1、電力電子裝置及系統設計電力電子裝置及系統設計Dr. HUANG Meng （黃萌）School of Electrical Engineering, Wuhan University電力系統用電力電子裝置并聯補償靜止無功發生器（SVG）有源電力濾波器（APF）串聯補償綜合補償統一潮流控制器（UPFC）Design of Power Electronic Devices and Systems2靜止無功補償器SVCDesign of Power Electronic Devices and Systems3UICILUCmaxULmaxICmaxILmaxBCBLmax0BCmax=2BC靜止無

2、功發生SVG(STATCOM)Design of Power Electronic Devices and Systems4系統母線耦合變壓器電機同步電抗加變壓器漏感勵磁UXUI “同步發電機同步發電機”進相運行進相運行 平滑雙向，調節靈活平滑雙向，調節靈活 運動部分結構復雜，維護麻煩運動部分結構復雜，維護麻煩靜止無功發生SVG(STATCOM)Design of Power Electronic Devices and Systems5系統母線耦合變壓器XU+UdcCSDC-AC開關變流器U0I SVGSVG采用調相機原理，不能交換有采用調相機原理，不能交換有功功 電壓源型、模塊化鏈式結構電

3、壓源型、模塊化鏈式結構 沒有運動部件沒有運動部件 運行維護簡單運行維護簡單 響應塊響應塊 功能更強大功能更強大諧波補償諧波補償基于電壓型變流器的并基于電壓型變流器的并聯補償聯補償靜止無功發生SVG(STATCOM)Design of Power Electronic Devices and Systems6控制策略控制策略靜止無功發生SVG(STATCOM)Design of Power Electronic Devices and Systems7系統電壓波形系統電壓波形SVGSVG輸出電流波形輸出電流波形動態動態響應曲線響應曲線并聯型有源電力濾波器APFDesign of Power El

4、ectronic Devices and Systems8諧波：非正弦周期信諧波：非正弦周期信號號與理想與理想正弦的誤差！正弦的誤差！傅里葉級數分解傅里葉級數分解并聯型有源電力濾波器APFDesign of Power Electronic Devices and Systems9典型諧波源典型諧波源 電機的磁飽和、具有二極電機的磁飽和、具有二極管整流回路的變頻器等管整流回路的變頻器等 具有具有晶閘管整流裝置晶閘管整流裝置換流換流站、站、中頻中頻爐、電弧爐爐、電弧爐等等 UPS設備設備、電梯、電子類電梯、電子類照明設備照明設備 計算機、打印機等等辦公計算機、打印機等等辦公類設備類設備 傳統的電

5、氣化機車傳統的電氣化機車并聯型有源電力濾波器APFDesign of Power Electronic Devices and Systems10諧波的危害諧波的危害 增加供電變壓器損耗、噪音，降低設備利用率增加供電變壓器損耗、噪音，降低設備利用率 無功補償電容器因諧波放大而損壞無功補償電容器因諧波放大而損壞 諧波引起的集膚效應使電纜阻抗增加，溫度升高諧波引起的集膚效應使電纜阻抗增加，溫度升高，加快絕緣老化加快絕緣老化 三相四線系統中的零序諧波會增加中線電流，嚴重三相四線系統中的零序諧波會增加中線電流，嚴重時會造成中線燒斷時會造成中線燒斷 電磁干擾電磁干擾并聯型有源電力濾波器APFDesign

6、 of Power Electronic Devices and Systems11諧波的治理諧波的治理LC無源無源濾波器濾波器有源濾波器有源濾波器并聯型有源電力濾波器APFDesign of Power Electronic Devices and Systems12項目項目LC無源濾波器無源濾波器有源濾波器有源濾波器濾波能力濾波能力一種參數只能針對特定次數諧波補償同時濾除250次以內全部諧波或指定次數的諧波濾波效率濾波效率部分參數外的諧波無法濾除90%以上響應速度響應速度/5ms無功補償無功補償可補償系統無功，但無法動態跟蹤，可能產生過補償動態跟蹤系統無功變化，提供從感性到容性的無功功率平

