第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用

10.1晶閘管直流電動機(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)速傳動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)◆克服了直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

◆交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

◆節(jié)能。

◆高精度，快速響應(yīng)?！鼋涣麟姍C(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時間，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)的直流傳動系統(tǒng)。

10.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡稱VVVF電源）是由AC/DC、DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱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)載電動機(jī)需要頻繁、快速制動時，通常要求具有再生反饋電力的能力?！魣D10-7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，稱為泵升電壓，泵升電壓過高會危及整個電路的安全。

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)泵升電壓超過一定數(shù)值時，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)用于對電動機(jī)制動時間有一定要求的調(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)電動機(jī)的再生制動；當(dāng)負(fù)載回饋能量時，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過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，可簡稱雙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)電動機(jī)制動時，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動，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)斷時產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對輸出的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，為了吸收換流時的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；同時通過對整流電路的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■籠型異步電動機(jī)的定子頻率控制方式

◆恒壓頻比控制

?異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時為了不使電動機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對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，同時經(jīng)過適當(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，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態(tài)性能?！羰噶靠刂?/p>

?異步電動機(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)子磁鏈定向的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵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)立地對兩個電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(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)矩的快速動態(tài)響應(yīng)，并且控制相對要簡單許多。

10.4開關(guān)電源

10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)

10.4.2開關(guān)電源的控制方式

10.4.3開關(guān)電源的應(yīng)用10.4開關(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，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供這些電壓，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半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

10.4.1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-22開關(guān)電源的能量變換過程■交流輸入的開關(guān)電源

◆交流輸入、直流輸出的開關(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。◆高性能開關(guān)電源中普遍采用了軟開關(guān)技術(shù)。

◆可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個二次側(cè)繞組的方法來實(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，其它路的電壓也會跟著變化。

圖10-23多路輸出的整流電路

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

◆也稱為直流－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。◆負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-PointOftheLoadregulator)

?僅僅為1個專門的元件（通常是一個大規(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)來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。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，難以用一個開關(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候交換機(jī)還能正常工作

?！粢淮坞娫床捎枚鄠€開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個開關(guān)電源有時也被成稱為“模塊”，當(dāng)其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“冗余”。

10.4.2開關(guān)電源的控制方式圖10-26開關(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，僅有一個輸出電壓反饋控制環(huán)?！羝鋬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但有一個顯著的缺點(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作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。

10.4.2開關(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：開關(guān)的開通由時鐘CLK信號控制，CLK信號每隔一定的時間就使RS觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。

a)b)10.4.2開關(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，這對很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來說是不能允許的；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相比較，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過程產(chǎn)生的噪聲信號，容易造成比較器的誤動作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動。?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uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用以控制開關(guān)的通與斷。

10.4.3開關(guān)電源的應(yīng)用■開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺式計(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)等移動電子設(shè)備的充電器也是開關(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)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。

■開關(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■以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問題?！龉β室驍?shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)技術(shù)即對電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。

◆無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對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)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對輸入電流的波形進(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id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實(shí)際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關(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的電流就完全受開關(guān)S的通斷控制；S通時，iL增長，S斷時，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對值規(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■開關(guān)電源中采用有源PFC電路帶來以下好處

◆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，降低了對線路、開關(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顯著減小，使后級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)校正電路較為簡單，僅有1個全控開關(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單級功率因數(shù)校正技術(shù)■單級PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件與后級DC-DC變換器中的開關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一?！鰡渭壸儞Q器的優(yōu)點(diǎn)◆開關(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€輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路。

◆有些單級變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級變換，所以效率可能高于兩級變換器。

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

■單級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

?開關(guān)在一個開關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電源通過開關(guān)給升壓電路中的L1儲能，同時C1通過開關(guān)給反激變壓器儲能。

?開關(guān)關(guān)斷時，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時向副邊電路釋放能量。?開關(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程中基本保持不變，開關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的100Hz波動由C1進(jìn)行平滑濾波。

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

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

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

◆單級PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級變換器，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)中最早開始的應(yīng)用領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代以來，當(dāng)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來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用戶?！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，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

◆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)體沒有積膚效應(yīng)問題，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)雜問題。

◆更有利于系統(tǒng)控制。?通過對換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?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無功功率控制■在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，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關(guān)來投如或者切除電容器，兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能出現(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投入或切斷會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對無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)的動態(tài)無功功率補(bǔ)償器。

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

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

?一般來說，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，因此在投入時刻iC為零，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。?如圖10-36，導(dǎo)通開始時uC已由上次導(dǎo)通時段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時刻導(dǎo)通VT2，以后每半個周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時，如在t2時刻iC已降為零，VT2關(guān)斷，uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時的電源電壓負(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uC總會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間滯后為一個周波。

10.6.2無功功率控制■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)載的一個典型應(yīng)用，圖10-38所示為TCR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。

◆通過對角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率，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TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。10.6.2無功功率控制■靜止無功發(fā)生器

◆靜止無功發(fā)生器SVG在本書中專指由自換相的電力電子橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(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)生的過電