柔性電力技術

—電力電子技術在電力系統中的應用參考教材：《柔性電力技術》，韓民曉等編著，中國水利水電出版社課程內容第一章電力系統的柔性化技術第二章電力變換電路與控制第三章發電領域的電力電子技術第四章直流輸電技術第五章輸電系統柔性串并聯補償第六章電能質量監測與控制第一章電力系統的柔性化技術第一節：電力系統特點以及柔性化的必要性1柔性電力技術的定義：柔性和非柔性基于電力電子技術在電能的產生，輸送與應用各個環節對電能的質量和形態進行快速、精確控制的技術。柔性電力技術實施的核心是電力電子技術。 提出者：美國電力科學研究院的學者NarainHingorani2電力系統的目標

(1)可控性好，形式多樣的發電系統。

(2)潮流可控，安全穩定的輸電系統。

(3)模式多樣、質量可控的配電系統。

(4)調節性好、高效節能的用電系統。3傳統電力系統的構成與特點電力系統是為電能的產生、輸送、分配與應用而構建成的人工系統。依據電能的流程可劃分為發電、輸電、變電、配電和用電五個組成部分。傳統電力系統的構成主要包括：發電機、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實現電能轉換的用電設備及保護與控制設備。

單機無窮大系統,以空載電動勢和同步電抗表示的功角關系:變壓器的有載調壓開關可具有調節高壓線路無功潮流的作用。(3）架空輸電線路

4個參數：由導體電阻率引起的串聯電阻R，由相與地之間漏電流引起的并聯電導G，由導體周圍磁場引起的串聯電感L，由導體之間的電場引起的并聯電容C。線路的功率傳輸特性（只考慮在功率傳輸分析中起主導作用的電感參數）

缺點：改變潮流的局限性(4)負荷

電壓、頻率調節特性較差，即負荷從系統取用的功率隨系統電壓、頻率的波動而發生變化.

這對于電力系統的穩定運行往往是有利的，但對用電設備的穩定運行則是不利的。

(5)傳統電力系統在可控特性方面的主要特點：電能不平衡影響系統運行的穩定性。各發電機組間必須嚴格保持同步。電力系統網絡中的潮流只能由系統阻抗決定供電模式單一。電能質量控制主要以靜態調節為主。用電負荷電能利用調節性能較差，電能利用率較低。1.2

柔性電力技術的概念、分類和應用示例1、發電領域中的柔性化技術1）可變速抽水儲能技術

(ASPS，AdjustableSpeedPumpstorage)2）風力發電中的雙饋感應發電技術

(DFIG，DoubleFeedInductionGenerator)3）太陽能發電中的功率調節技術

(PC，PowerConditioning)4）靜止勵磁系統

(SE，StaticExciting)5)新的發電方式2、輸電環節的柔性化技術1）高壓直流輸電(HVDC，HighVoltageDC)2）靜止無功補償（SVC，StaticVarCompensator）3）靜止同步補償（STATCOM，StaticSynchronousCompensator）4）靜止無功發生器（SVG，StaticVarGenerator)

5）可控串聯補償設備(TCSC，ThyristorControlledSeriesCompensator)6）統一潮流控制器（UPFC，UniformPowerFlowController)7）大容量超導儲能系統（SEMS，Super-ConductingMagneticEnergyStorage)8)靜止同步串聯補償器(SSSC，StaticSynchronousSeriesCompensator)3、配電網中的柔性化技術。1）配網靜止無功補償器

(D-SVC，DistributionStaticVarCompensator)2)配網靜止無功補償發生器

(D-SVG，DistributionStaticVarGenerator)。3）有源電力濾波器(APF，ActivePowerFilter)4）固態斷路器(SCB，Solid-stateCircuitBreaker)5）輕型直流輸電.(HVDC-Light)。動態電壓調節器(DVR，DynamicVoltageRegulator)

配電系統用超導儲能(D-SMESDistribution-SMES)不間斷電源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)

統一電能質量調節器(UPQC，UniformPowerQualityController)(4)用電設備的柔性化技術。1)電動機的變頻調速

(VFD，VariableFrequencyDrive)2)中頻感應加熱

(MFIH，MediumFrequencyInductionHeating)3)電力電子鎮流器

(EB，ElectronicBallast)

4）開關電源

(SMPS，SwitchModePowersupplies)1、按控制方式分類：(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件

(1)功率二極管1.3

電力電子器件的基本特性與發展(2)晶閘管(3)光觸發晶閘管(LTT，Light-triggeredThyristor)。優勢：1)LTT不需要高電位邏輯電路和BOD保護觸發電路,因此采用LTT的SVC閥塔的元器件數量將減少近7000個,故障率將下降,可靠性將提高。2)LTT無須輔助電源,所以交流系統電壓降和外部故障(如直流陷落)對LTT的影響很小。3)與晶閘管等電位的門極驅動單元取消后,模塊接線被簡化,局部放電和電磁干擾的可能性大為降低,設備投運后維護工作發生意外故障的可能性大為降低,LTT晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4)閥塔無須預充電即可啟動。缺點：LTT需很高的光靈敏度，以適應遠距離控制和長壽命發光管的實際要求。(4)門極可關斷晶閘管(GTO)

GTO是目前阻斷電壓最高和通態電流最大的全控型器件。 既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優點，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。 缺點是驅動電路復雜并且驅動功率大，導致關斷時間長，限制了器件的開關頻率；關斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復雜的緩沖電路

GTO主要應用在中、大功率場合。(5)功率場效應管（PowerMOSFET）

功率場效應管屬于電壓控制型器件 優點： 驅動電路簡單，需要的驅動功率小；開關速度快，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上。熱穩定性優于GTO。 缺點： 電流容量小，耐壓低，通態壓降大，一般只適用于功率不超過10kW的場合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

(6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關速度快的優點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。 柵極為電壓驅動，所需驅動功率小，開關損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內阻大，通態電壓高，導致導通損耗大；在應用于高（中）壓領域時，通常須多個串聯。

TC3300型IGBT變流器IGBT的導通電納比MOSFET小的多IGBT導通損耗比MOSFET小(7)集成門極換流晶閘管(IGCT)

(IntegratedGateCommutatedThyristor)

IGCT是在克服GTO關斷能力差，重復關斷較大電流時容易產生局部過熱損壞等缺陷而發展起來的。4500v/1100AIGCT組件

4500v/4000a不對稱型igct組件

IGCT是在GTO的基礎上發展起來的新型復合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關器件。 與MOSFET相比，IGCT通態電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態電壓和開關損耗進一步降低，同時使觸發電流和通態時所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統的開關速度。

