第10章-電力電子技術(shù)的應(yīng)用

第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用

10.1晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)

10.3不間斷電源

10.4開(kāi)關(guān)電源

10.5功率因數(shù)校正技術(shù)

10.6電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

10.7電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用

本章小結(jié)

10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)

10.2.1交直交變頻器

10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式10.2變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)·引言■直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

◆受使用環(huán)境條件制約。

◆需要定期維護(hù)。

◆最高速度和容量受限制?！鼋涣髡{(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)◆克服了直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

◆交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

◆節(jié)能。

◆高精度，快速響應(yīng)。■交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。

10.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡(jiǎn)稱(chēng)VVVF電源）是由AC/DC、DC/AC兩類(lèi)基本的變流電路組合形成，又稱(chēng)為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約?！鲈偕答侂娏Φ哪芰?/p>

◆當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求具有再生反饋電力的能力。◆圖10-7所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。

?其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。?逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電容電壓升高，稱(chēng)為泵升電壓，泵升電壓過(guò)高會(huì)危及整個(gè)電路的安全。

圖10-7不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路

10.2.1交直交變頻器圖10-8帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路

圖10-9利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路

圖10-10整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路

◆使電路具備再生反饋電力能力的方法?圖10-8的電路中加入一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路，當(dāng)泵升電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上，這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。

?圖10-9所示的電路增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)；當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過(guò)控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。

?圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，可簡(jiǎn)稱(chēng)雙PWM電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需要采用全控型器件，控制較復(fù)雜，成本也較高。

10.2.1交直交變頻器圖10-11采用可控整流的電流型間接交流變流電路

圖10-12電流型交—直—交PWM變頻電路

圖10-13整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路

?圖10-11給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。?圖10-12給出了實(shí)現(xiàn)基于上述原理的電路圖，為適用于較大容量的場(chǎng)合，將主電路中的器件換為GTO，逆變電路輸出端的電容C是為吸收GTO關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓而設(shè)置的，它也可以對(duì)輸出的PWM電流波形起濾波作用。?電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時(shí)的過(guò)電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；同時(shí)通過(guò)對(duì)整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為1。

10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式■籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式

◆恒壓頻比控制

?異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。

圖10-14采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

?圖10-14給出了一個(gè)實(shí)例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率f指令值，同時(shí)經(jīng)過(guò)適當(dāng)分壓，也被作為定子電壓V1的指令值，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定信號(hào)反映極性。

10.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式◆轉(zhuǎn)差頻率控制

?為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

?從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比，因此，控制s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率1=r+s

，則1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。?這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能?！羰噶靠刂?/p>

?異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。

?矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類(lèi)似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。

?該方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜?！糁苯愚D(zhuǎn)矩控制

?直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰—砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)要簡(jiǎn)單許多。

10.4開(kāi)關(guān)電源

10.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)

10.4.2開(kāi)關(guān)電源的控制方式

10.4.3開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用10.4開(kāi)關(guān)電源·引言■在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要±12V、±15V等，這就需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。

■線性電源和開(kāi)關(guān)電源

◆圖10-20所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓?！魣D10-21所示為開(kāi)關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。

◆開(kāi)關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。

圖10-20線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)

圖10-21半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

10.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-22開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程■交流輸入的開(kāi)關(guān)電源

◆交流輸入、直流輸出的開(kāi)關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

◆整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection-PFC)電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路?！舾咝阅荛_(kāi)關(guān)電源中普遍采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

◆可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。

圖10-23多路輸出的整流電路

10.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)■直流輸入的開(kāi)關(guān)電源

◆也稱(chēng)為直流－直流變換器(DC-DCConverter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！糌?fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-PointOftheLoadregulator)

?僅僅為1個(gè)專(zhuān)門(mén)的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流－直流變換器。?計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。

◆非隔離的直流－直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck(SyncBuck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類(lèi)似同步整流電路。圖10-24a)同步降壓電路

