；vEFVD，在，在Toff=(1-D)

26、Ts期間，期間， T7斷態，斷態， T8仍導仍導通，通，Isc經經T8、D7續流，續流， vEF0，平均值，平均值VEFDVDSCIDV*ACPACP*ACPq起導線圈輸入功率起導線圈輸入功率T7導電占空比導電占空比DTon/Ts=PAC+ / VDISC，檢測、，按指令要求的檢測、，按指令要求的確定確定D，即可使，即可使DDACSCDSCEFSCIVPIDVIVPPage 322022年6月26日星期日（2 2）三相橋工作在逆變狀態向電網輸出）三相橋工作在逆變狀態向電網輸出PACPAC，DC/DCDC/DC變換器從超導線圈獲變換器從超導線圈獲得直流功率，得直流功率，DC/DC-BoostDC

27、/DC-Boost變換，升壓后輸出電壓變換，升壓后輸出電壓VDVD，iDiD、IDID反向，在整個開反向，在整個開關周期關周期TSTS中中T7T7都斷態，在都斷態，在T Ton=Don=DTsTs 期間令期間令T8T8導通，導通，ISCISC經經T8T8、D7D7續流，續流， VEFVEF0 0 ，在，在T Toff=(1-Doff=(1-D)Ts)Ts 期間期間T7T7、 T8T8都處于斷態，都處于斷態， ISCISC經經 D8 D8 、D7D7反送反送回直流母線，回直流母線， VEFVEF VDVD， VEFVEF的直流平均電壓的直流平均電壓10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SME

28、S （續（續3）(1)11(1029)ACFEDDCDSCACDSCPVDVPD VIPDVI (/)onSD TT按指令要求的按指令要求的PAC及檢測到的及檢測到的VD、 ISC即可確定即可確定Page 332022年6月26日星期日 根據交流電網發電機和負載的功率不平衡情況，得到三相橋變換器輸入交流根據交流電網發電機和負載的功率不平衡情況，得到三相橋變換器輸入交流功率的指令值功率的指令值P P* *AC+ AC+ 、Q Q* *AC+ AC+ ，或輸出的交流功率指令值，或輸出的交流功率指令值P P* *AC - AC - 、Q Q* *AC - AC - ，再根據實測的再根據實測的VDVD

29、及及ISCISC即可確定即可確定DC/DCDC/DC變換器的工況及占空比變換器的工況及占空比 D D 或或 D D 。而按。而按 P P* *AC AC 、Q Q* *ACAC及交流電網電壓及交流電網電壓 值即可確定三相橋變換器的指令電壓值即可確定三相橋變換器的指令電壓 ，再由再由 的大小、相位確定開關管的的大小、相位確定開關管的SPWMSPWM控制信號，并使三相變換器交流側電控制信號，并使三相變換器交流側電壓與電源電壓壓與電源電壓 之差產生電流，使之差產生電流，使 。10.8 超導磁體儲能系統超導磁體儲能系統SMES （續（續4）*iV*iVI*,ACACACACPPQQSVPage 342

30、022年6月26日星期日10.9 小結小結 利用電力半導體開關器件可以調控電感、電容、利用電力半導體開關器件可以調控電感、電容、電阻的數值，利用電力電子開關組成的開關型電力電阻的數值，利用電力電子開關組成的開關型電力變換電路可以構成各種類型的電壓、電流補償器和變換電路可以構成各種類型的電壓、電流補償器和控制器?？刂破?。 這些電力補償器和控制器可以改變電網等效負載這些電力補償器和控制器可以改變電網等效負載的感抗、容抗和電壓、電流，可以補償諧波電流和的感抗、容抗和電壓、電流，可以補償諧波電流和諧波電壓，可以調控電網負載的基波電壓的大小和諧波電壓，可以調控電網負載的基波電壓的大小和相位，可以補償線路電抗，可以改變輸電線路的有