2 电气工程讲座2电能质量上的问题和治理方法null电能质量关键技术的研究电能质量关键技术的研究罗 安 教授 湖南大学电气与信息工程学院 电线(L)null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术探讨研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析null电能质量研究的意义和必要性我国谐波超标现状null背景及意义 2009年我国电能损耗达2143亿千瓦时，相当于2.3个三峡发电站的年发电量；工业公司电耗占总电耗78%以上，线%。工业公司电能损失严重：我...

  null电能质量关键技术的研究电能质量关键技术的研究罗 安 教授 湖南大学电气与信息工程学院 电线(L)null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术探讨研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析null电能质量研究的意义和必要性我国谐波超标现状null背景及意义 2009年我国电能损耗达2143亿千瓦时，相当于2.3个三峡发电站的年发电量；工业公司电耗占总电耗78%以上，线%。工业公司电能损失严重：我国电能损失严重，配电网损失比输电网更严重我国大型工业公司电耗居高不下的根本原因： 我国单位GDP电耗是世界中等水准的3.34倍，是德国的5.14倍，日本的7.3倍，英国的6.54倍，电能利用效率比发达国家落后约20年。工业公司电能利用率低： 配电网线路长；功率因数低；谐波污染严重；三相负荷不平衡；电机与所带负荷不匹配；电能管理MATCH_

  _22_3不够完善；电能监控水平低。null

  1000亿元背景及意义配电网节能迫在眉睫，效益巨大中国电力联合会统计显示：中国节能促进办指出： 建设1千瓦发电能力需要投资7000元，节约1千瓦电力仅需投资2000元，不到1/3，而且不要增加煤的投入，也无环境污染。 2007年大规模的公司电能损失1614亿千瓦时，约790亿元。 2008年大规模的公司电能损失1968亿千瓦时，约963亿元。 2009年大规模的公司电能损失2143亿千瓦时，约1048亿元。null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术探讨研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析供电系统运行与电能质量的关系电能质量的基础要求 电能质量的基础要求 为保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电系统的运行应具有如下基本特性：（2）始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。（3）向电力用户的供电不中断。（1）以单一恒定的电网标称频率(50hz）、规定的若干电压等级（如配电系统一般为110kv、35kv、10kv、380v/220v）和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电，并且这些运行参数不受用电负荷特性的影响。供电系统运行与电能质量的关系供电系统运行与电能质量的关系电能质量的特征(1)电力系统的电能质量始终处在动态变化中 电能量的流动始终处于动态平衡之中，并且随着电网结构的改变和负荷的变化，不要时刻、不同公共连接点，电能质量现象和指标往往是不同的。 (2)电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响 电气连接将供电双方构筑成一个整体，不论哪个环节引起电能质量上的问题，都会对相关配电网络与设备和电力用户的安全正常运行构成威胁。 电能,除了具有其他工业产品的基本特征(如可以对产品的质量指标分级、检测和预估，能确定相应的质量

  和实施必要的质量控制)之外，由于其生产、输送与消耗的全过程独具特色，因此在引起电能质量上的问题的原因上、在劣质电能的影响与评价等方面与一般产品的质量上的问题不同，具有以下显著特点：供电系统运行与电能质量的关系供电系统运行与电能质量的关系电能质量的特征(3)电能质量扰动的潜在危害与广泛传播 电能质量下降造成的对电力系统和用电设备的损害有时并不立即显现,其危害与影响具有潜在性。 电力线为扰动提供了最好的传导途径,且传播速度快,电气环境污染波及面大,影响域广。 (4)有些情况下，用户是保证电能质量的主体部分。 电能质量的下降往往是受到使用者的影响。 (5)对电能质量指标做综合评估十分艰难。 目前尚无一个准确的和普遍认可的定量综合评估计算方式。 (6)控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程，要求设备制造厂商、电力部门、电力用户、标准制定部门、监督管理部门等系统合作。供电系统运行与电能质量的关系电能质量概念、定义及分类电能质量的定义电能质量（Power Quality） 国际电气电子工程师协会(IEEE)标准化协调委员会已正式通过采用“Power Quality”(电能质量)术语的决定。IEEE 定义 The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dictionary [page 807]： 合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的。 