圖10-24b)同步升壓電路

10.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-25通信電源系統(tǒng)

■分布式電源系統(tǒng)

◆在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)。◆如圖10-25，一次電源完成交流－直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作

。◆一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開(kāi)關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開(kāi)關(guān)電源有時(shí)也被成稱(chēng)為“模塊”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱(chēng)為“冗余”。

10.4.2開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖10-26開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)

圖10-27電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

■典型的開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制量vc。

■電壓模式控制

◆圖10-26所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。◆其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。■電流模式控制

◆在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。

10.4.2開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖10-28峰值電流模式控制的原理

?峰值電流模式控制

√峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10-28a所示，主要的波形如圖10-28b所示。

√基本的原理：開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由時(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷。

a)b)10.4.2開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖10-29平均電流模式控制的原理

a)b)√峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。?平均電流模式控制√平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開(kāi)關(guān)的通與斷。

10.4.3開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用■開(kāi)關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W～幾百W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開(kāi)關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開(kāi)關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW～數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源為其控制電路供電。

■開(kāi)關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過(guò)程等，功率可達(dá)幾十～幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。

10.5功率因數(shù)校正技術(shù)

10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理

10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)10.5功率因數(shù)校正技術(shù)·引言■以開(kāi)關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來(lái)一些負(fù)面的問(wèn)題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問(wèn)題。■功率因數(shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。

◆無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電感、電容等無(wú)源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。

◆有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。

10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

■單相功率因數(shù)校正電路的基本原理

◆實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。

◆原理

?給定信號(hào)和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，得到指令信號(hào)id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過(guò)滯環(huán)對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

?在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感L的電流就完全受開(kāi)關(guān)S的通斷控制；S通時(shí)，iL增長(zhǎng)，S斷時(shí)，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控制iL波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。

10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理■開(kāi)關(guān)電源中采用有源PFC電路帶來(lái)以下好處

◆輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。

◆在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對(duì)線路、開(kāi)關(guān)、連接件等電流容量的要求。

◆由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。

◆由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí)DC-DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率?！鰡蜗嘤性垂β室驍?shù)校正電路較為簡(jiǎn)單，僅有1個(gè)全控開(kāi)關(guān)器件。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)■單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開(kāi)關(guān)元件與后級(jí)DC-DC變換器中的開(kāi)關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一?！鰡渭?jí)變換器的優(yōu)點(diǎn)◆開(kāi)關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低?！艨刂齐娐吠ǔＶ挥幸粋€(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路。

◆有些單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過(guò)兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。

10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)圖10-33典型的boost型單級(jí)PFCAC/DC變換器

■單級(jí)PFC變換器

◆適合于小功率電源，以單相變換器為主，主要性能指標(biāo)包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于電路的拓?fù)湫问健?/p>

◆工作原理

?開(kāi)關(guān)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)給升壓電路中的L1儲(chǔ)能，同時(shí)C1通過(guò)開(kāi)關(guān)給反激變壓器儲(chǔ)能。

?開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時(shí)向副邊電路釋放能量。?開(kāi)關(guān)的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負(fù)載一定的情況下，C1兩端電壓在工作過(guò)程中基本保持不變，開(kāi)關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的100Hz波動(dòng)由C1進(jìn)行平滑濾波。

10.5.2單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)■單級(jí)PFC電路的特點(diǎn)

◆單級(jí)PFC電路減少了主電路的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路

◆單級(jí)PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí)PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí)PFC變換器僅在小功率時(shí)整個(gè)裝置的成本和體積才具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大功率場(chǎng)合，兩級(jí)PFC變換器比較適合。

◆單級(jí)PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級(jí)變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。

10.6電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用10.6.1高壓直流輸電10.6.2無(wú)功功率控制10.6.3電力系統(tǒng)諧波抑制10.6.4電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制

電力技術(shù)10.6.1高壓直流輸電圖10-34高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)