電力電子技術的應用領域

變送領域

產業、交通領域

GTO

IGBT

MOSFET

晶閘管

100M

10M

1M

100k

10k

1k

100

10

100

1k

10k

100k

1M

控制容量（VA）

工作頻率（Hz）

信息處理領域

010203040功率容量MVA1990198019702000年晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)HVIGBT4.5KV0.9KA1.4

儲能技術的現狀與發展1、水電站的開發方式一、壩式水電站

特點：水頭取決于壩高。引用流量較大等

1．河床式電站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：8~10米以下。2．壩后式水電站(powerstaionatdamtoe)當水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大，調節性能好。二、引水式水電站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩)取水，通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再經壓力管道引水到水輪機進行發電特點：(1)

水頭相對較高，目前最大水頭已達2000米以上。(2)引用流量較小，沒有水庫調節徑流，水量利用率較低，綜合利用價值較差。(3)電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程量較小，單位造價較低。類型：(1)無壓引水式(freeflow)：引水道是無壓的(如明渠)(2)有壓引水式(pressureflow)：引水道是有壓的(壓力隧洞)三、混合式水電站(mixedpowerplant)在一個河段上，同時采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發方式稱為混合式開發。壩集中一部分落差后，再通過有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差，形成了電站的總水頭。這種開發方式的水電站稱為混合式水電站。適用于上游有優良壩址，適宜建庫，而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉彎。同時兼有壩式和引水式水電站的優點。在工程實踐中多稱為引水式，很少用混合式水電站這個名稱。 1、抽水蓄能技術： 利用電能與水力勢能相互轉換的蓄能技術，是目前國內外各電力公司采用的一項大規模實用技術。抽水蓄能：系統負荷低時，利用系統多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水泵)，以水的勢能形式貯存起來；放水發電：系統負荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發電機組(水輪機+發電機)發電，以補充系統中電能的不足。

抽水蓄能的效率還較低，采用可變速技術后效率也只能達到75%左右。

四、抽水蓄能電站(pumpedstoragepowerstation)抽水蓄能電站結構示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖電站安裝常規水電機組1×150MW，抽水蓄能機組3×90MW，下池閘小電站安裝2×5MW水電機組。常規機組于1981年并網發電，首臺蓄能機組于1991年7月投入試運行，1992年12月全部機組投入運行。我國第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動發電機采用可變極（42極、48極）雙速電機，在泵工況低水頭（小于45m）運用時由60MW變頻器驅動實現無極變頻變速運行，是當時國內最大的靜止變頻器。

潘家口抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站上水庫的資料照片1994年3月12日，中國建設的第一座大型抽水蓄能電站――廣州抽水蓄能電站一期工程完工，四臺機組全部投產。它也是當時世界規模最大的抽水蓄能電站。電站總裝機容量240萬千瓦，裝備8臺30萬千瓦具有水泵和發電雙向調節能力的機組。二期工程2000年全部投產。電站以500kV出線接入廣東電網，一期出線兩回，二期出線三回，其中一回作兩期聯絡，對外共三回出線納入電網，負責廣東、香港兩地電網的填谷、調峰、調頻、調相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產的嶺澳核電站的安全、經濟運行。泰安抽水蓄能電站，位于山東省泰安市西郊，大河水庫北邊的山上。工程建設4×250兆瓦可逆式發電機組，于2006年12月30日竣工。機組投產后，對促進泰安地方經濟發展，改善山東電網布局，提高電網運行水平都有重要意義。

五、

潮汐電站(tidalenergypowerstation)潮汐：潮汐現象是海水因受日月引力而產生的周期性升降運動，即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊藏量約為27億kW，若全部轉換成電能，每年發電量大約為1.2萬億kW.h。潮汐發電與原理：利用潮水漲、落產生的水位差所具有勢能來發電的，也就是把海水漲、落潮的能量變為機械能，再把機械能轉變為電能（發電）的過程。2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗電站發電機房

全國大中型水電站分布圖長江流域大中型水電站分布圖2、飛輪蓄能

原理：利用旋轉物體所具有的動能存儲能量。平均效率在85％以上150WH飛輪電池的照片1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質量為11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米／秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2～5小時。目前正在開發儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設計了一個引發可控熱核聚變的裝置。該裝置的飛輪直徑達6.45米，高1米，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100千米／小時的速度行駛時所具有的能量相當。故將這些能量在極短時間釋放出來足以引發核聚變。1992年美國飛輪系統公司（AFS）開發了汽車用機-電電池（EMB），每個質量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉／分旋轉的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發動機的10倍，它可將該車在8秒鐘內由靜止加速至100千米／小時。

軌道交通儲能：應用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲能系統作為蓄能系統飛輪儲能系統在風力發電系統的應用核聚變試驗裝置電源用飛輪儲能系統

飛輪儲能系統在小型太陽能發電系統中的應用3、電池蓄能技術電池蓄能技術是將電能轉化為化學能存儲、使用時再將化學能轉化為電能的蓄能技術。這種電池可以實現電能與化學能的多次反復轉化，有別于只一次性實現從化學能到電能轉化的一次電池(不可充電電池)，用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)。由于直接轉化為化學能的電能只能是直流形式，因而交直流變換器是這種蓄能系統的重要組成部分。電池組合方式與系統的連接特點：(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暫態特性好，負荷追隨性能強。(4)有利于系統的穩定可靠供電。(5)系統較為復雜。(6)使都市設施安全管理復雜化。種類：鉛酸電池NaS電池鋅-氯電池鋅溴電池RF(Redoxflow)4、超導蓄能技術

超導蓄能(SMES：Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用電流在處于超導狀態的線圈中流通，以磁場形式存儲電能的方式。

超導線圈儲能(SMES)的原理

1908年，荷蘭物理學家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K的低溫源，為超導發現準備了條件。三年后即1911年，在測試純金屬電阻率的低溫特性時，昂納斯又發現，汞的直流電阻在4.2K時突然消失，多次精密測量表明，汞柱兩端壓降為零，他認為這時汞進入了一種以零阻值為特征的新物態，并稱為“超導態”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發現。但此時他還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。超導的發現1.4.4能量控制型并聯補償1.4.4.1超導磁體儲能系統SMES1、SMES概述

1911年，荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98°C(4.2K)時，汞的電阻突然消失；后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導態。卡茂林由于他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

荷蘭物理學家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發現超導現象象1913年獲諾貝爾物理學獎．金屬Hg電阻隨溫度變化規律

如圖所示橫坐標表示溫度，縱坐標表示在該溫度下汞的電阻與0℃時汞的電阻之比：R/R0

R0：

T=273K的電阻超導體的分類

在常壓下具有超導電性的元素有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示）

重要物理參數

臨界溫度(Tc):

超導體電阻突然變為零的溫度臨界電流(Ic):超導體無阻載流的能力是有限的，當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出現電阻，使其產生這一相變的電流稱為臨界電流