power quality is the concept of powering and grounding sensitive equipment in a matter that is suitable to the operation of that equipment.IEC 定义 The International Electrotechnical Commission (IEC) definition of power quality in IEC 61000-4-30 [page 15]： 供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。 Characteristics of the electricity at a given point on an electrical system, evaluated against a set of reference technical parameters.电能质量概念、定义及分类基本概念与定义电能质量的具体概念 从工业实用方面出发，将电能质量概念具体分解为：电压质量，电流质量，供电质量，用电质量。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。 长期以来，电能质量概念和电力供应可靠性几乎是等同的。电力部门可能把电能质量定义为电压、频率的合格率以及连续供电的年小时数，并且用统计数字就(以“9s”表示，如99.9%等)来说明电力系统是可靠运行的。电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向设备提供了电力。设备制造厂家则可能定义电能质量就是指电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要。什么是电能质量？基本概念与定义基本概念与定义电压质量电流质量 给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力合不合格。包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降(暂升)与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。 要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，尽可能保持该电流波形与供电电压同相位，包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。供电质量用电质量 包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务的品质，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。 包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。 上述定义反映了供用电双方的相互作用和影响以及责任和义务。 电能质量的具体概念基本概念与定义电能质量的分类电能质量的分类1、电能质量的基本分类2、变化型和事件型分类 国际电工委员会(IEC)以电磁现象及相互干扰的途径和频率特性为基础，引出了广义的电磁扰动的基本现象分类。 美国电气及电子工程师学会IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)也对电力系统电磁现象给出了特征参数及分类。 按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征——变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类。电能质量的分类电能质量的分类电能质量的分类变化型：指连续出现的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。 这一类现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与电流间相位变化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网载波信号干扰等。 电能质量现象多为随机现象，在对变化型电压和电流进行质量评估时，往往采用概率统计方法来处理，根据变化型电能质量的特征，当测量变化型电压和电流时要求连续纪录它们的变化值。事件型：指突然发生的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流短时严重偏离其额定值或理想波形。 这一类现象包括电压暂降和电压短时间中断、欠电压、瞬态过电压、阶梯形电压变化、相位跳变等。 在事件型电压和电流评估时，一般会用其特征量，如用幅值偏离量的多少、事件维持的时间长短以及发生的频次等来描述，并且用概率论和数理统计方法和可靠性计算来处理。监测事件型电压和电流时，要求有一个事件启动信号。事件型变化型电能质量的分类电能质量现象描述电能现象 电能质量这个概念实际上描述的是电力系统中在给定时间和地 点上发生的各种电磁现象(包括电压和电流).IEEE Std1159-1995中 从电磁兼容的角度(IEC-TC77同)出发对有关电能质量方面的各种电 磁现象进行了分类.这有利于针对不一样性质的电能质量上的问题做测量、 分析并提出不同的合理的解决