■高壓直流輸電（HighVoltageDCTransmission——HVDC）是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開(kāi)始的應(yīng)用領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代以來(lái)，當(dāng)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來(lái)越受到人們的關(guān)注?！鲈砗偷湫徒Y(jié)構(gòu)

◆原理

?發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器（換流變壓器）將電壓升高后送到晶閘管整流器，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳌?經(jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。

10.6.1高壓直流輸電圖10-34高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)

?在受端電能又經(jīng)過(guò)晶閘管逆變器由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到各個(gè)用戶(hù)?！舻湫徒Y(jié)構(gòu)

?圖10-34是典型的采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。?雙極是指其輸電線路兩端的每端都由兩個(gè)額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導(dǎo)線，分別為正極和負(fù)極，每端兩個(gè)換流器的串聯(lián)連接點(diǎn)接地。

?兩極獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，這樣就提高了運(yùn)行的可靠性，也有利于分期建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。

10.6.1高壓直流輸電■高壓直流輸電的優(yōu)勢(shì)

◆更有利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離和大容量的電能傳輸或者海底或地下電纜傳輸。

?不受輸電線路的感性和容性參數(shù)的限制。?直流輸電線導(dǎo)體沒(méi)有積膚效應(yīng)問(wèn)題，相同輸電容量下直流輸電線路的占地面積也小。

?短距離送電可采用基于全控型電力電子器件的電壓型變流器，性能更優(yōu)。

◆更有利于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。?更容易解決同步、穩(wěn)定性等等復(fù)雜問(wèn)題。

◆更有利于系統(tǒng)控制。?通過(guò)對(duì)換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。

10.6.2無(wú)功功率控制■在電力系統(tǒng)中，對(duì)無(wú)功功率的控制是非常重要的，通過(guò)對(duì)無(wú)功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量?！鼍чl管投切電容器◆交流電力電容器的投入與切斷是控制無(wú)功功率的一種重要手段，晶閘管投切電容器TSC是一種性能優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方式?！魣D10-35是TSC的基本原理圖，可以看出TSC的基本原理實(shí)際上是就是用交流電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)投如或者切除電容器，兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開(kāi)的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)的沖擊電流；在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時(shí)投入或切斷會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實(shí)際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器。

圖10-35TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖10.6.2無(wú)功功率控制圖10-36TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明◆TSC運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻的原則

?該時(shí)刻交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

?一般來(lái)說(shuō)，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，因此在投入時(shí)刻iC為零，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化。?如圖10-36，導(dǎo)通開(kāi)始時(shí)uC已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時(shí)刻導(dǎo)通VT2，以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻iC已降為零，VT2關(guān)斷，uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容器做了準(zhǔn)備。

10.6.2無(wú)功功率控制圖10-37晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC◆晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC

?由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。?這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。

10.6.2無(wú)功功率控制■晶閘管控制電抗器（TCR

）

◆晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載的一個(gè)典型應(yīng)用，圖10-38所示為T(mén)CR的典型電路，可以看出是支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。

◆通過(guò)對(duì)角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過(guò)電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功功率，如配以固定電容器，則可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

圖10-38晶閘管控制電抗器(TCR)電路電抗器中所含電阻很小，可以近似看成純電感負(fù)載，因此

的移相范圍為90°~180°。

10.6.2無(wú)功功率控制圖10-39TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形a)

=120°b)

=135°c)

=160°◆圖10-39給出了分別為120°、135°和160°時(shí)TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。10.6.2無(wú)功功率控制■靜止無(wú)功發(fā)生器

◆靜止無(wú)功發(fā)生器SVG在本書(shū)中專(zhuān)指由自換相的電力電子橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。

◆SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類(lèi)型。

?采用電壓型橋式電路的SVG如圖10-40a，直流側(cè)采用的是電容，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)。?采用電流型橋式電路的SVG如圖10-40b，直流側(cè)采用的是電感，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過(guò)電