电力系统用电力电子装置-h

电力电子装置及系统设计
? Dr. HUANG Meng （黄萌）
? meng.huang@whu.edu.cn
? School of Electrical Engineering, Wuhan University

电力系统用电力电子装置
? 并联补偿 ? 静止无功发生器（SVG） ? 有源电力滤波器（APF）

? 串联补偿
? 综合补偿 ? 统一潮流控制器（UPFC）

Design of Power Electronic Devices and Systems

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静止无功补偿器SVC

U UCmax

ULmax

BC

BLmax IC BCmax=2BC ICmax
Design of Power Electronic Devices and Systems

IL 0 ILmax
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静止无功发生SVG(STATCOM)
系统母线 U 耦合变压器 I X 电机同步电抗加变压器漏感 U

励磁

? “同步収电机”进相运行 ? 平滑双向，调节灵活 ? 运动部分结构复杂，维护麻烦

Design of Power Electronic Devices and Systems

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静止无功发生SVG(STATCOM)
系统母线 U 耦合变压器

基于电压型变流器的并 I 联补偿
X U0

DC-AC开关变流器 C + S
Udc

? SVG采用调相机原理，不能交换有功 ? 电压源型、模块化链式结构 ? 没有运动部件 ? 运行维护简单 ? 响应块 ? 功能更强大——谐波补偿 Design of Power Electronic Devices and Systems 5

静止无功发生SVG(STATCOM)
开关状态量
I 35kV

U 35kV

I110kV

U110kV

I 220kV

U 220kV

I 500kV

U 500kV

控制策略

采样与数据处理
辅助控制直流电压控制

系统级控制策略
基本功能

不平衡控制

过流控制

暂态电压控制模式阻尼控制模式（备选）定电压控制

暂态电压控制 35kV过压控制阻尼控制
+100Mvar

MUX MUX MUX
功率跟踪控制

Q ref

-100Mvar

U 35kV

参考电流计算

+100Mvar

-100Mvar

SVG

远程干预

远方监控

功率限幅

电流限幅

恒无功控制无功备用
远方控制模式

MUX

阻尼

暂态

装置级控制策略

稳态模式

控制模式选择
手动调整控制模式

控制参数设置

控制器参数可手动设定

人机界面人工干预

Design of Power Electronic Devices and Systems

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静止无功发生SVG(STATCOM)

系统电压波形

SVG输出电流波形

动态响应曲线
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并联型有源电力滤波器APF
谐波：非正弦周期信号与理想正弦的误差！
——傅里叶级数分解

Design of Power Electronic Devices and Systems

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并联型有源电力滤波器APF
典型谐波源 ? 电机的磁饱和、具有二极管整流回路的变频器等 ? 具有晶闸管整流装置换流站、中频炉、电弧炉等 ? UPS 设备、电梯、电子类照明设备

? 计算机、打印机等等办公类设备 ? 传统的电气化机车
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并联型有源电力滤波器APF
谐波的危害

? 增加供电变压器损耗、噪音，降低设备利用率

? 无功补偿电容器因谐波放大而损坏
? 谐波引起的集肤效应使电缆阻抗增加，温度升高，加快绝缘老化 ? 三相四线系统中

的零序谐波会增加中线电流，严重时会造成中线烧断

? 电磁干扰
Design of Power Electronic Devices and Systems 10

并联型有源电力滤波器APF
谐波的治理

LC无源滤波器

有源滤波器
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Design of Power Electronic Devices and Systems

并联型有源电力滤波器APF
谐波的治理
项目 LC无源滤波器有源滤波器一种参数只能针对特定次数谐同时滤除2~50次以内全部波补偿谐波或指定次数的谐波 90%以上 <5ms /