臨界磁場(Hc):逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態變為正常態，把破壞超導電性所需的最小磁場三、超導體的物理特性

(1)零電阻現象(ZeroResistance)T>Tc在超導環上加磁場

(b)T<Tc圓環轉變為超導態(c)突然撤去外磁場，超導環中產生持續電流

(2)邁斯納效應邁斯納效應又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發現，超導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態N表示正常態三、超導體的物理特性

在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。邁納斯效應的磁懸浮試驗這種情況就象是在超導盤下方，有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。根據這種原理，可以利用超導體做成無摩擦軸承、高精度的導航用超導陀螺儀以及磁懸浮列車等。

1986年4月，喬治·柏諾茲(J.GeorgBednorz，1950－，瑞士)和卡爾·繆勒(KarlA.Muller，1927－，德國)向德國《物理雜志》提交了題為“Ba－La－Cu－O系統中可能的高Tc超導電性”的論文。后來，日本東京大學的幾位學者根據他們的配方復制了類似的樣品，證實鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。

柏諾茲和繆勒的發現使人類從基本探索和認識超導電性跨越到超導技術開發時代。

柏諾茲和繆勒因發現鋇鑭銅氧系統中的高Tc超導電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學獎。高溫超導

把1986年4月以后發現的較高溫度下的超導體稱為高溫超導。高溫超導材料都是陶瓷一類氧化物，其超導機理與低溫下的金屬或合金超導有很大不同。

1987年2月24日中國科學院宣布，趙忠賢領導的科研組已將釔鋇銅氧

(Y－Ba－Cu－O)材料的Tc提高到了92.8

K以上，從而實現了轉變溫度在液氮溫區的突破。液氮的沸點為77.3K，價格比液氦便宜100

倍，冷卻效率高63

倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴展了超導的應用前景。五、超導技術的應用

（1）在電力工程方面的應用

圖1超導導線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)

超導輸電在原理上可以做到沒有焦耳熱的損耗，因而可節省大量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈用于發電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導致電工領域的重大變革.熱絕緣超導電纜的基本結構，從內到外依次為：管狀支撐物（一般為波紋管，內通液氮）；超導導體層（超導帶材分層繞制）；熱絕緣層（真空隔熱套件）；常規電氣絕緣層（工作在常溫下）；電纜屏蔽層和護層（與常規電力電纜類似）。超導儲能裝置

超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其它負載的一種電力設施。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統幾個部件組成。其中超導線圈是超導儲能裝置的核心部件，它可以是一個螺旋管線圈或是環形線圈

超導發電機

在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯，并且幾乎沒有能量損失，這種發電機便是交流超導發電機。超導發電機的單機發電容量比常規發電機提高5～10倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發電效率提高50％

超導限流器

超導限流器是利用超導體的超導/正常態轉變特性，有效限制電力系統故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。超導限流器集檢測、觸發和限流于一體，反應速度快，正常運行時的損耗很低，能自動復位，克服了常規熔斷器只能使用一次的缺點。高溫超導飛輪儲能器

25kJ超導儲能用磁體日本超導磁懸浮列車MAGLEV

高溫超導磁懸浮實驗車“世紀號”

（2）超導技術在交通運輸方面的應用（3）超導技術在電子工程方面的應用

用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預報

超導量子干涉儀

超導數字電路

超導數字電路利用約瑟夫森結在零電壓態和能隙電壓態之間的快速轉換來實現二元信息。應用約瑟夫森效應的器件可以制成開關元件，其開關速度可達10-11秒左右的數量級，比半導體集成電路快100倍，但功耗卻要低1000倍左右，為制造亞納秒電子計算機提供了一個途徑5、超級電容蓄能技術

一個完整的超級電容器包含雙電極、電解質、集流體、隔離物四個部件。

超級電容的機構及等值電路超級電容器的靜電容量取決于單個分極的容量及分極的總面積。為增大總面積，通常用粉末狀活性炭制成分極。

根據儲能機理,可以將超級電容器分為雙電層電容器和法拉第準電容器兩大類。

雙電層電容原理圖超級電容器具有廣泛的用途。它與蓄電池組成的混合動力系統可用來滿足汽車在加速、啟動、爬坡時的高功率要求，以保護蓄電池系統，并且在汽車緊急剎車是可以瞬間回收能量，從而減少能源浪費，節省能源。超級電容器也用于其它系統中，如用作燃料電池的啟動動力、作移動通訊和計算機的備用電源等。電容車在一個站點充電30秒至1分鐘后，空調車可以連續運行3公里，不開空調則可以堅持行駛5公里，最高時速可達44公里。

風電變槳用超級電容器超級電容優勢：1.具有法拉級的超大電容量，這比普通電容要大得多。2.可以瞬間釋放的功率比普通電池高近十倍，而且不會損壞。3.充放電循環壽命在十萬次以上，傳統電池只能充放數百次。4.能在-40度至60度的環境溫度中正常使用，傳統電池低溫下效能將會大大降低。5.有超強的荷電保持能力，漏電量非常小，傳統電池要經常充電。6.充電迅速，它的速度比普通電池快幾十倍，幾分鐘就可充滿一輛汽車所需要的電量。7.本身不會對環境造成污染，真正免維護，而傳統電池仍是有污染。缺點：一是它的體積比較大，與體積相當的電池相比，它的儲電量要小。二是即使達到法拉級的電量，但與傳統電池相比，仍然少得可憐，按目前的技術，它仍然不能作為電動力的主要儲電器，因為它的電量只能驅動車輛行駛幾公里。1.5

信息處理與控制技術的發展與應用

柔性電力技術中的信息處理與控制有兩層含義： 一是理論與算法，

包括信息的監測內容、監測方法、開環或閉環控制算法、脈沖產生與合成方法等；

二是實現這些理論與算法的硬件平臺。

簡單系統可能只需一些邏輯電路，復雜系統可能會需要監測算法實現、控制功能實現、觸發邏輯形成、人機界面等各個環節。

1、現場可編程門陣列

(FPGA，FieldProgrammableGateArray)

復雜可編程邏輯器件

(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)2、數字信號處理技術

(DSP—DigitalSignalProcessing)

3、工業個人計算機技術

(IPC，IndustrialPersonalComputer)

第2章電力變換電路與控制 電力變換通常由電力電子電路實現，可分為四大類:交流變直流 AC/DC直流變直流 DC/DC直流變交流 DC/AC交流變交流 AC/AC本章重點：四類變換的典型電路及其控制方法單相半波可控整流電路及波形帶阻感負載的單相半波可控整流電路及波形比帶電阻負載時平均值減小

2.1交流-直流變換電路2.1.1單相可控整流電路單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的電路及波形

