电力电子技术课本

1．1概述 .................................................................................................................................. 4 1．2电力二极管 ...................................................................................................................... 5

1．2． 1普通二极管 ...................................................................................................... 5 1．2．2快恢复二极管 .................................................................................................... 5 1．2． 3肖特基二极管 .................................................................................................. 6 1．3 晶闸管 ........................................................................................................................... 6

1．3．1 普通晶闸管 ..................................................................................................... 6 1．3．2 快速晶闸管（Fast Switching Thyrisor—FST） ............................................ 8 1．3．3 双向晶闸管（TRIAC） ................................................................................. 8 1．3．4 逆导晶闸管(RCT) .......................................................................................... 8 1．3．5 光控晶闸管（LTT） ...................................................................................... 9 1．3．6 门极可关断晶闸管GTO ................................................................................ 9 1．3．7 MOS控制晶闸管 ......................................................................................... 10 1．3．8 集成门极换向型晶闸管（IGCT） .............................................................. 11 1．3．9 静电感应晶闸管SITH ................................................................................. 12 1．4晶体管 ............................................................................................................................ 12

1．4．1功率场效应晶体管 .......................................................................................... 12 1．4．2 绝缘栅双极晶体管IGBT............................................................................. 13 1．4．3 静电感应晶体管SIT .................................................................................... 15

第二章 电力电子控制技术 ........................................................................................................... 16

2．1直流斩波电路 ................................................................................................................ 16

2．1．1降压斩波电路 .................................................................................................. 16 2．1．2升压斩波电路 .................................................................................................. 17 2．1．3升降压斩波电路 .............................................................................................. 18 2．1．4Cuk斩波电路 ................................................................................................... 19 2．1．5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 ................................................................... 21 2．2 整流电路（AC-DC） .................................................................................................. 23

2．2．1三相半波可控整流电路 .................................................................................. 23 2．2．2 三相半控桥式整流电路 ................................................................................. 24 2．2．3 三相全控桥式整流电路 ................................................................................. 26 2．3 逆变电路（DC-AC） .................................................................................................. 28 2．4 交交变频（AC-AC） .................................................................................................. 30

2．4．1 AC—AC变换的典型电路 .............................................................................. 31 2．4．2交交变频和交直交变频的比较 ...................................................................... 33 2．5 PWM控制的基本原理 ................................................................................................. 34 第三章 电力电子技术在各行业的应用 ..................................................................................... 37

3．1变频器 ............................................................................................................................ 37 3．2电子电源 ........................................................................................................................ 39

3．2．1开关电源 .......................................................................................................... 39 3．2．2不间断电源(UPS) ............................................................................................ 41 3．2．3感应加热电源 .................................................................................................. 43 3．3电力电子技术在电力系统中的应用 ............................................................................ 45

3．3．1发电系统 .......................................................................................................... 46

3．3．2输电系统 .......................................................................................................... 48 3．3．3配电系统 ..........................................................................................................

前言

电力电子技术又称为功率电子技术，它是用于电能变换和功率控制的电子技术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，是当代高新技术发展的重要内容，也是支持电力系统技术革新和技术发展的重要基础，并成为节能降耗、增产节约、提高生产效能的重要技术手段。微电子技术、计算机技术以及大功率电力电子技术的快速发展，极大地推动了电工技术、电气工程和电力系统的技术发展和进步。

电力电子器件是电力电子技术发展的基础。正是大功率晶闸管的发明，使得半导体变流技术从电子学中分离出来，发展成为电力电子技术这一专门学科。而20世纪90年代各种全控型大功率半导体器件的发明，进一步拓展了电力电子技术应用和覆盖的领域和范围。电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各个部门，包括钢铁、冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。功率范围大到 几千兆瓦的高压直流输电，小到不足1W的手机电池充电器，电力电子技术的应用随处可见。据统计，在发达的工业化国家，电厂发电效率，降低了能源的消耗，方便了人们的生活，提高了劳动生产率。各个电力电子设备的生产厂家形成了相关的产业群体，是国民经济的重要组成部分。

电力电子技术在电力系统中的应用也有长足的发展，例如高压直流输电（HVDC）、静止无功补偿（SVC）、大型发电机静止励磁、抽水蓄能机组的软启动、超高压交流输电线的可控串联补偿（TCSC）等等。电力电子技术是电力系统中发展最快、最具活力的组成部分。电力电子装置与传统的以机械式开关操作的设备相比，具有动态响应快，控制方便、灵活的特点，能够显著地改善电力系统的特性，在提高系统稳定、降低运行风险、节约运行成本方面具有很大的潜力。最近，电力系统的研究发展的热点—灵活交流输电系统就是以电力电子技术在电力系统的应用为主要的技术手段，以改进和提高电力系统的可控性和灵活性为主要目的的。各种用户的特制电力供电方式也离不开电力电子技术。

第一章 电力电子器件

1．1概述

电力电子器件与普通半导体器件一样，目前它所采用的主要材料仍然是单晶硅，但由于电压等级和功率要求不一样，制造工艺也有所不同。以开关方式应用于主电路之中，对电能进行变换和控制的半导体器件称为电力电子器件。其主要特点为：