7、滑補償不平衡補不平衡補償能力償能力比較難設計可對不平衡進行補償對系統內對系統內其他裝置其他裝置的影響的影響改變系統阻抗特性，可能導致系統諧振裝置永不過載，并聯在系統內的電流源，對系統內其他裝置無任何影響諧波的治理諧波的治理Design of Power Electronic Devices and Systems13諧波的原理諧波的原理 電壓型逆變器電壓型逆變器 閉環控制閉環控制 自動跟蹤補償自動跟蹤補償 PWMPWM調制調制 采用全控器件采用全控器件 補充功能可設定補充功能可設定電壓源變流器的串聯補償Design of Power Electronic Devices and Systems

8、14基于電壓型變流基于電壓型變流器的串聯補償器的串聯補償U=Usin(w wt-j j)PRef (RRef)QRef (XRef)PPQ電壓型變電壓型變流器流器能源（可選）能源（可選）控制控制-耦合變壓器耦合變壓器結構特點相當于同步電壓源調節線路潮流如無需有功調節，只需容量較小的儲能電容基于電壓型變流基于電壓型變流器器的的并并聯補償聯補償Design of Power Electronic Devices and Systems15基于電壓型變流器基于電壓型變流器的串聯補償的串聯補償基于電壓型變流器基于電壓型變流器的并聯補償的并聯補償可實現與電流無關的恒可實現與電流無關的恒壓補償壓補償可實現

9、與可實現與電壓無關電壓無關的的恒恒流補償流補償通過控制可靈活實現輸通過控制可靈活實現輸出電壓反向出電壓反向通過控制可靈活通過控制可靈活實現輸實現輸出電流反向出電流反向輸出超前線路電流輸出超前線路電流90900 0的的電壓可以補償系統阻抗電壓可以補償系統阻抗對偶對偶輸出超前母線電壓輸出超前母線電壓90900 0的的電流可以補償系統阻抗電流可以補償系統阻抗只能輸出與系統電流正只能輸出與系統電流正交的電壓交的電壓只能輸出與系統只能輸出與系統電壓正電壓正交的電流交的電流統一潮流控制器UPFCDesign of Power Electronic Devices and Systems16基本原理UsUp

10、qQpqUseff=Us+UpqUrUxPXIUpqrUxUseffUrdUx0Upqd0統一潮流控制器的實現方式是通過調節串聯注入電壓矢量Upq的幅值Upq(0 Upq Upqmax)和相角r (0r 2) 來實現只有基于只有基于直直流流側有電源側有電源的電壓型變的電壓型變流器才能實流器才能實現！現！Design of Power Electronic Devices and Systems17UPFC拓撲控 制測量變量參數設置變流器1變流器2并聯變壓器串聯變壓器acacURefZRefsRefQRefIUsUpqU+UpqUdc統一潮流控制器UPFCDesign of Power Elec

11、tronic Devices and Systems18有功無功解耦控制P,Qr00.51-0.5-0.500.5P,QrQpqPpqrpq2701809036027018090360PP(Upq=0)rpqQrQor(Upq=0) UPFC輸出電壓矢量Upq幅值變化范圍為：0UpqUpqmax 相角變化范圍為： 0rpq360 固定d、Us、Ur、Upq改變相角rpq則線路傳輸有功、無功為正弦變化如右圖Design of Power Electronic Devices and Systems19UPFC工作模式控 制測量變量參數設置變流器1變流器2并聯變壓器串聯變壓器acacURefZRe

12、fsRefQRefIUsUpqU+UpqUdcPP、QP、Q功率因數控制系統電壓控制直流電壓平衡電壓控制阻抗控制相角控制潮流控制線間潮流控制器IPFCDesign of Power Electronic Devices and Systems20原理與UPFC類似線路線路n線路線路2線路線路1變流器變流器2變流器變流器1變流器變流器n光纖連接光纖連接直線母線直線母線控制控制變變電電站站旁路設施旁路設施線間潮流線間潮流控制不是控制不是相間潮流相間潮流控制！控制！U2sU1sU1pqU2pqR12U2seffU1seffI2I1Ux1Ux2X1X2U1rU2r高壓直流輸電HVDCDesign of Power Electronic Devices and Systems21HVDC基本組成換流母線換流母線交流交流系統系統 I無功補無功補償設備償設備交交 流流濾波器濾波器直流線路直流線路Vd I 換流