  。冲击性瞬变(impulsive transient)现象是一种在稳态条件下，电压、电流非工频、单极性的突然变化现象。通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的特征。最常见的引发冲击脉冲瞬变现象的原因是雷电。振荡瞬变(Oscillatory transient)现象是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现象。常用起频谱成分(主频率)、维持的时间和幅值大小来描述其特性。可分级为高频、中频和低频。瞬变现象 1、冲击性瞬变(impulsive transient)现象 2、振荡瞬变(Oscillatory transient)现象电能质量现象描述电容器组冲能引起的低频瞬变振荡现象电容器组冲能引起的低频瞬变振荡现象空载变压器铁磁谐振引起的低频振荡现象电容器投切引起的(中频)瞬变振荡电流雷电冲击电流波雷电冲击电压波电能现象电能质量现象描述故障后的短时中断及重合操作短时间电压变动电压中断（interruptions） 当供电电压降低到0.1p.u.以下，且维持的时间不超过1min。 原因可能是系统故障、用电设备故障或控制失灵等。 电压中断往往是以其幅值总是低于额定值百分数的维持的时间来度量的。故障后的短时中断及重合操作 按维持的时间可进一步分为瞬时(0.5-30周波)、暂时(30周波-3s)和短时(3s-1min)。短时间电压变动单相接地故障引起的电压暂降电压暂降（sag) 指工频条件下电压均方根值减小到0.1-0.9p.u.之间、维持的时间为0.5周波至1min的短时间电压变动现象。 重负荷或大型电机启动汲取大电流造成的电压暂降外，多数情况下电压暂降是同系统故障相联系的。 电压暂降维持的时间小于1/2个周期时，不能用基波均方根的变动来描述，看成是瞬变现象；维持的时间大于1min，归为长时间电压变动类型。单相接地故障引起的电压暂降电机启动电流引起的电压暂降短时间电压变动短时间电压变动单相接地故障引起的电压暂升电压暂升(swell) 暂升是指在工频条件下，电压均方根值上升到1.1~1.8p.u.之间、维持的时间为0.5周波到1min的电压变动现象。 大容量负荷甩开或大容量电容组增能时也会引起电压暂升。 在不接地系统，当发生单相对地故障时，非接地相对地电压将达到1.73p.u.。 电压暂升不象电压暂降那样常见。单相接地故障引起的电压暂升短时间电压变动短时间电压变动长时间电压变动及危害过电压 过电压是指工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的10%，并且维持的时间大于1min的电压变动现象。 通常是负荷投切的结果，系统的电压调节比较弱，系统的正常运行操作就可以造成过电压问题。变压器分接头的不正确调整也可能会引起系统过电压。可能会导致设备故障； 电子设备可能立即故障； 降低系统中设备寿命、保护误动、电容爆炸、无功输出增加等。 在工频条件下电压均方根值偏离额定值，并且维持的时间超过1min的电压变动现象。危害长时间电压变动及危害长时间电压变动及危害长时间电压变动及危害长时间电压变动及危害欠电压 欠电压是指工频下交流电压均方根值降低，小于额定值的90%，并且维持的时间大于1min的电压变动现象。某一负荷的投入或某一电容器组的断开都可能会导致欠电压。影响设备正常运行，例如；电动机可能停运、电机过热、速度改变；电子设备可能停运；电容补偿设备出力减少、影响照明设备 。危害长时间电压变动及危害长时间电压变动及危害持续中断 持续中断是指供电电压迅速下降为0，并且维持的时间超过1min。 当系统事故发生后，需要人工应急处理以回到正常状态供电，常常要数分钟或数小时。 它不同于预知的电气设备计划检修或更换而停电的情况，如果是由于电气设备计划检修或线路更改等出现的预知计划停电，或由于工程设计不当或电力供应不足造成的不得已停电，则不属于电能质量上的问题，应当归为传统供电可靠性范畴或工程质量上的问题。1、会造成社会秩序严重混乱或在政治上产生严重影响 2、可能会造成经济上的巨大损失 3、可能会造成人身伤亡或会引起周围环境严重污染 危害长时间电压变动及危害长时间电压变动及危害电压不平衡电压不平衡 电压不平衡，时常被定义与三相电压(或电流)的平均值的最大偏差，并且用该偏差与平均值的百分比表示。 电压不平衡也可利用对称分量法来定义，既用负序或零序分量与正序分量的百分比加以衡量。 电压不平衡(小于2%)的起因主要是负荷不平衡(如单相运行)所致，或者是三相电容器组的某一相熔断器造成的。电压严重不平衡(大于5%)有很大的可能性是由于单相负载过重引起的。电压不平衡波形的畸变波形的畸变直流偏置 在交流系统中出现直流电压或电流称之为直流偏置。 可能是由于地磁场干扰或半波产生的。例如：为了延长灯管的寿命在照明系统中采用的半波整流器电流，会使交流变压器偏磁，以致发生磁饱和，引起变压器铁芯附加发热，缩短常规使用的寿命。直流分量还会引起接地极和其他电气连接设备的电解腐蚀。 波形的畸变，是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的现象，可用偏移频谱描述其特性。 波形畸变有五种主要的类型，即直流偏置、谐波、间谐波、陷波，噪声。谐波 把含有供电系统设计运行频率(即简称工频，通常为50HZ)整数倍频率的电压或电流定义为谐波。波形的畸变波形的畸变间谐波 把含有供电系统设计运行频率非整数倍频率的电压和电流定义为间谐波。 间谐波主要有静止频率变换器、循环换流器、感应电机和电弧设备等。电力线路载波信号也可视为间谐波。间谐波对电力载波信号有影响，对显示设备如CRT等有感应视觉闪变干扰。陷波(notch)噪声(noise) 陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一相时产生的周期性电压扰动。 陷波以其下陷程度和宽度来衡量。 噪声是指带有低于200HZ宽带频谱，混叠在电力系统的相线、中性线或信号线中的干扰有害信号。 电力系统中的电力电子装置、控制器、电弧设备、整流负荷以及供电电源投切等都可能会产生噪声。由于接地线配置不当，未能把噪声传导至远离电力系统，常常会加重对系统的噪声干扰和影响。噪声可以对电子设备如微机，可编程控制器等的正常安全工作造成危害。采用滤波器、隔离变压器和电力线调节器等措施能够减缓噪声的影响。波形的畸变波形的畸变整流装置引起的谐波电流整流装置引起的谐波电流整流装置引起的谐波电流三相换流器的电压陷波波形的畸变波形的畸变电弧炉引起的电压波动电压波动电弧炉引起的电压波动 电压波动是指电压包络线有规则的变化或一系列随机电压变动。