當負載為蓄電池、直流電動機的電樞2.1.1單相可控整流電路三相橋式全控整流電路原理圖

三相橋式全控整流電路帶阻感負載α=0時的波形

為變壓器二次側線電壓的有效值

開關導通情況依次為：2.1.2三相可控整流電路VT1-VT6、VT1-VT2、VT2-VT3、VT3-VT4、VT4-VT5、VT5-VT6與此相對應的直流側電壓：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb2.1.2三相可控整流電路三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態時的電壓波形2.1.3三相橋有源逆變工作狀態2.1.3三相橋有源逆變工作狀態2.1.4整流電路的功率因數和諧波2.1.4整流電路的功率因數和諧波通常電力系統中裝設的并聯補償電容器，可對相移功率因數DPF進行校正，但畸變所引起的功率因數降低則只能通過減小諧波含有率得到改善。(2)三相橋式全控整流電路2.1.4整流電路的功率因數和諧波2.1.5交流電感對換相的影響由于換相的影響，交流側電流波形將發生變化，這會對功率因數以及注入交流系統的諧波電流產生影響。2.1.5交流電感對換相的影響2.1.5交流電感對換相的影響變壓器接線方式不同時電網側電流波形將上述兩組不同的變壓器組合起來，其電網側的總電流中將不再含有5、7、17、19等次數的諧波，而只含有12k±1次的特征諧波，即為12脈動整流，如圖(c)所示，2.1.6雙三相橋式整流電路將一種幅值直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的可控直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。由于這類變換的基本原理是利用開關器件對輸入電壓波形周期性地“斬切”，因此也常稱為斬波器。主要內容：降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器升降壓(Buck-Boost)變換器全橋直-直變換器

2.2直流-直流變換電路降壓變換器電路原理圖連續電流下對應的波形1)連續電流工作方式

2.2.1降壓型變換器2.2.1降壓型變換器2)電流臨界連續工作方式3)間斷電流方式。

由于應用場合不同，降壓變換器有兩種工作方式：

①輸入電壓不變的間斷電流工作方式

當降壓變換器應用于直流電機調速時，輸入電壓保持不變，而輸出電壓通過調節占空比來控制。

②輸出電壓不變的間斷電流工作方式

在許多應用場合，如直流開關電源，則需要保持輸出電壓不變，而輸入電壓由于電網的波動會有所變化，通過調節占空比保持輸出電壓。4)通過選擇合適的低通濾波器截止頻率，使得，可大大減少輸出電壓紋波。

2.2.1降壓型變換器 升壓變換器電路結構如圖所示，它主要用于直流穩壓電源和直流電機的再生制動。

升壓變換器電路原理2.2.2升壓型變換器 主要應用于要求相對輸入電壓的公共端為負極性、輸出電壓可高于或低于輸入電壓的直流穩壓電源

2.2.3升降壓型變換器升降壓變換器電路原理2.2.3升降壓型變換器上圖為全橋開關型變換器電路圖，主要應用于：(1)直-直(幅值極性)變換，用于直流電機的驅動。(2)直-交(正弦波形)變換，用于單相交流不間斷電源。(3)直-交(中高頻率)變換，用于變壓器隔離式直流開關電源等。全橋直一直換流器電路2.2.4全橋直-直變換器單極性電壓開關脈寬調制方式雙極性電壓開關脈寬調制方式2.2.4全橋直-直變換器2.3直流一交流變換電路電壓源逆變器電流源逆變器思考：逆變；有源逆變；無源逆變。四象限工作情況反并聯二極管

逆變器輸出瞬時電壓和電流曲線2.3直流一交流變換電路無論逆變器輸出是方波還是正弦波，在負載為感性或容性負載時，其輸出電壓滯后或超前電流。因此，在任意時刻（除阻性負載）其輸出功率的瞬時值有正有負。正的輸出功率表明逆變器輸出功率，即能量從逆變器輸入向負載傳輸；負的輸出功率表明逆變器工作于整流狀態，從負載向逆變器反饋能量。因此逆變器必須能夠工作在四個象限才能適應各種不同的負載情況。在第一象限，逆變器輸出電壓和電流均為正，逆變器輸出能量；在第三象限，逆變器輸出電壓和電流均為負，逆變器輸出能量；即在一、三象限，逆變器工作在逆變狀態。在第二象限，逆變器輸出電壓為負，電流為正，逆變器從負載向逆變器反饋能量；在第四象限，逆變器輸出電壓為正，電流為負，逆變器從負載向逆變器反饋能量。即在二、四象限，逆變器工作在整流狀態。為了使逆變器能夠在四個象限工作，功率開關管反并聯一個二極管即可實現。2.3直流一交流變換電路逆變器波形指標1）諧波因子（HarmonicFactor） 第n次諧波因子HFn定義為第n次諧波分量有效值同基波分量有效之值比，即

2）總諧波（畸變）因子THD(Totalharmonicdistortionfactor)

該參數表征了一個實際波形同基波分量的接近程度。輸出為理想正弦波的THD為零。3）畸變因子（Distortionfactor） 總諧波因子指示了總的諧波合量，但它并不能告訴我們每一個諧波分量的影響程度，畸變因子定義：

對于第n次諧波的畸變因子定義如下：2.3直流一交流變換電路逆變器單相逆變三相逆變方波脈寬調制方波脈寬調制單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形1、電路結構及原理1）單相半橋電壓型逆變電路

單相全橋逆變電路下圖所示，有四個功率管、四個反并聯二極管組成，其控制方式有雙極性控制、受限雙極性控制和移相控制三種。電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)2)單相全橋逆變電路1、電路結構及原理全橋電路受限雙極性控制方式工作波形全橋電路移相控制方式的工作過程三相電壓型橋式逆變電路 面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。 沖量：窄脈沖的面積。 效果：環節的輸出響應波形。 即：如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖2、PWM控制的基本原理

PWM逆變電路的實質是依靠調節脈沖寬度改變輸出電壓，通過改變調制周期達到改變輸出頻率的目的。要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可。實用的PWM逆變裝置由3部分組成：直流電源、中間濾波環節和逆變電路。2、PWM控制的基本原理

分類：(1)根據調制脈沖的極性，可分為單極性和雙極性調制兩種。(2)根據載頻信號和基準信號的頻率之間的關系，可分為同步調制和異步調制兩種。(3)根據基準信號的不同，可分為矩形波脈寬調制和正弦波脈寬調制等。矩形波脈寬調制法：輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數的諧波；正弦波脈寬調制法：輸出脈沖列是不等寬的，寬度按正弦規律變化，故輸出電壓的波形接近正弦波。方案：SPWM