（1） 电力电子器件具有体积小、质量轻、寿命长、耗电省、耐振性好等优点。 （2） 与用于电力电子电路的半导体器件相比，由于电力电子器件直接用于电力

电路，所以承受电压、电流的能力是它的重要参数，提高它所能处理电功率的能力是电力电子器件制造和应用的首要问题。

（3） 电力电子器件一般都工作在开关状态，目的是为了减少本身的损耗，高效

地完成对电能的变换与控制。

（4） 实际应用中，电力电子器件还需要控制电路、驱动电路以及必要的散热措

施等，才能构成一个完整的电力电子系统。

近50年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展，从大功率电力二极管、半控型器件晶闸管到导通关断都可控的全控型器件，从驱动功率较大的电流控制器件到驱动功率很小的电压控制器件，从低频开关倒高频开关，从低压小功率到高压大功率，各种电力电子器件如表1所示，对其可从以下三个角度进行分类。 表1 各种类型的电力电子器件 类型 分 立 器 件 全控型器件 电压控制器件 电流控制器件 电力晶体管（双极型晶体管） 门极可关断晶闸管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极型晶体管 场控晶体管 GTO Power MOSFET IGBT MCT GTR（BJT） 不可控器件 半控型器件 中文名称 电力二极管 晶闸管（可控硅） 名称 英文名称 Power Diode Thyristor(SCR) 静电感应晶体管 静电感应晶闸管 集成 模块 功率模块 单片集成模块 智能功率模块 SIT SITH Power Module System on a Chip IPM

1．2电力二极管

电力二极管（Power Diode）通常也被称为半导体整流管（Semiconductor Rectifier—SR）或者电力整流管，在20世纪50年代初期获得应用，成为出现最早、结构最简单的电力电子器件，至今仍广泛应用于各种电力电子设备中。 具有单向导电特性的二极管在不同的电路中起着不同的作用，例如在交流—直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流元件，在晶闸管逆变电路中作为反向充电和能量传输元件，在各类变换器中作为隔离、箝位、保护元件等。由二极管的工作速度来决定，它的适应范围，如在共频整流电路中，基本上对二极管开关速度没有什么要求，而在高频变流器中就必须采用恢复时间短的二极管。依次二极管可分为三类：普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管。如图1.1所示。

1．2． 1普通二极管

普通二极管多用于1kHz以下的整流电路中，由于工作频率低，反向恢复时间并不重要，一般为25us左右。电流定额由小于1A到树百安，电压等级从50V到高达5kHz.

1．2．2快恢复二极管

快恢复二极管也称为开关二极管，这类二极管的反向恢复时间通常小于5us，适用于高频下的斩波和逆变电路。高于400V的快恢复二极管常用扩散法制造，用掺金或铂控制反向恢复时间tn的大小。用外延法制造的二极管具有更快的开关速度，使恢复时间可低于50ns，叫做超快恢复二极管。由于工艺上的差别它们的正向电压特性也略有不同。

1．2． 3肖特基二极管

肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，又称为面垒二极管，常用SBD表示。SBD是通过金属与半导体接触而构成的。当它们接触后，电子就从半导体向金属扩散，结果在半导体一侧形成空间电荷区、内电场和势垒。金属和半导体之间的接触势垒就是肖特基势垒。在外电压的作用下，SBD也表现出单向导电的特性。但是，SBD在正向导通时，N型区中的电子是流到金属中而不是流到P型半导体中，因此不存在扩散电容的问题。恢复时间仅是势垒电容的充放电时间。其反向恢复时间远小于相同定额的结型二极管，而且反向恢复时间与反向di/dt无关，正向压降较小，漏电流较大，电压定额较低。

图1．1 (a)普通二极管 (b)快恢复二极管 (b)肖特基二极管

(d)大功率二极管

1．3 晶闸管

1．3．1 普通晶闸管

普通晶闸管曾称为硅可控整流器，简称可控硅，为方便起见往往仍沿用SCR表示普通晶闸管。

SCR是具有四层PNPN结构、三端引出线的半导体器件，外形有两种形式：螺栓形和平板形，如图1.2所示。

图1．2 螺栓形和平板形晶闸管

在螺栓形晶闸管中，螺栓一端是阳极A，使用时将该端用螺母固定在散热器上；另一端有两条引线：粗引线是阴极K，细引线是门极G。其散热是用两个互相绝缘的散热器把器件紧夹在中间，由于散热效果较好，容量较大的SCR都采用平板式结构。

晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图1.3所示。 A G

KKN1P2N2N1P2GAIAP1IGSIC1PNPIC2RNPNIKEA图1．3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a)双晶体管模型 b)工作原理 如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1和V2组合而成的。如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极，即产生集电极电流IC2，它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流IC1，又进一步增大了V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制

其关断，晶闸管才被称为半控型器件。

1．3．2 快速晶闸管（Fast Switching Thyrisor—FST）

快速晶闸管（如图1.4）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400kHz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。由于对普通晶闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微妙，快速晶闸管为树十微妙，而高频晶闸管则为10us左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。

图1．4 快速晶闸管

1．3．3 双向晶闸管（TRIAC）

双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅱ象限有对称的伏安特性。双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是经济的，而且控制电路比较简单，所以在交流调压电路、固态继电器和交流电动机调速等领域应用比较多。由于双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值表示其额定电流值。

1．3．4 逆导晶闸管(RCT)

逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一关芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关段时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。逆导晶闸管的额定电流由两个，一个是晶闸管电流，一个是与之反并联的二极管的电流。

1．3．5 光控晶闸管（LTT）

光控晶闸管又称触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

1．3．6 门极可关断晶闸管GTO

普通晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。但由于晶闸管是半控型器件，当用于斩波、无源逆变等直流输入电压的变流器中，就存在器件如何关断（即换流）这一突出问题。为此必须附加强迫换流电路，使得装置复杂、笨重、效率低。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，在普通晶闸管基础上发展起来一种自关断电力电子器件—门极可关断晶闸管GTO。GTO也可看作是晶闸管的派生器件，主要应用于大功率领域。GTO的电压、电流容量比其他全控型器件大，但它的驱动电路技术难度大、价位高、使其推广受到。

GTO的结构和静态特性与普通晶闸管类似，也为PNPN四层半导体结构的三端器件，其电气符号与实物图如图1.5所示。为便于实现门极控制关断，与SCR不同，GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含着数百个小GTO元。这些小GTO元的阳极共有，阴极由数百个细长小条并联在一起，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的距离，即阴极呈岛状结构。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短，越有利于关断。它们的门极、阴极单独引线，分别并联在一起。组成一个GTO器件的所有GTO元特性应一致，否则先开通和后关断GTO元由于电流集中通过它们而烧毁。