通常，其幅值并不超过0.9-1.1p.u.范围。 电压波动是一种电磁现象，而闪变是电压波动对某些用电符合造成的有害结果。 电压波动是用电压均方根值的大小定义的，并且用其相对值的百分数表示。 可通过人眼对电压波动引起的灯光闪烁敏感度来测量闪变的强度。电压波动负荷的波动工频变化负荷的波动 在电力系统基波频率偏离规定正常值的现象定义为频率变化。 当负荷与发电机间出现动态平衡变化时系统频率就会有小的变动。输电配电系统的大面积故障，如大面积甩负荷，大容量发电机设备脱机等，可能使正常稳态运行的系统出现频率偏差超出允许的极限范围。工频变化电能品质衡量准则简介电能品质衡量准则 以科学技术和运行经验的综合成果为基础，按照标准化的原 则对电产品制定并发布统一的和适度的基本指标规定，以及统一 的质量检验方法和实施指导的工作称之为电能质量标准化，有以 下四方面内容： (1) 规定标称环境 给出标称频率和电压的同时，给出允许的偏差范围。 (2) 定义技术名词 给出电能质量现象的准确定义和描述，统一专用术语。 (3) 量化电能质量指标 (4) 推荐统一的测量与评估方法电能质量标准简介电能质量标准简介 GB/T15945-1995——《电能质量—电力系统频率允许偏差》 电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz。 标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定“供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为±0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为±0.5HZ。 实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。 GB/Tl2325－90——《电能质量—供电电压允许偏差》 35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10％； 10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7％； 220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7％～10％。 标准中供电电压为供电部门与用户产权分界处的电压或由供用电

  所规定的电能计量点的电压。电能质量标准电能质量标准简介电能质量标准简介 GB/T12326-2000——《电能质量—三相电压允许不平衡度》 电力系统公共连接点（PPC, point of common coupling, 即电力系统一个以上用户的连接处）正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％。标准还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3％。 国标规定的三相电压不平衡度的允许值及计算、测量和取值方法只适用于电力系统正常运行方式下在电网公共连接点由负序分量引起的电压不平衡。故障方式引起的不平衡和零序分量引起的不平衡均不在考虑之列。 GB/T14549-93——《电能质量-公用电网谐波》各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率限值 用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是： 0.38kV为2.6％ ； 6～10kV为2.2％； 35~66kV为1.9％； 110kV为1.5％。电能质量标准电能质量标准简介电能质量标准简介 GB/T15543-1995——《电能质量 电压波动和闪变》电压变动值d（相邻两个极值电压之差）； 电压变动频度r(单位时间内电压变动的次数)。闪变限值闪变值是电压波动造成闪烁的主观视感指标，分短时间闪变值Pst，长时间闪变值Plt。 电压变动电能质量标准电能质量标准简介电能质量标准简介 GB/T18481-2001——《电能质量—暂时过电压和瞬时过电压》 过电压波形、幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。 暂时过电压(temporary overvoltage )是指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压； 瞬态过电压(transient overvoltage)为振荡的或非振荡的，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒或几十个微秒的过电压。电能质量标准电能质量标准简介null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析电能质量的检测与分析电能质量的检测与分析电能质量检测技术概述电能质量检测技术概述 电能质量问题主要的分析方法可分为时域、频域和基于数学变换的分析方法三种。 时域仿真方法应用最为广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研究。采用较多的时域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序和MATLAB、PSPICE、SABER等电力电子电路仿真程序两大类。 电能质量的分析与检测电能质量检测技术概述 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流计算等。 基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、矢量变换方法以及近年来出现的小波变换方法和人工神经网络分析方法等。 