2、PWM控制的基本原理

單相橋式PWM逆變電路單極性.PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式波形單極性PWM波形諧波畸變低于雙極性3、PWM逆變電路及其控制方法(1)單相橋式三相橋式PWM逆變電路三相橋式PWM逆變電路波形為了防止上、下2個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲某一時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短取決于開關器件的關斷時間。但這個延遲時間對輸出的PWM波形將帶來一定影響，使其與正弦波產生偏離。(2)三相橋式PWM逆變電路

3、異步調制和同步調制(1)異步調制：載波信號和調制信號不保持同步關系的調制方式(2)同步調制：載波比等于常數，并在變頻時使載波信號和調制信號保持同步的調制方式(3)分段同步調制：同步調制和異步調制結合起來，構成分段同步調制方式，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內都保持載波比為恒定，不同頻段的載波比不同。各頻段的載波比取3的整數倍且為奇數為宜。4、PWM控制技術自然采樣法,規則采樣法,特定諧波消去法

4、PWM控制技術(1)自然采樣法。

按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交點 時刻，控制功率開關器件的通 斷，這種生成SPWM波形的方 法，稱為自然采樣法。要準確生成SPWM波形，就應準確地計算出正弦波和三角波的交點。自然采樣法(2)規則采樣法包括對稱和不對稱規則采樣法

對稱和不對稱規則采樣法對于對稱規則采樣法，以三角波負半周角平分線與正弦波交點作為采樣點，過此點作平行線，該平行線與三角波在△內有兩個交點，此兩個交點即脈沖的開通時刻和關斷時刻。對于不對稱規則采樣法，把△四等份，等份線與正弦波在內有五個交點，除去二等份線與正弦波交點，剩余兩個交點，此兩個交點作為采樣點，過這兩點作平行線與三角波在內有四個交點，取采樣點最近的兩個交點作為脈沖的開通時刻和關斷時刻。不對稱規則采樣法生成的梯形波與正弦波逼近程度較高，諧波分量的幅值較小。按沖量相等原理計算雙極性第k個PWM脈沖開通和關斷角

特定諧波消去法中，脈沖開關時間不是由三角波載波與正弦調制波的交點確定的，而是從消除某些特定諧波的目的出發，通過解方程組確定。特定諧波消去法的輸出PWM波形(3)特定諧波消去法特點：基波幅度大小與調制度成正比：。諧波頻率的主要分量以簇（clusters）的形式出現特定諧波消去法的頻譜圖不同調制度α時單相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖不同調制度α時三相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖5、PWM逆變電路的諧波分析對于三相逆變器，如果選擇為奇數并且為三的倍數（例如3，9，15，21，27…），線電壓的形狀與正弦波更為接近；在相電壓的諧波中不存在偶次諧波。滯環比較方式電流跟蹤控制舉例滯環比較方式的指令電流和輸出電流2.3.5

PWM跟蹤控制技術1、滯環比較方式2、三角波比較方式優點：開關頻率固定，等于載波頻率，便于高頻濾波器的設計為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波信號。比滯環比較控制方式輸出電流所含諧波少。3、定時比較方式特點：不用滯環比較器，而是設置一個固定的時鐘，以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，并根據兩者偏差的極性來控制變流電路開關器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。電流控制誤差沒有一定的環寬，控制的精度要低一些。AC/AC變換器交流斬波器DC-Link逆變器On/off控制觸發角控制電壓型電流型周波變換器諧振型2.4

交流-交流變換電路電阻負載2.4.1.1單相調壓電路阻感負載電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量2.4.1交流調壓電路(a)星形連接(b)線路控制三角形連接(c)支路控制三角形連接(d)中點控制三角形連接2.4.1.2

三相交流調壓電路過零觸發調功電路輸出波形調功電路通常用于熱慣性較大的電熱負載2.4.2

交流調功電路控制方法：

在設定的周期內，使晶閘管開關接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載上的交流平均電壓，達到調節負載功率的目的。其直接調節對象是電路的平均輸出功率。單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形2.4.3

交交變頻電路

交交變頻電路是不通過中間環節而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路.又稱為直接變頻器或周波變換器。

這種變頻器可用于交流電機變頻調速系統，也用于風力發電機中產生變速恒頻電源等。變流電路單向導電1)輸出上限頻率。:

變流電路采用6脈波的三相橋式電路時，最高輸出頻率不高于電網頻率的1／3～1／2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。2)輸入功率因數。 輸入功率因數較低，不論負載是滯后的還是超前的功率因數，輸入的無功電流總是滯后的。3)輸出電壓諧波 與電網頻率、變流電路脈波數m、輸出頻率fo有關

輸入輸出特性公共交流母線進線輸出星形連接方式三相交交變頻電路(1)電路接線方式:公共交流母線進線方式和輸出星形連接方式。(2)輸入輸出特性輸出頻率上限和輸出電壓中的諧波與單相交交變頻電路一致的。不同的是輸入電流諧波分量大為減少且輸入功率因數有所提高。(3)改善輸入功率因數和提高輸出電壓