图1．5 (a) GTO电气符号 (b)GTO实物照片

GTO的开通过程与晶闸管非常相似，也可采用如图3所示的双晶体管模型来分

GKA析。1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大倍数，2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大倍数。当121时，两个晶体管均饱和导通而使GTO导通。121时的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的掣住电流。只有当阳极电流大于掣住电流后GTO才能维持大面积导通。GTO与晶闸管的最大区别就在于导通后12不同，晶闸管常为1.15左右，而GTO则非常接近于1。因此，GTO处于临界饱和状态，这位通过控制门极关断GTO提供了有利条件。

当GTO已处于导通状态时，对门极施加负的关断脉冲，形成-IG，相当于将IC1 的电流抽出，使NPN晶体管的基极电流减小，IC2随之减小，PNP晶体管基极电流的减小又使IA 和IC2减小，这是一个正反馈过程。当IC1 和IC2减小使得121时，晶体管退出饱和，GTO不满足维持导通的条件而关断。GTO关断时，随着阳极电流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时的瞬时功耗较大。

1．3．7 MOS控制晶闸管

MOS控制晶闸管是MOSFET和SCR的复合器件。MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关过程的特性与晶闸管的高压大电流、低导通压降特性结合在一起，成为20世纪80年代末最热门的器件之一。

一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNP晶体管和一个NPN晶体管（三者组成SCR）、一个控制该晶体管开通的MOSFET（ON-FET）和一个控制该晶体管关断的MOSFET(OFF-FET)。ON-FET连接在PNP晶体管的射、集极之间，OFF-FET连接在PNP晶体管的基、射极之间，这两组MOSFET的栅极连接在一起，构成MCT门极。

MCT采用双门极控制，当门极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FET导通，从而使MCT导通。当门极相对于阳极加正脉冲电压时，OFF-FET导通，从而使MCT关断。使MCT触发导通的门极负脉冲一般为-5～-15V，使其关断的门极正脉冲电压幅值一般为+10V。

MCT的静态特性与SCR一样，可承受反向电压，但它是一种新型的自关断场控器件，驱动电路要简单的多。目前，MCT有三种结构：MCT、BRT及EST。其中，MCT和BRT强迫流过MOSFET沟道以达到MOS栅控制的目的，其正向安全工作区与IGBT相当，但通态压降稍高。因此，EST是制造MCT的优选结构。目前已研制出3KV的高压MCT，并有很低的通态压降（约为IGBT的1/3）。

MCT的优点有：电压、电流容量大，目前水平为阻断电压3000V，峰值电流1000A，最大电流关断密度为6000A/cm2;通态压降小，约为1.1V，仅为IGBT通态压降的1/3；开关速度快，开关损耗小，开通时间为200ns，可以在2us时间内关断1000V

。电压；工作温度高，其温度受限于反向漏电流，上限值可达250～270。C；MCT

即使关断失败，器件也不会损坏；当工作电压超过安全工作区时，MCT可能失效，

可用简单的熔断器件进行短路保护；MCT容易串并联实用，以满足更大功率的要求。

MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件，但是，经过十多年的努力，其关键技术没有大的突破，而与此同时其竞争对手IGBT却进展飞速，所以目前从事MCT研究和开发的人不多。

1．3．8 集成门极换向型晶闸管（IGCT）

为了适应高电压大功率的需要，国内外开展了新型功率开关器件IGCT的研究工作，IGCT的全称是集成门极换向型晶闸管，是在IGCT和GTO成熟技术的基础上，专门为高电压大功率场合而设计的功率开关器件，它将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种期间的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗，IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT还具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。 IGCT是GCT（门极换向型晶闸管）和集成门极驱动电路的合称。当GCT工作在导通状态时，是一个类似于晶闸管的正反馈开关，其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断状态时，GCT门—阴极PN结提前进入反向偏置，并有效地退出工作，整个期间呈晶体管方式工作。

图1．6 各种封装形式的IGCT

GCT关断时，通过打开一个与阴极串联的开关（通常是MOSFET），使P基极-N发射极反偏，从而迅速阻止阴极注入，将整体的阳极电流强制转化为门极电流（通常在1us内），这样便把GTO转化为一个无接触基区的NPN晶体管，消除了阴极发射极的正反馈作用，GTO也就均匀关断，而且没有载流子收缩效应。这样，它的最大关断电流比传统GTO的额定电流高出许多。由于GCT在增益接近1时关断，因此，保护性的吸收电路可省去。

IGCT的关键设计技术如下：采用缓冲层，使芯片所需的厚度减少，相应地降低导通和关断损耗；采用透明发射极技术。大大降低了门极触发功率，并缩短了关断时间；采用低电感的安装结构和门极驱动电路，具有良好的开关性能。图1.6是各种封状形式的IBCT。

IGCT的典型应用有：①串联应用。与 GTO相比，IGCT的一个突出的优点是存

储时间短，因而在串联应用时，各个 IGCT关断时间的偏差极小，其分担的电压会较为均衡，所以适合大功率应用。在铁路用100MV.A转换控制网络的输出级中，采用了12个IGCT，每组6个串联，直流 中间电路电压额定值为10KV，输出电流为1430A；②牵引逆变器。由于牵引领域的广泛需要，逆导IGCT发展很快，IGCT可无吸收关断，比GTO逆变器更加紧凑。在目前已成功应用的IGCT三相逆变器中，只需要di/dt电路，门极驱动电源在中心放置，进一步减小了逆变器的体积。

IGCT在GTO技术基础上进行了重大改进，采用硬驱动技术，在整体结构上集成了门极驱动电路和反并联二极管，省去了吸收电路，易于串联应用。IGCT兼具了GTO和IGBT的优点：电流容量大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、便于集成、损耗低，适合于中电压大功率应用场合。IGCT的生产工艺与GTO完全兼容，是极具发展潜力的新一代功率器件。