电能质量检测技术概述电能质量的分析与检测傅立叶级数傅立叶级数电能质量的分析与检测连续傅里叶变换 设 为一连续非周期时间信号，若 满足狄里赫利条件及 那么 的傅里叶变换存在，并定义为 连续傅里叶变换其反变换为电能质量的分析与检测null 是 的连续函数，称为信号 的频谱函数，或简称为频谱，它又可进一步分成实部和虚部、幅度谱和相位谱，即 电能质量的分析与检测瞬时无功功率理论瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，以该理论为基础，可以得出用于有源电力补偿器的谐波和无功电流实时检测的新方法。电能质量的分析与检测瞬时有功功率和瞬时无功功率瞬时有功功率和瞬时无功功率 设三相平衡电路各相电压和电流的瞬时值分别为ua、ub、uc和ia、ib、ic。把它们变换到 两相正交的坐标系上， 式中电能质量的分析与检测null 在 平面上，矢量 和 分别可以合成为（旋转）电压 矢量和电流 矢量 式中 U, I分别为矢量u、i的模； 分别为矢量u、i的相角。电能质量的分析与检测null引入瞬时有功功率和瞬时无功功率 写成矩阵形式为 式中电能质量的分析与检测nullp，q对于三相电压、电流的表达式电能质量的分析与检测瞬时有功电流和瞬时无功电流瞬时有功电流和瞬时无功电流 三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为矢量i在矢量u及其法线上的投影 式中电能质量的分析与检测null 相的瞬时无功电流 （瞬时有功电流 ），为三相电路瞬时无功电流 （瞬时有功电流 ）分别在( )轴上的投影，即 瞬时有功电流的 分量 瞬时有功电流的 分量 瞬时无功电流的 分量 瞬时无功电流的 分量 电能质量的分析与检测null三相电路谐波和无功电流的实时检测 ⑴p, q 运算方式 由于采用了低通滤波器来求取 、 ，故当被检测电流发生变化时，需经一定延迟时间才能得到准确的 、 ，从而使检测结果有了一定的延时。但当只检测无功电流时，则不需要采用低通滤波器，而只需直接将q反变换即可得出无功电流，这样就不存在延时了。电能质量的分析与检测null⑵ip, iq 运算方式 该方法中，需要与a相电网电压ua同相位的正弦信号sinwt和对应当余弦信号-coswt，它们由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路产生。 要检测谐波和无功电流，只需断开iq通道即可。电能质量的分析与检测null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术探讨研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析电力电子技术电力电子技术电力电子技术概要电力电子技术概要电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。 它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。电力电子技术电力电子技术的发展电力电子技术的发展在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。与这些旋转式的交流机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。1957年第一只晶闸管—也称可控硅(SCR)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。 70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件(亦称自关断型器件)，如：门极可关断晶闸管(GTO)、双极型功率晶体管(BJT/ GTR)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。电力电子技术晶闸管（GTR）晶闸管（GTR） 晶闸管的结构 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。电力电子技术null晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。晶闸管的工作原理 IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑欲使晶闸管导通需具备两个条件： (1) 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 (2)应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流 减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。电力电子技术晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管 快速晶闸管的关断时间≤50µs，常在较高频率(400HZ)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25µs～50µs 。电力电子技术null2. 双向晶闸管 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。电力电子技术null3. 逆导晶闸管 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。电力电子技术null4. 光控晶闸管 光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也是由P1N1P2N2四层构成。