在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量（直流偏置）梯形波輸出控制方式（交流偏置）與交直交比較，交交變頻的優點：只用一次變流，效率較高；可方便地實現四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波；缺點：接線復雜，采用三相橋的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低；輸入功率因數較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜；應用：主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉速交流調速電路中，已在軋機主傳動裝置、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合。既可用于異步電動機，也可用于同步電動機。第3章發電領域的電力電子技術3.1整流勵磁在現代同步發電機中的應用3.2風力發電中的電力電子技術3.3可變速抽水蓄能技術3.4太陽能發電中的電力電子技術3.1整流勵磁在現代同步發電機中的應用勵磁系統的類型直流勵磁系統交流勵磁系統靜止整流器系統（自勵）不可控整流器可控整流器旋轉整流器系統靜止勵磁系統電勢源可控整流器系統復合源整流器系統3.1整流勵磁在現代同步發電機中的應用三相可控晶閘管勵磁整流電路的控制勵磁調節器用于控制整流橋的控制角：0°~90°——整流狀態；90°~180°——逆變狀態；移相環節：三相觸發脈沖的移相控制角?是由反饋的勵磁調節電壓uR決定的。形成?與uR關系的環節稱為移相環節，通常有線性移相環節與余弦移相環節。3.1整流勵磁在現代同步發電機中的應用三相全控整流電路的數學模型通常對整流器電路使用一周波平均值模型代替瞬時值模型，即計算出的觸發角可以立即得到勵磁電壓平均值的響應。整流勵磁技術的發展趨勢（復雜的勵磁控制策略）數值集成電路的發展電力電子技術的進步3.2風力發電中的電力電子技術風力發電機的分類：恒速恒頻發電機系統同步發電機：與系統頻率保持嚴格一致，難以適用風力發電隨機性、波動性的特點；異步發電機：鼠籠式結構，并網沖擊大、無功消耗大；變速恒頻發電機系統不連續變速系統：1、多臺不同轉速的發電機聯合運行，2、雙繞組雙速感應發電機，3、雙速極幅調制感應發電機連續變速系統：同步發電機采用交直交系統，雙饋感應風力發電機3.2風力發電中的電力電子技術雙饋風力發電機系統：工作原理：同步發電機繞線轉子異步發電機3.2風力發電中的電力電子技術雙饋異步風機的三種運行狀態：亞同步運行狀態：n<n1，旋轉磁場運行方向同轉子轉動方向相同，n+n2=n1超同步運行狀態：n>n1，旋轉磁場運行方向同轉子轉動方向相反，n-n2=n1同步運行狀態：n=n1，滑差頻率f2=0，轉子電流等于？？？三角載波與正弦調制波幅值比較方式產生PWM的頻率與相序改變：相位增幅3.2風力發電中的電力電子技術結論：間隔越大，頻率越大間隔越小，頻率越小間隔為零，勵磁電流為直流若?a為負值時，?a反向讀數，實現相序相反功率傳遞關系：Pr—注入轉子的功率，Pe—發電機的電磁功率S>0，勵磁功率流向轉子，發電機處于亞同步運行狀態S<0，勵磁功率流出轉子，發電機處于超同步運行狀態3.2風力發電中的電力電子技術雙饋發電機系統的并網與功率控制特點：通過AC/AC變換器控制發電機輸出電壓的頻率、幅值和相位，可以做到并網時無沖擊電流。雙饋發電機勵磁調節量：頻率、幅值和相位頻率—保證風力發電機在變速運行時發出恒定頻率的電力相位—調節發電機的有功功率輸出幅值—調節發電機的無功功率輸出3.2風力發電中的電力電子技術無刷雙饋異步發電機結構：兩臺繞線式三相異步電機組成，一臺作為主發電機，定子繞組與電網連接；另一臺作為勵磁電機，其定子繞組通過變頻器與電網連接。優缺點：不存在滑環和電刷，運行時的事故率小，可靠性高；高風速運行時（超同步運行狀態），主發電機和勵磁機均向電網饋送有功功率；采用兩臺異步電機，結構尺寸增大，機場結構尺寸及質量增加。3.3可變速抽水蓄能發電技術基本原理：背景：為實現發電量與負荷用電量的動態平衡，必須不斷調節、控制發電出力，使頻率控制在一定的范圍內，即自動頻率控制（AFC，AutomaticFrequencyControl)常規調節方式：調整發電機出力，核電和火電調節能力有限，經濟性差抽水蓄能機組，恒速運行機組，改變導向片開度無法實現快速有效的調節水輪機組特點：輸入功率與回轉速度的3次方成正比，通過電力電子技術、高強度材料制造工藝，設計可調速抽水蓄能發電系統3.3可變速抽水蓄能發電技術調速機組分類：定子勵磁調節方式—發電機的定子繞組側加裝變換裝置（一次側，容量大，造價高）轉子勵磁調節方式—發電機的轉子繞組側加裝變換裝置（常用）轉子勵磁調節的特點：變換電路容量大快速電流控制勵磁系統過電壓抑制機組的平穩啟動較小的高次諧波與高壓直流輸電相當的高可靠性3.3可變速抽水蓄能發電技術轉子勵磁調速的原理：n1—同步轉速，n2—轉子勵磁繞組生成

的旋轉磁場的轉速，nr—轉子的機械轉速。變換器類型：周波變換器基于GTO的電壓型或電流型變換器3.3可變速抽水蓄能發電技術可調速抽水蓄能機組的特點：抽水運行時輸入功率的調整。通過轉子轉速的調整，可大幅度調整輸入功率，進而達到全網AFC的目的。發電運行時效率提高。水輪機存在最佳效率回轉速度，水輪機在發電運行和水泵運行時的最佳效率回轉速度是不同的。固定速度機組通常只能運行在水泵的最佳回轉速度，因而發電運行時無法達到最佳速度。可調速機組可以實現發電運行的最佳速度，使效率提高3%~5%。有利于提高系統的穩定性。可變速機組在保持水輪機軸功率不變時，通過調節轉子的勵磁電流，實現有功出力和無功出力的單獨調節，對電網可能發生的電壓失穩、低頻震蕩等現象有抑制作用。3.3可變速抽水蓄能發電技術轉子勵磁系統的兩種實現方式：周波變換器方式采用晶閘管將工頻電流變為數赫茲的交流電流。由于這類周波變換器脈沖數多，諧波畸變率小于1%，無需濾波；控制精度要求高，控制系統多采用DSP實現。必須解決的問題：系統故障引起母線電壓下降，可能導致換流的失敗；系統發生不對稱故障時負序電壓、對地電流等造成的過電壓周波變換器方式具有易于大容量化，器件少，可靠性高3.3可變速抽水蓄能發電技術AC-DC-AC變換器：采用的是全控器件GTO，實現交流到直流的整流變換，直流側通過GTO電壓斬波電路、平波電容連接到低頻交流逆變回路。逆變器為三相三電平方式。為提高輸出容量，采用3個相同的單元并聯構成。三電平采用二極管鉗位方式，三個橋臂由4個GTO與若干反并聯二極管組成。3.3可變速抽水蓄能發電技術可變速抽水蓄能電動工作狀態在繞線轉子異步電動機轉子回路中串接附加電動勢Ea的高效率調速方法，稱為串級調速。工作原理：轉子電流：引入附加電動勢：電動機電磁轉矩：（亞同步轉速）3.3可變速抽水蓄能發電技術功率傳遞關系：實質是利用附加電動勢Ea來控制轉子的轉差功率，從而實現調速。低于同步轉速的電動運行狀態—E2>Ea，E2向Ea輸出轉差功率P=sP1高于同步轉速的電動運行狀態—E2相位反轉，與Ea同相位，Ea向E2輸出轉差功率高于同步轉速的發電運行狀態—E2向Ea輸出轉差功率低于同步轉速的發電運行狀態—Ea向E2輸出轉差功率倒拉反接制動運行狀態—E2向Ea輸出轉差功率，功率值很大3.4太陽能發電中的電力電子技術發電形式有：太陽能熱發電和太陽能光伏發電（主要形式）太陽能發電的電力電子電路形式：工頻變壓器方式—采用工頻隔離，造價低，但不宜小型輕量化特點高頻連接方式—高頻逆變，高頻隔離，小型輕量化，但造價高，效率低無變壓器方式—通過升壓斬波電路，逆變器和濾波器等，造價適中，適合小型輕量化3.4太陽能發電中的電力電子技術光伏發電的最大功率跟蹤光伏發電的伏安特性曲線（輸出特性曲線），圖中同時標注了功率輸出曲線。在一定的光照、大氣壓和結溫溫度前提下，存在太陽能發電的最大輸出功率，稱為峰值功率。目標：提高發電效率，使光伏電池運行在最大功率點附近措施：最大功率點控制實質上是控制輸出電壓在最大功率點電壓附近，由于溫度等因素的變化，最大功率點電壓也是不斷變化的，需要通過DC/DC電路不斷調整輸出電壓，稱為最大功率點追蹤問題。3.4太陽能發電中的電力電子技術最大功率點追蹤方法：試探法