1．3．9 静电感应晶闸管SITH

SITH诞生于1972年，是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。因为其工作原理也与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管。由于比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，因而SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

1．4晶体管

1．4．1功率场效应晶体管 (1) 功率MOSFET的类型

功率场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型，栅极是由多晶硅制成的，它同基片之间隔着SiO2薄层，因此它同其它两个极之间是绝缘的。这样一来，只要SiO2层不被击穿，栅极对源极之间的阻抗是非常高的。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（SIT）。

根据载流子的性质，功率MOSFET可分为P沟道和N沟道两种类型，符号与实物如图1.7所示。

DD

G

SG

S

(a) (b) (c)

图1．7 功率MOSFET的符号 （a）N沟道 (b) P沟道 (c)实物图片 它由三个电极：栅极G、源极S、漏极D。N沟道中的载流子是电子，P沟道中的载流子是空穴。其中每一种类型又可以分为增强型和耗尽型。增强型MOSFET在UGS=0时，无导电沟道，漏极电流ID=0;耗尽型MOSFET在UGS=0时，导电沟道已存在。功率MOSFET主要是N沟道增强型。 (2) 工作原理

当漏、源极间加正向电压，栅、漏极间UGS=0时，P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。如在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS>UT(UT为开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电，流过漏极电流。

1．4．2 绝缘栅双极晶体管IGBT

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种复合型电力半导体器件。它将MOSFET和GTR的优点集于一身，具有耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好等优点。IGBT制造技术成熟，自20世纪80年代初问世以来，已发展到产品，在电机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。 (1) IGBT的结构原理

IGBT是从功率MOSFET发展而来，图1.8给出了一种由N沟道MOSFET与双极晶体管复合而成的IGBT基本结构、符号、等效电路和实物照片。由图可知，IGBT与N沟道MOSFET结构十分类似，不同之处是IGBT多一个P+层发射极，形成PN结J1，由此引出集电极；发射极和栅极与N沟道MOSFET类似。IGBT可按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+发射区和N-漂移区之间的N+层。有N+缓冲区称为非对称型IGBT，也称为穿透型IGBT；无N+缓冲区称为对称型IGBT，也称为非穿透型IGBT。由于其结构的不同，器件的性能也有所不同，非对称型IGBT反向阻

断能力弱，但正向阻断能力强，但正向压降低，关断时间短，关断尾部电流小；对陈型IGBT具有正、反向阻断能力，但特性不及非对称的IGBT。

从结构图中可以看出，IGBT相当于一个由N沟道MOSFET驱动的厚基区GTR（PNP型），其简化等效电路如图5（b）所示，等效电路中Rdr是厚基区GTR基区内的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构。图5（b）为以GTR形式表示的IGBT符号，若以MOSFET形式表示，也可将IGBT的集电极称为漏极、发射极称为源极。

J3 发射极E栅极GCUJ1IDRdrN+N++N+PN+N-N+J1P+-+漂移区缓冲区注入区J2-+G

C-集电极E(a) (b)

CG(c) (d)

图1．8 (a) IGBT的结构 (b)简化等效电路

(c)电气图形符号 (d)大功率IGBT

以上所示PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，相应的，改变半导体的类型可制成P沟道IGBT，即MOSFET为P沟道，GTR为NPN型，其符号和N沟道IGBT箭头方向相反。 (2)工作原理

IGBT的开通与关断是由栅极电压来控制的。以N沟道IGBT为例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

此时，从P+区注入到N-区的空穴（少子）对N-区进行电导调制，减少了N-区的总电阻，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极施以负压时，MOSFET内的沟道消失，PNP管的基极电流被切断，IGBT即被关断。

1．4．3 静电感应晶体管SIT

SIT诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。

但是SIT在栅极不加任何信号是导通的，栅极加负偏压时关断，这也被称为正常导通型器件，使用不太方便。此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

第二章 电力电子控制技术

2．1直流斩波电路

2．1．1降压斩波电路

斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图Em所示，图中在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。 工作原理如图2．1:

t=0时V导通，E向负载供电，u0=E，i0按指数曲线上升;

t=t1时V关断，i0经VD续流，u0近似为零,i0呈指数曲线下降，为使i0连续且脉动小，通常使L值较大。

EVVDLiouoR+EMM-

图2．1 a)

UGEtontoffTi1i2降压斩波电路的原理图

UGE

ttonTtofft

i0i0i1t1I10U0EI20t1t2ttxi2t2t U0E

EMtt

b)电流连续时的波形 c) 电流断续时的波形

数量关系：

电流连续时，负载电压平均值

导通占空比，简称占空比或导通比。

tontonUoEEE t on  t T off （2-1）

0随之减小降压斩波电路，也称为Buck变换器（Buck U0最大为E，减小 ,U

Converter）。 负载电流平均值

若负载中L值较小，则在V关断后，负载电流在提前衰减到零，因此会出现负斩波电路三种控制方式:

（1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型——T不变，调节ton （2）频率调制或调频型——ton不变，改变T （3）混合型——ton和T都可调，使占空比改变

2．1．2升压斩波电路

UoEmI o  （2-2）

R

载电流断续的情况，u0平均值会被抬高，但是一般不希望出现电流断续的情况。

Li1EVioVDCuoR

图2．2 升压斩波电路及其波形

工作原理如图2．2：

假设电路中L值、C值很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压u0为恒值，记为U0。设V处于通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton；V处于断态时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V关断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为UoEI1toff。