电力电子技术可关断晶闸管可关断晶闸管可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，可用门极信号控制其关断。 目前，GTO的容量水平达6000A/6000V，频率为1kHZ。 可关断晶闸管的结构 GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。电力电子技术null可关断晶闸管的工作原理 (1) 开通过程 GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1+α2数值不同。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。电力电子技术null(2) 关断过程 当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成－IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2

  0,则发射结的PN结处于正偏状态。此时晶体管内部的电流分布为： (1) 由于UBC

  0,发射结处于正偏状态，P区的多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE,N区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流INE。单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，由于单级高压晶体管的电流增益仅为10左右，为了提高电流增益，常采用达林顿结构，如每级有10倍的增益，则3级达林顿结构的电流增益可达1000左右。电力电子技术功率场效应晶体管（P-MOSFET）功率场效应晶体管（P-MOSFET）功率场效应晶体管的结构 VDMOS结构采用垂直导电的双扩散MOS结构，利用两次扩散形成的P型和N+型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道，电流在沟道内沿表面流动，然后垂直被漏极接收。 VDMOS管的衬底是重掺杂(超低阻) N+单晶硅片，其上延生长一高阻N－层(最终成为漂移区，该层电阻率及外延厚度决定器件的耐压水平) ,在N－上经过P型和N型的两次扩散，形成N+N－PN+结构。电力电子技术null功率场效应晶体管的工作原理 当栅源极电压UGS＝0时，漏极下的P型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。 当栅源极电压UGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。 当栅源极电压UGS或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。电力电子技术绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(1200～1600A)/(1800～3330V),工作频率达40kHz以上。绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。电力电子技术null2. 绝缘栅双极型晶体管的工作原理 当UDS＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。 当UDS＞0时，分两种情况： ① 若门极电压UG＜开启电压UT，IGBT呈正向阻断状态。 ② 若门极电压UG＞开启电压UT，IGBT正向导通。电力电子技术变换电路及PWM调制变换电路及PWM调制 功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。用它们作开关元件构成的功率变换器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。功率变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。 变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电压。 电力电子技术电压型变换器 电压型变换器 电路结构 电压型变换器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很小的电压源，保证直流电压稳定。 电力电子技术电流型变换器 电流型变换器 电路结构 电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电流基本无脉动。 电力电子技术正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理SPWM原理 根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关. 图中给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄脉冲变为图 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响应则变为脉冲过渡函数。 电力电子技术null图画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分(图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。 电力电子技术null单极性调制双极性调制 电力电子技术SPWM波形的生成 SPWM波形的生成 1. 自然采样法 求取开关时刻的方程式是超越方程，求解时需要花费较多的计算时间，因而难以在实时控制中在线. 规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。 