每隔一固定時間，給工作電壓附加一個小的增量。若輸出功率增加，則繼續向此方向調整工作電壓；若輸出功率減小，則向相反的方向調整工作電壓。微分法根據最大功率點處功率對電壓或電流的微分應為零，來判斷是否處于最大功率點，并進行工作電壓的調整。太陽能光伏發電運行方式：獨立運行方式—適合于無電地區和人口稀少地區，需蓄電池進行儲能并網運行方式—將電網作為蓄電池，功率雙向流動，具有一定的調峰能力4直流輸電技術4.1概述直流輸電換流技術三相換流器有兩種基本結構：電流源換流器（CSC）和電壓源換流器（VSC）。4直流輸電技術4.1概述換流技術的發展：20世紀50~90年代，都采用電流源變換器。50~70年代中期，電流源換流器都采用汞弧閥，之后，晶閘管換流閥被作為高壓直流系統的基本開關器件。20世紀90年代以后，電壓源換流器得到應用。由于新的大功率自換相器件（如GTO和IGBT）的出現；由于數字信號處理（DSP）強大的計算處理能力使得在技術上能夠滿足控制要求，在經濟上具備競爭力。現代高壓直流系統既可采用電流源換流器也可采用電壓源換流器作為換流單元。4.1概述電流源換流器與電壓源換流器特性比較電流源換流器（CSC）電壓源換流器（VSC）交流系統側的作用作為恒定電壓源需要電容器作為儲能元件需要大型濾波器以消除諧波需要無功補償與提高功率因數作為恒定電流源需要電感元件作為儲能元件需要小型濾波器以消除較高頻率的諧波不需要無功補償，因為該換流器可以四象限運行。直流系統側的作用作為恒定電流源需要電感元件作為儲能元件需要直流濾波器具有固有的故障電流限制特性作為恒定電壓源需要電容元件作為儲能元件儲能電容器起到直流濾波器的作用直流側故障時，已充電的電容器會向故障點放電開關方式電網換相或串聯電容器強迫換相每周波只發一個脈沖開關功耗較低自換相高頻開關，即每周波內發多個脈沖。開關功耗較高額定值范圍單換流器的容量為0~550MW電壓可達800kV單換流器的容量為0~200MW電壓可達320kV4.2電流源換流器（CSC）直流輸電換流站包括：換流變壓器、換流器、交流濾波器、直流濾波器以及控制保護裝置等。換流器由基本換流單元組成，它在換流站內允許獨立運行。電流源換流器的基本換流單元有：6脈動換流單元（三相橋式換流電路）；12脈動換流單元（由兩個交流側電壓相位差30°的6脈動換流器所組成）。6脈動換流單元換流變壓器結構：可以采用三相or單相結構;

閥側繞組接線方式：可以采用星形or三角形接線。6脈動換流器在交流側和直流側分別產生6k±1次和6k次的特征諧波（k為正整數）。4.2電流源換流器（CSC）直流濾波器平波電抗器6脈動換流單元交流濾波器換流變壓器控制保護裝置12脈動換流單元由兩個交流側電壓相位相差30°的6脈動換流單元在直流側串聯，同時，交流側經換流變并聯所組成。12脈動換流單元可采用雙繞組換流變壓器或三繞組換流變壓器，其閥側繞組的接線方式必須為一個是星形接線，另一個是三角形接線。12脈動換流單元在交流側和直流側分別產生12k±1次和12k次的特征諧波。直流濾波器平波電抗器12脈動換流單元交流濾波器換流變壓器控制保護裝置換流變壓器4.2電流源換流器（CSC）4.2.16脈動整流器工作原理晶閘管換流閥的特點:單向導電性。導通條件(兩個)：陽極對陰極為正電壓；控制極對陰極加能量足夠的正向觸發脈沖。控制極無關斷能力，只有當換流閥加反向電壓或流經換流閥的電流為零時，它才能關斷。換相電抗平波電抗進行理論分析時做如下假設：直流電流Id恒定(即平波電抗器為無窮大)；閥為理想開關；交流系統為無窮大(即三相電動勢平衡并且是完全正弦波)。4.2.16脈動整流器工作原理一、不考慮漏電感的理想情況：換相電抗為0，即重疊角；換流橋上、下半橋各有一個閥導通；觸發延遲角。每個時刻2個晶閘管同時導通，一個是共陰極的，一個是共陽極組的，且不在同一相。

6個晶閘管觸發脈沖按V1V2V3V4V5V6的順序，相位依次相差60°；共陰極組V1、V3、V5觸發脈沖依次相差120°。整流輸出電壓Ud一周脈動6次，每次脈動波形一樣，估該電路為6脈動整流電路。整流電路合閘啟動過程或電流斷續時，須保證同時導通2個晶閘管均有觸發脈沖。4.2.16脈動整流器工作原理自然換相點4.2.16脈動整流器工作原理V1為什么能關斷，V3為什么能導通？4.2.16脈動整流器工作原理4.2.16脈動整流器工作原理4.2.16脈動整流器工作原理4.2.16脈動整流器工作原理晶閘管按照一定次序的“通”與“斷”，將交流電壓變換成脈動的直流電壓。4.2.16脈動整流器工作原理結論：直流電壓瞬時值在一個周期內由六段相同的曲線所組成，取其中一段就可求出直流平均電壓Udo。6脈動整流器的理想空載直流電壓：交流線電壓有效值Udo為時直流電壓平均值，稱為理想空載直流電壓4.2.16脈動整流器工作原理二、考慮延遲角的情況：直流電壓下降4.2.16脈動整流器工作原理結論：調節觸發延遲角，可改變直流輸出電壓，從而改變直流輸出功率。注意：；在正常運行時，通常取最小觸發角為5°；如果需要利用整流器進行無功功率調節，或直流輸電需要降壓運行時，則觸發角需要相應增大。4.2.16脈動整流器工作原理三、既考慮延遲角，又考慮換相電抗的情況：存在V1和V3同時導通的時間，稱為換相時間，電氣角度為換相角或重疊角。在這段時間內，相當于交流a、b兩相通過閥V1和V3短路。4.2.16脈動整流器工作原理整流電壓下降4.2.16脈動整流器工作原理在換相結束時，6脈動整流器交流側電流波形不是正弦波，近似為正、負矩形波。不計換相影響時，6脈動整流器交流側電流中所含諧波次數為6k+1,相電流波形如圖2-6所示。基波電流有效值為4.2.16脈動整流器工作原理結論：換相過程實質上是交流系統短時間的兩相短路過程，換相是依靠電源提供的短路電流進行的。名詞：換相過程中的短路電流稱為換相電流。提供換相電流的交流電壓稱為換相電壓。每相從電源中性點到閥之間的短路阻抗稱為換相電抗。換相過程中兩個閥共同導通的時間用電氣角度表示，稱為重疊角。4.2.16脈動整流器工作原理整流側的等值換相電阻4.2.16脈動整流器工作原理Y/Y接線換流變壓器相位超前于Y/Δ接線換流變壓器；橋1對應閥臂的開通時間超前于橋2對應閥臂30o；每個單橋內部的6個閥臂按照60o的間隔順序輪流導通。4.2.2