I1I0UGE稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即

EI1tonUoEI1toff化简得：Uo （2-3）

tontofftoffTEE

toff （2-4）

T/toff1输出电压高于电源电压，上式中的， 故称升压斩波电路，也称之为boost变换器。

式中T/toff表示升压比，调节其即可改变U0，将升压比的倒数记作 ，即

toffT 。

和导通占空比有如下关系：

1EE （2-6） 因此，式（2-4）可表示为：Uo1作用，电容C可将输出电压保持住。

1 （2-5）

1升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因，L储能之后具有使电压泵升的升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正电路，三是用于其他交直流电源中。

2．1．3升降压斩波电路

V i 1 E u L VD i 2 I L L C u o R

a)

i1ILtontoffoi2ILtob)t

图2．3 升降压斩波电路及其波形

a)电路图 b)波形

设L值很大，C值也很大，使电感电流il和电容电压即负载电压Uo基本为恒值。 工作原理如图2．3：

当V处于通态时，电源E经V向L供电使其贮存能量，此时电流为i1。同C维持输出电压恒定并向负载R供电。

当V处于断态时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。

稳态时，一个周期T内电感L两端电压ul对时间的积分为零，即

T0uLdt0（2-7）

当V处于通态期间，ul=E；而当V处于断态期间，ul=-u0。于是： onooff （2-8）

EtUt所以输出电压为：

Uo

改变tontEonEEtoffTton1 （2-9）

，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当012时为降压

当121时为升压

因此称作升降压斩波电路或称之为buck-boost 变换器。

2．1．4Cuk斩波电路

图2．4所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。

L1CL2EVVDuoRa)i1L1+BC-sAL2i2uouAERuB

b)

i1L1+BC-sAL2i2uouAERuB

c)

图2．4 Cuk斩波电路及其等效电路

当V处于通态时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流，当V处于断态时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反，等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为T零，即

0iCdt0

（2-10）

在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得

I2tonI1toff

（2-11）

从而可得

I2toffTton1I1tonton（2-12）

当电容C很大使电容电压Uc的脉动足够小时，输出电压U0与输入电压E的关系可用以下方法求出：

当开关S合到B点时，B点电压UB0，A点电压UAUC；当S合到A点时，

toff（Uc为电容电压UBUC，UA0，因此，B点电压UB的平均值为 UBUCT，又因电感L1的电压平均值为零，所以 uc的平均值）toffE UBUC。

TtonUUC，且L2的电压平均值为零，按图另一方面，A点的电压平均值为 ot3-5b中输出电压Uo的极性，有 UAonUC。于是可得出输出电压Uo与电源

T电压E的关系：

TtontonUoEEEtoffTton1优点（与升降压斩波电路相比）：

（2-13）

这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。

输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

2．1．5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

图2．5分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。

i1L1C1uC1EVi2L2C2a)Vi1EL1VDC2uoRC1L2uoRVDb)

图2．5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 a）Sepic斩波电路 b）Zeta斩波电路

Sepic斩波电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。 Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：

tontonUoEEEtoffTton1（2-14）

Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能，同时，E和C1共同向负载R供电，并向C2充电。待V关断后，L1经VD向C1冲电，其贮存的能量转移至C1。同时，C2向负载供电，L2的电流则经VD续流。 Zeta斩波电路的输入输出关系为：

Uo1E （2-15）

两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。

2．2 整流电路（AC-DC）

整流电路按器件组成可分为不可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路：按电网相数可分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路；按接线方式可分为半波整流电路和全波整流电路等等。有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方式，同一套整流装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。

2．2．1三相半波可控整流电路 图2．6为三相半波可控整流电路：

nia=iT1abT1T2T3a)

ibcici0负载u0

b)

图2．6 三相半波可控整流电路图 a)电路 b）波形（LR）

它可以看成是由三个单相半波可控整流电路通过三个晶闸管共阴极接法构成

0的，三个晶闸管的触发脉冲互差1200。在三相电路中，通常规定  t  为触60发角的起算点，下面分析带大电感时的工作情况。

uan在  6   时刻触发a相晶闸管T1导通，a相电压 加到负载上，T1管通t  过负载电流（i0），T1管道通一直持续到b相晶闸管T2被触发为止。 在  t  5  6   时刻触发b相晶闸管T2，T1管立即加上反向电压

u an （u ab  u bn ）而关断，负载电流也就立即转移到T2管，负载被施加以b相电

压，这种情况一直持续到c相晶闸管T3被触发为止。

32在 t   时刻触发c相晶闸管T3，则T2管立即加上反向电压（ u bc  u bn  u cn ）而关断，负载电流也就立即转移到T3管，c相电压加到负载上，直到a相晶闸管T1再一次被触发为止。 从上述分析可知：

(1)在负载电流连续情况下，每个晶闸管的导电角均为 2  3 。

(2)在晶闸管支路不存在电管情况下，晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的。 (3)负载上出现的电压波形是相电压波形。

(4)未导通晶闸管所承受的电压是线电压而不是相电压。 (5)整流输出电压的脉动频率为3f。

2．2．2 三相半控桥式整流电路

具有续流二极管的三相半控桥式整流电路图，如图2．7：

iT1

i0=I0T1abnT2iT2T3iT3大电感负载iaU0ibcic D3D2D1iDiD3iD2iD1 a）

b)

图2．7 三相半控桥式整流电路图及其波形 a）电路 b）波形（L在LR）

R情况下，可忽略负载电流的脉动。晶闸管的脉冲互差1200。三个晶

闸管为共阴极接法，三个整流管为共阳极接法。

t6时刻触发a相T1管道通时，必然是c现假定触发角为，因此在 相整流管D导通，因为此时c相电位最低，于是uac出现在负载上，负载电流（i）

1

0

t76为止，此时 uac 通过T1和D1管流通，直至 =0 。过后，T1管加上反压，续流二极管D导通，负载电流转到D管。若无续流二极管，T1管道通时间要一直延续到b相T2管被触发导通为止，因此，在 76t56期间，负载电流自动地通过T1和D2续流。