实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法。在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。 电力电子技术null3．低次谐波消除法 以消去SPWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确定各脉冲的开关时刻．这种方法称为低次谐波捎去法。在这种方法中，已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一种方法。 应当指出，低次谐波消去法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数已比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。 4．跟踪型SPWM 跟踪型SPWM也不是用载波对正弦波进行调制，而是把希望输出的电流或电压作给定信号，与实际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变器电路功率开关器件的通断，使实际输出跟踪给定信号。 跟踪型SPWM变换器中，电流跟踪控制应用较多。主要的有电流滞环控制型和固定开关频率型。 电力电子技术null电能质量研究的意义和必要性电能质量基本概念主要内容电力电子技术概述电能质量控制与补偿技术研究电能质量研究的前景电能质量的检测与分析电能质量综合治理技术电能质量综合治理技术 作为未来21世纪输配电技术的发展方向，电能质量输配电技术得到了当今先进国家电力界的广泛研究并取得了极大的发展，相继出现了多种调节补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止无功补偿器（DSASTCOM）、可控移相器（TCPS）、静止同步无功发生器（ASVG）、有源电力滤波器（APF,HAPF）、统一潮流控制器（UPFC）、铁路功率调节器（RPC）等。null 谐 波 功 率 损 耗 严 重整 体 节 能 方 案 欠 缺配电网电能质量综合治理技术全 局 综 合 节 能 技 术高 品 质 节 能 技 术FC、SVC、TCR、 DSASTCOM、SVGHVC、HCVCPPF、APF、HAPF企业全局节能 管 理 技 术 电 气 节 能 技 术 匮 乏无 功 补 偿 效 率 欠 佳无 功 补 偿 技术谐 波 抑 制 技 术补偿无功功率 改善电网功率因数 治理电网谐波 提高电网暂态稳定性 平衡电网电压 优化调度无功潮流 降低线路损耗 提高变压器有功出力电能质量控制与补偿技术研究电能质量控制与补偿技术研究配电网无功补偿的研究 1、无功补偿的意义、原理及方式 2、静止无功补偿器（SVC） 3、静止同步无功补偿器（DSTATCOM） 4、动态电压调节器（DVR） 配电网谐波抑制技术的研究 1、谐波的起因及治理措施 2、无源滤波技术 3、有源滤波技术 4、统一电能质量调节器（UPFC） 电气化铁路功率补偿技术的研究无功缺损的影响无功缺损的影响在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无功功率。虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是在这种能量交换的过程会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响： （1）电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。 （2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。无功补偿的意义无功补偿的意义、原理及方式无功补偿的意义（3）电网的功率因数低会造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。 （4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。 目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量上的问题日益严重。如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。 无功补偿的意义无功缺损的影响无功补偿的意义、原理及方式无功补偿的意义无功补偿的意义1)提高系统稳定性，抑制系统电压波动及闪变，改善系统的不平衡； 2)补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数； 3)减少发、供电设备的设计容量，减少投资： 4)降低线损，减少设计容量，减少投资。无功补偿的意义、原理及方式null 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例：异步电动机、变压器、萤光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比重。电力系统的电抗器和架空线等也要消耗一些无功功率；同时，各种谐波源也要消耗一定的无功功率。阻感负载可看作电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为： 式中无功补偿原理无功补偿的意义、原理及方式null 给R、L电路并联接入C之后，电路如图1-1a所示。该电路的电流方程为 ： 由图1-1b的相量图可知，并联电容后电压 与 的相位变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流 的相位滞后于电压 ，这种情况称为欠补偿。