滤波能力

滤波效率部分参数外的谐波无法滤除响应速度

动态跟踪系统无功变化，可补偿系统无功，但无法动态无功补偿提供从感性到容性的无功跟踪，可能产生过补偿功率平滑补偿
不平衡补比较难设计偿能力可对不平衡进行补偿

对系统内装置永不过载，并联在系改变系统阻抗特性，可能导致其他装置统内的电流源，对系统内系统谐振的影响其他装置无任何影响
Design of Power Electronic Devices and Systems 12

谐波的原理

? 电压型逆变器
? 闭环控制 ? 自动跟踪补偿 ? PWM调制 ? 采用全控器件

? 补充功能可设定

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电压源变流器的串联补偿
结构特点
U=Usin(wt-j)

调节线路潮流相当于同步电压源

耦合变压器 P Q

基于电压型变流器的串联补偿
PRef (RRef) QRef (XRef)

控制＋ -

如无需有功调节，只需容量较小的储能电容

P

电压型变流器

基于电压型变流器的并联补偿

能源（可选）

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基于电压型变流器的串联补偿可实现与电流无关的恒压补偿通过控制可灵活实现输出电压反向

对偶

基于电压型变流器的并联补偿可实现与电压无关的恒流补偿通过控制可灵活实现输出电流反向

输出超前线路电流90 的电压可以补偿系统阻抗
只能输出与系统电流正交的电压

0

输出超前母线电压90 的电流可以补偿系统阻抗
只能输出与系统电压正交的电流
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0

Design of Power Electronic Devices and Systems

统一潮流控制器UPFC
基本原理
Upq Qpq Us Upq P I X Ur Ux r Upq Ux Ux0 Ur

Useff=Us+Upq

Useff 只有基于直 d 流侧有电源 d0 的电压型变流器才能实统一潮流控制器的实现方式是通过调节串联注入电压现！

矢量Upq的幅值Upq(0 ≤Upq ≤ Upqmax)和相角r (0≤r ≤2π) 来实现
Design of Power Electronic Devices and Systems 16

Us

UPFC拓扑
并联变压器变流器1

I

Upq U+U pq

串联变压器
变流器2

Udc ac ac

测量变量

参数设置

控制

URef ZRef sRef QRef

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统一潮流控制器UPFC
有功无功解耦控制
? UPFC 输出电压矢量Upq 幅值变化范围为：
P,Qr 1 0.5 0 -0.5 P,Qr 0.5 0 -0.5
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P P(Upq=0)

0≤Upq≤Upqmax
相角变化范围为： 0≤rpq

≤360°

90°

180° 270° 360° Qr Qor(Upq=0) Ppq

rpq

? 固定 d 、 Us 、 Ur 、 Upq 改变
相角rpq则线路传输有功、无功为正弦变化如右图

Qpq

90°

180° 270° 360°

rpq

Design of Power Electronic Devices and Systems

Us

UPFC工作模式
并联变压器

I 串联变压器

Upq U+U pq

变流器1

变流器2

P、Q

P、Q

功率因数控制 ac系统电压控制直流电压平衡

P

Udc

电压控制阻抗控制相角控制潮流控制

ac

测量变量参数设置控制

URef ZRef sRef QRef
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Design of Power Electronic Devices and Systems

线间潮流控制器IPFC
旁路设施线路1

线间潮流控制不是相间潮流控制！
U1pq U1seff I1 X1 R12 U2pqU2seff Ux2 I2 X2 Ux1

变电站

线路2 线路n

＋

－

＋

－

＋

－

U1s

U1r

变流器1

变流器2

变流器n

直线母线

U2s

U2r

光纤连接

控制

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原理与UPFC类似 20

高压直流输电HVDC
HVDC基本组成
换流站I 换流母线交流系统 I 换流变压器 Vd I 平波电抗器换流站II 换流变压器 Vd II 断路器

直流滤波器

换流母线交流系统II

断路器

无功补偿设备

交流滤波器

桥I

直流线路

桥II

交流滤波器

无功补偿设备

图1.1 HVDC原理图
Design of Power Electronic Devices and Systems 21

Thanks!
? Meng.huang@whu.edu.cn

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