到 b相T2管被触发导通，同时a相整流管D2 也导通，于是 ubat56时，

i0通过电压加到负载上，同时续流二极管D被加上反向电压而关断，负载电流 T1和D2管流通，直到至 t116为止，此时 uba=0 。过后，T2管加上反向电压（uba变负），续流二极管D又导通，负载电流转到D管。

t96时刻导通，一直持续到 同理，分析可知，c相T3管在 t52。

在这期间ucb电压出现在负载上。其它分析同上。

2．2．3 三相全控桥式整流电路

三相全控桥式整流电路在工业领域获得广泛的应用，其电路图如图2．8：

iT1i0=I0T1abnT3T5大电感负载iaU0ibcicT4T6a)

T2

b)

图2．8 三相全控桥式整流电路 a)电路 b)波形图（LR）

将三相半控桥式整流电路中的三个整流管换成晶闸管就构成三相全控桥式整流电路，T1， T3和T5三个晶闸管按共阴极联结， T2，T4和T6三个晶闸管按共阴极联结。这六个晶闸管的触发次序按6-1-2-3-4-5-6的顺序循环进行，而且6个晶闸管的触发脉冲要互差60o。欲使电源接通到负载上，任何时刻都必需有两个晶闸管同时导通，因此每个触发脉冲的宽度要延续超过六分之一电源周期；或是采用双脉冲触发方式，即每发一个触发脉冲之后，间隔60o再发一个脉冲。因为同组晶闸管的触发脉冲的相位差相差120o，所以晶闸管最大导电角为120o。而且，每隔60o就有一次换相，所以其整流输出电压的脉动频率是电源脉动频率的6倍。

下面针对LR情况进行分析。 在 t(6)以前，共阳极组的T6管已导通，这时触发T1管导通。因此，

uab电压加在负载上。 在 (6)t(2)期间，T1和T6管同时导通，

t(2)时刻，触发共阳极组的T2管，T6管被加上反向电压而关断。在 因此，在 (2)t(56)期间T1和T2管同时导通，uac电压加在负载上。

t56时刻，触发共阴极组的T3管，T1管被加上反向电压而关断。因在 此，在 (56)t(76)期间，T3和T2管同时导通，ubc电压加在负载端。

从前面分析可知，电路中的晶闸管每隔60 0 换相一次，而同组晶闸管每间隔 1200换相一次。对于感性负载，每个晶闸管的导电角总是1200，因为一般负载电流是连续的，对于阻性负载，负载电流可以连续，也可以断续，此处不再赘述。

2．3 逆变电路（DC-AC）

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。 电压型逆变电路有以下主要特点：

1） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，

直流回路呈现低阻抗。

2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻

抗角无关。交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作

用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都反并联了反馈二极管。

电流型逆变电路有以下主要特点：

1）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。

3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

图2．9分别是电压型与电流型的电路拓扑图：

LdD1T1ICD4T4R4D3C4T3DR1C1LCdUdabR3T2D2R2D1T1R1C1LT2RD2R2C2C2aICD4R4C4bD3T3T4C3R4C3 a) b)

图2．9 a)串联谐振型逆变器（电压型） b)并联谐振型逆变器（电流型）

iUUi

感性状态（串联） 容性状态（并联）

串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器电路拓扑结构上的对偶性导致两种逆变器电路特性，工作波形的对偶关系，主要表现在以下几个方面，如表2： 表2 串联与并联逆变器的比较 拓 扑 结 构 负载为串联谐振电路 功率器件需反并联二极管，为谐振电流提功率器件需串联二极管，承受谐振电路产供通路 工 作 特 性 输入电压为直流 输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波 输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波 一般工作在感性准谐振状态 电压源供电，逆变器换流需死区时间 优 缺 点 电压源供电，浪涌电流大，短路保护困难，电流源供电，电流冲击小，短路保护容易，开路保护容易 串联谐振电路负载匹配方法较少 串联谐振型逆变器对负载电路拓扑结构要 并联谐振型逆变器对负载线路寄生参数敏求较低，负载引线可适当加长 功率器件不需要承受反压 调功方式灵活 感，负载引线不宜过长 功率器件需承受反压，高速大容量二极管选择困难 一般采用调节直流电压调功 开路保护相对较难 并联谐振电路负载匹配方法较灵活 电流源供电，逆变器换流需重叠时间 一般工作在容性准谐振状态 生的反向电压 输入电流为直流 负载为并联谐振电路 串联谐振型逆变器 采用大电容滤波，恒压源供电 并联谐振型逆变器 采用大电感滤波，恒流源供电 2．4 交交变频（AC-AC）

交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，由于没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。

交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位各差120度的单相交交变频电路组成的。 电路接线方式:

三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。

（1） 公共交流母线进线方式

公共交流母线进线方式的三相交交变频电路简图，如图2．10：

图2．10 公共交流母线进线三相交交变频电路

它有三组彼此的，输出电压相位错开120度的单相交交变频电路构成，它们的电源进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路的输出端必须隔离。为此交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流调速系统。 （2） 输出星形联结方式

输出星形联结方式的三相交交变频电路原理图，如图2．11：

图4-24

a)图4-25b)

图2．11 输出星形联结方式的三相交交变频电路 a) 简图 b)详图

三组单相交交变频电路的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可。因为三组单相交交变频电路的输出联接在一起，其电源进线就必须隔离，因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。、

由于变频器输出端中点和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流，和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通，而两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。

2．4．1 AC—AC变换的典型电路

两组三脉波变流器组成的AC/AC变换器如图2．12，当供给纯阻负载时，两组变流器都工作于整流方式。

aUanNiapUbnUcnbPioianuo负载cN 图2．12 三脉波单相负载AC/AC变换器电路

三脉波和六脉波三相负载AC/AC变换器电路示于图2．13：

ZaZabcaZbnbacZbZCZc

a) b)