无功补偿原理无功补偿的意义、原理及方式null 若电容C的容量过大，使供电电流 的相位超前于电压 ，这种情况称为过补偿，其相量图如图1-1c所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率同样会增加电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。无功补偿原理无功补偿的意义、原理及方式null无功补偿的方式 配电网中的无功补偿从补偿方法上又可分为固定、手动、自动三种。 1 固定补偿方案 固定补偿主要综合整个电网的各项年平均参数，根据无功的分布情况选取若干个补偿点，每个点投入若干单位的电容量，使得全年节能效益与经济投入之比达到最佳。这种方法的优点是能综合考虑整个电网的运行特点，既取得了最佳经济效益又兼顾了全网无功潮流的平衡；缺点是补偿容量不能跟随电网的实时运行状况，其最佳值是年平均意义上的，电压波动问题依然存在，当电网负荷发生明显的变化时，这种方法就无能为力了。 无功补偿的意义、原理及方式null无功补偿的方式 2 手动补偿方案  手动补偿通过若干电容器组的组合，达到改变补偿容量的作用，适用于时间上呈一定规律变化的负荷，缺点是分组过于粗糙，设备体积庞大，需专人守护，并且只针对采样点参数进行计算，不能达到最佳补偿效果。 3 自动补偿方案 自动补偿是微电子技术在电力系统的应用。控制器根据传感器的数据，计算出当前电网所需的无功补偿量并控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的。无功补偿的意义、原理及方式电能质量控制与补偿技术探讨研究电能质量控制与补偿技术研究配电网无功补偿的研究 1、无功补偿的意义、原理及方式 2、静止无功补偿器（SVC） 3、静止同步无功补偿器（DSTATCOM） 4、动态电压调节器（DVR） 配电网谐波抑制技术的研究 1、谐波的起因及治理措施 2、无源滤波技术 3、有源滤波技术 4、统一电能质量调节器（UPFC） 电气化铁路功率补偿技术的研究无功补偿技术的现状无功补偿技术的现状 无功补偿经历了同步调相机技术，并联电容器补偿技术。20世纪70年代初期发展起来了一种静止无功补偿的新技术。“静止”是针对旋转的同步调相机而言的，国内多称其为动态无功补偿器，这是针对固定电容器组而言。 静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，是目前电力系统中应用最多、最为成熟的并列补偿设备。IEEE将SVC定义为一种并联型的静止无功发生器或者吸收器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数（一般为母线电压）。静止无功补偿器无功补偿技术的现状无功补偿技术的现状 采用晶闸管等电力电子器件作为控制元件的静止无功补偿设备是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置，有响应速度快、控制灵活、连续可调等优点。随着电力电子器件与计算机控制技术的发展，SVC正朝着高电压和大容量方向发展。当前SVC已经被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿，以提高电力系统的稳定性和抑制电压波动，应用于对冲击负荷（如电弧炉）的闪变抑制和对电气化铁路的不平衡补偿之中，被全世界电力公司和工业界公认为一项成熟并且有效的无功功率管理的手段而加以应用。静止无功补偿器SVC的分类SVC的分类 SVC主要有以下三大类型： 晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactance-TCR）、 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）、 晶闸管控制高漏抗变压器（Thyristor Controlled Transformer -TCT）型静止无功补偿装置 由于技术的进步，这些装置的混合使用也属于静止无功补偿装置，如TSC-TCR型混合装置，或者晶闸管控制电抗器TCR与固定电容器（Fixed Capacitor-FC）的混合装置即TCR-FC,或者晶闸管控制电抗器TCR与机械投切电容（Mechanically Switched Capacitor-MSC）混合使用的装置，即TCR-MSC型等。静止无功补偿器SVC的结构SVC的结构TSC由电容C、串联的小电感和两个反并联晶闸管构成。晶闸管的作用只是将电容器并入电网或从电网断开，串联小电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。 TCR由电感L与两个反并联的晶闸管相串联组成。这两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行。改变控制角，电感中通过的电流便相应改变，进而控制补偿容量。 由特定次滤波支路构成的固定电容补偿器FC，可以用于滤除谐波。 降压变压器一次绕组连接成三角形，可以使晶闸管相控电抗器在不同导通状况下产生的三次谐波成分不流入系统。静止无功补偿器SVC的Ｕ－Ｉ特性SVC的Ｕ－Ｉ特性SVC外特性表现为可控容抗，在一定范围内能以一定得响应速度跟踪输入得无功电流或容抗参考值。图中所示为TSC-TCR型SVC得电压-电流运行区域，包括三组容抗为得TSC，其中，Blmax为TCR得最大感抗， Ucmax 、 Ulmax 、 Icmax 、 ILmax分别为TSC和TCR得耐受电压和电流值。由图中能够准确的看出在SVC的感性范围内，会出现由于失去无功支撑而导致端电压下降的不利情形。随着补偿容量的增加，端电压呈上升趋势，当然这也是有限度的。而且也是建立在感性传输阻抗的前提下，通常由于最小补偿电感值与交流系统电压的幅值严格限定了最大补偿感性电流，

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