12脈動整流器工作原理4.2.212脈動整流器工作原理12脈動整流電路工作特點：每個時刻均需4個晶閘管同時導通形成向負載供電的回路，每個單橋中各有兩個閥臂導通，直流電流通過四個閥臂。對觸發脈沖的要求：12個晶閘管的相位依次相差30o；同一組的上下兩個橋臂，即V11與V41等脈沖相差180o。

整流輸出電壓一周脈動12次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為12脈波整流電路。在整流電路合閘啟動過程或電流斷續時，為確保電路正常工作，須保證同時導通的4個晶閘管均有觸發脈沖。4.2.2

12脈動整流器工作原理12脈動整流器的整流電壓平均值為：交流系統a相電流的傅里葉展開式為：交流系統電流中含有12k±1次諧波。12脈動整流電壓中只含有12k次諧波4.2.2

12脈動整流器工作原理4.2.3逆變器的工作原理

直流輸電工程所用的逆變器，大部分為有源逆變器，它要求逆變器所接的交流系統提供換相電壓和電流，即受端交流系統必須有交流電源。

從整流器的原理開始討論：假設整流器接阻感負荷。直流電壓曲線所決定的正負電壓相等，直流電壓的平均值為0；直流電壓曲線所決定的負面積大于正面積，直流電壓變為負值而反向；直流電壓曲線所決定的面積都是負的。分析逆變狀態：超前觸發角4.2.3逆變器的工作原理要使逆變器導通，必須滿足下列條件：(1)在直流母線上加一個足夠大的直流電壓，以克服反電勢的作用，才能使電流流通。(2)在直流電壓小于交流反電勢時，為了保持電流的連續，直流回路中要有充分大的電感，利用儲藏在磁場中的能量幫助電流連續導通而不致中斷。(3)換流閥的觸發延遲角。4.2.3逆變器的工作原理

逆變器的換流過程與整流器類似，也是依靠交流系統提供的兩相短路電壓和電流（換相電壓和電流）完成的。換流器電流不能反向，Ud反向將引起功率的反向。熄弧角逆變角延遲觸發角換相重疊角“換相失敗”：為使換相成功，必須在換相電壓變為負值前完成從將關斷閥到導通閥的轉換。例如，從閥V5到閥V1的換相，只有時才能實現，而且需要有一個使閥去游離的足夠時間裕度的條件下完成。4.2.3逆變器的工作原理逆變器的直流平均電壓：逆變器的直流電流：

逆變器工作原理：直流回路提供足夠大直流電壓和磁場能量，電流從高電位閥流進，經低電位的閥流出。4.2.3逆變器的工作原理換相引起的直流電壓平均值的變化量4.2.3逆變器的工作原理4.3電壓源換流器（VSC）

VSC的優點：快速控制有功功率和無功功率；高電能質量；對環境的影響小；可與弱交流網絡甚至無源網絡連接。VSC技術的主要應用：小功率(小于250MW)直流輸電系統(稱為輕型直流輸電)；無功補償(SVC和STATCOM)；有源濾波器(APF)；風力發電系統及變頻調速系統。

電壓源換流器VSC

采用自換相器件(如GTO、IGBT等)；在一個周波中可換相多次；功率反向可以通過直流側的電流反向或者電壓反向獲得；通過脈寬調制技術控制功率因數。

電流源換流器CSC

采用電網換相的晶閘管器件；一個周波只能換相一次；功率反向只能通過電壓反向來實現；4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

主電路圖單相等效電路圖PWM技術在逆變電路應用最為廣泛，現在大量應用的逆變電路，絕大部分都是PWM型逆變電路。太陽能光伏發電VSC的四象限運行特性

整流器運行于單位功率因數逆變器運行于單位功率因數

電流超前電壓的純無功運行電流滯后電壓的純無功運行4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

柔性直流輸電的特點無源逆變諧波含量小，無功需求小不會出現換相失敗模塊化設計可以實現無人值守或少人值守柔性直流輸電的應用場合偏遠地區供電孤島或海上平臺新能源發電并網非同步電網互聯多端直流輸電的發展城市配電網增容改造提高配電網電能質量4.3.2電壓源換流器(VSC)的工作原理

209三電平結構也有工程投運，比兩電平結構開關頻率低，損耗小。拓撲結構2—三電平結構4.3.2VSC拓撲（補充）210模塊化多電平換流器（MMC）由西門子公司提出拓撲結構3—多電平結構1（半橋）4.3.2VSC拓撲（補充）211MMC各相任意時刻導通子模塊數相同，以維持直流電壓恒定。4.3.2VSC拓撲（補充）212MMC與2、3電平VSC對比投資成本較低模塊化設計輸出濾波器容量小

開關頻率低損耗小電壓諧波畸變率小

MMC輸出的多電平波形兩、三電平VSC輸出波形MMC的技術優勢：MMC213適合于MMC的調制策略MMC調制策略的本質是使MMC輸出所期望的多電平波形，工程中電平數低的場合主要采用載波移相正弦脈寬調制（CPS-SPWM），電平數較高的場合采用最近電平逼近調制（NLM）

（TBC工程以及上海南匯風電場都采用NLM）。CPS-SPWM調制示意圖NLM調制示意圖4.3.3

電壓源換流器的PWM調制方法脈沖寬度調制（PWM）技術是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM技術的理論基礎是面積等效原理，即面積相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的電路中時，其輸出響應基本相同。脈沖寬度調制是把希望輸出的電壓波形作為調制信號與高頻載波信號進行調制，在交點時刻對電路中開關器件進行控制，就可得到寬度正比于調制波幅值的脈沖，即PWM電壓波。

PWM調制方法：正弦脈寬調制（SPWM）；PWM跟蹤控制技術（滯環比較、三角波比較）；空間矢量調制等。

4.3.3.1正弦脈寬調制（SPWM）

驅動信號產生原理圖VSC輸出三相電壓波形圖4.3.3.2