图2．13 三相输出的AC/AC变换器电路 a)三脉波三相b)六脉波三相

三脉波三相电路用了18只晶闸管，而六脉波三相电路用了36只晶闸管。可见AC/AC变换器在提高脉波数时所用的开关器件是很多的，但因脉波数提高，输出电压波形更加接近正弦波。

通常，电网换流的AC/AC变换器的输出频率限于电源频率的1/3以下，因为过高的输出频率将带来谐波增加的坏处。改变基准正弦波的频率，就可以改变输出频率。改变调制因子，就可以改变输出电压。输出电压的峰值取决于变流器所能提供的最大输出电压的平均值。 此外，值得注意的有两点：

（1）无论负载是感性的，容性的还是阻性的，网侧电流总是滞后于其相应的电压。

（2）网侧基波电流滞后于相应电压的相角彼比负载的功率因数角大。 AC/AC变换器实质上就是双重变流器，因此，从控制上，除采用无环流控制方式外，亦可采用有环流控制方式。不过环流工作方式仅在负载电流较低时使用，以维持负载电流的连续，从而改善负载电流波形。当负载电流增大时，又改换为无环流控制方式。

近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种电路也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控制方式不是相控方式而是斩控方式。 图2．14中，图a 是矩阵式变频电路的主电路拓扑。三相输入电压为Ua，Ub和Uc，三相输出电压为Uu，Uv和Uw。九个开关器件组成3×3矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路，也被称为矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图b给出了应用较多的一种开关单元。

a) b)

图2．14 矩阵变换的等效电路

矩阵式变频电路的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行，不通过中间直流环

节而直接实现变频，效率较高。因此，这种电路的电气性能是十分理想的。 矩阵式交一交变换器是一种具有先进的拓扑结构“全硅组成”的功率变换器，其拓扑图如图1-2所示。它由9个双向开关构成3×3矩阵阵列。它允许频率单级变换，无需大容量的贮能元件。能使输入电流正弦，输入功率因数可达到0. 99以上并可自由调节，且与负载的功率因数无关。输出电压正弦，输出频率、电压可调，输出频率可高于、低于输入频率。此外，它还可以四象限运行，功率可双向流动，体积小，效率高，而且符合模块化发展方向。

2．4．2交交变频和交直交变频的比较

交直交变频电路就是先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。

与交直交变频电路比较，交交变频电路的优点： 1）只用一次变流，效率较高 2）可方便地实现四象限工作 3）低频输出波形接近正弦波 缺点是：

1）接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管 2）受电网频率和变流电路脉波数的，输出频率较低 3） 输入功率因数较低

4） 输入电流谐波含量大，频谱复杂

交交变频电路主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。 目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动

2．5 PWM控制的基本原理

PWM控制是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

owtob)wta)图2．15 用PWM波代替正弦半波

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。

下面讲述PWM逆变电路的控制方法：计算法和调制法。

根据讲述的PWM控制的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率，幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率，幅值或相位变化时，结果都要变化。

与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。当调制信号不是正弦，而是其他所需要的波形时，也能得到与之等效的PWM波形。

实际中应用的主要是调制法，图2．16是采用调制法的逆变电路拓扑图：

D1T1R1C1D2T2Rb+UdD4T4信号波Ur载波UcaIR2C2T1VD1T3VD3T5VD5Ud/2+CCUVWLUd/2+NR4D3T3C4R4C3UrUUrVUrwUc调制电路T4VD4T6VD6T2VD2调制电路

图2．16 单相桥式PWM逆变电路 三相桥式PWM型逆变电路

PWM的调制方式可分为异步调制和同步调制两种，下面分别对这两种调制方式进行介绍：

在PWM控制电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr称为载波比，根据载波比和信号波是否同步及载波比的变化情况，将其分为同步和异步调制两种方式。

载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中,通常保持载波频率fc固定不变,因而当信号波频率ft变化时,载波比N是变化的。

异步调制的主要特点是:

在信号波的半个周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。这样,当信号波频率较低时,载波比较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影咱都较小,PWM波形接近正弦波。当信号波频率增高时,载波比N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大,有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动，这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说,三相输出的对称性也变差。 载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

同步调制的主要特点是:

在同步调制方式中,信号波频率变化时载波比N不变,信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时,同步调制时的载波频率fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时,同步调制时的载波频率fc会过高,使开关器件难以承受。此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但使用微机控制时还是容易实现的。有的装置在低频输出时采用异

步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。

分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段,每个频段的载波比一定,不同频段采用不同的载波比。其优点主要是,在高频段采用较低的载波比,使载波频率不致过高可在功率器件允许的范围内；在低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。

下面对规则采样法和自然采样法进行介绍，并对其进行比较：

按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波，但这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。

规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小的多。规则采样法的基本思路是:取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期，使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点(即负峰点)重合,在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值,用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波,用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点,即可得出控制功率开关器件通断的时刻。

比起自然采样法,规则采样法的计算非常简单,计算量大大减少,而效果接近自然采样法,得到的SPWM波形仍然很接近正弦波,克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算,在工程中实际应用不多的缺点。

PWM整流电路和相控整流电路的工作原理和性能有何不同?

答:PWM整流电路就是采用PWM控制的整流电路,通过对PWM整流电路的适当控制,可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位,功率因数接近l。 相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制,属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量,且交流输入电流相位滞后于电压,总的功率因数低。 PWM整流电路采用SPWM控制技术,为斩控方式。其基本工作方式为整流,此时输入电流可以和电压同相位,功率因数近似为l。

PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动,既可以运行在整流状态,从交流侧向直流侧输送能量;也可以运行在逆变状态,从直流侧向交流侧输送能量，而且这两种方式都可以在单位功率因数下运行。

此外,还可以使交流电流超前电压900,交流电源送出无功功率,成为静止无功功率发生器，或使电流比电压超前或滞后任一角度。

第三章 电力电子技术在各行业的应用

电力电子技术无论对改造传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对新建高技术产业(航天、激光、通信、机器人等)和高效利用能源均至关重要。未来应用热点是变频调速、电力系统电力电子化、汽车电子、信息、办公自动化、家电用电力电子，牵引用(电力机车、城市轨道交通车)电力电子、新能源(太阳能、风能、燃料电池)逆变装置等。

电力电子装置主要包括三大类产品：变频器(也称“变频调速”)、电能质量类产品(含无功补偿SVC、高压直流输电HVDC、柔性交流输电FACTS等)，以及电子电源产品。目前电力电子装置正朝着高性能化、智能化、全数字控制、系统化和绿色化(无谐波公害)发展。

我们主要分析电力电子技术重点应用的几个领域，包括变频器、电子电源以及电力电子技术在电力系统的应用等三大方面。

3．1变频器

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。其结构简图如图3．1所示。 图3．1 变频器的结构简图 整流部分与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压。整流器有两种基本类型，可控的和不可控的。 中间电路有以下3种类型：1、将整流电压变换成支流电流2、使脉动的支流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用3、将整流后固定的支流电压变换成可变的~~~整流器中间电路逆变器M控制电路支流电压。

逆变器：它产生马达电压的频率。另外，一些逆变器还可以将固定的支流电压变换成可变的交流电压。

控制电路：它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接受来自这些部分的信号。具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。变频器都是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点。变频器可以依据控制输出电压的开关模式来分类。为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器的控制方式有U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式、电压空间矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接转矩控制（DTC）方式、交—直—交控制（VVVF变频或矢量控制变频）方式等。目前使用的变频器主要采用交—直—交控制方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

变频器的种类可以按照电压、功率和负载类型来划分。以电压为标准，通常把低于690V的定为低压变频器市场，譬如220V和380V；高于这个等级的为中高压变频器市场，常见的电压等级有1,140V、2,300V、3,000/3,300V、4,160V、6,000/6,300/6,600V和10,000V。以功率为划分标准，变频器通常划分为≦7.5 KW、11-30 KW、37-90KW、≧110KW四个功率段；如果以负载类型为标准，则划分为三类：一是提升负载，主要使用行业为电梯和起重，此类变频器需要适应频繁的起停和正反转、大启动转矩，由于是与人直接相关的作业，对可靠性有着非常高的要求。这些特点决定了提升负载是技术门槛最高的一个类别。二是机械负载，它是变频器市场最大的一块，占据市场的近一半。除了冶金(轧机等)和造纸

采用较大功率变频器之外，主要运用于配套较小功率变频器的OEM市场，如纺织机械、包装机械等。机械负载对精度有较高的要求，同提升负载一样，多采用矢量型变频器。三是风机水泵类负载，这是最为常见的运用类型，负载较为简单，技术要求不高。

变频器被称为“现代工业的维生素”，集微电子、电力电子和控制技术于一体，在节约电能，改善生产工艺、提高生产自动化水平等方面，具有突出的作用。变频器的应用很广泛，在电力、机械、交通、纺织与化纤、建材、建筑、石油、化工、医疗、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(空调、供水、水处理、电梯等)中，变频器都在发挥着重要作用。

3．2电子电源

电源包括电子电源和化学物理电源，与电力电子技术应用相关的是电子电源。电子电源就是对公用电网或某种电能进行变换和控制，向各种用电负载提供优质电能的供电设备。

3．2．1开关电源

开关电源就是通过电路控制开关管进行高速的导通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压的电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。 工频交流直流高频交流高频交流脉动直流稳压直流C+ui变压器+uo 图3．2 开关电源的典型结构 开关电源的工作原理是: 1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;

3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;

4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰; 在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出； 一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。 开关电源由以下几部分组成：

1.主电路：从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1）输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

2）整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3）逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

4）输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2.控制电路 ：一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

3.检测电路 ：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。

4.辅助电源 ：提供所有单一电路的不同要求电源。

开关电源的典型结构如图3．2所示。图3．2中的整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C滤波后得到直流电压ui ，再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。由于人耳可听到的音频的范围大体上为20Hz～20KHz，因此逆变器的开关频率大多选在20KHz以上，这样就避免了令人烦躁的噪声污染。逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成适当的交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压uo。

当交流输入电压、负载等变化时，直流输出电压uo也会变化。这时可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输出电压uo保持稳定。从图2及开关电源的工作原理可以看出，逆变电路时开关电源的核心部分。

上述电路结构看起来相当复杂，但其有几个突出特点。首先，该电路中期调节输出电压作用的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态，损耗很小，使得电源的效率可达到90%以上，甚至95%以上。其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器，其工作频率多为20KHz以上。因为高频变压器的体积可以做的很小，从而使整个电源的体积也大为减小。

开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

3．2．2不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。UPS优点在于持续不间断、稳定；另外还起着交流、直流互相转换的作用。从功能上讲，UPS可以在市电出现异常时，有效地净化市电，还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电，使工作人员从容应对。始终向负载提供高质量的交流电源，达到稳压.稳频.抑制浪涌.尖峰.电噪音.补偿电压下陷.长期低压等因素干扰。

UPS电源输出功率从500VA～3000KVA不等。UPS电源按其工作方式可分为后备式UPS和在线式UPS两大类。后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合。在线式UPS电源与后备式UPS电源相比，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。

UPS电源按其输出波形又可分为方波输出UPS和正弦波输出UPS两种。方波输出的UPS电源带负载能力差(负载量仅为额定负载的40～60％)，不能带电感性负载。如所带的负载过大，方波输出电压中包含的三次谐波成份将使流入负载

中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。正弦波输出的UPS电源的输出电压波形畸变度与负载量之间的关系没有方波输出UPS电源那样明显，带负载能力相对较强，并能带微电感性负载。

不管哪种类型的UPS电源，当它们处于逆变器供电状态时，除非迫不得已，一般不要满载或超载运行，否则会使UPS电源的故障率明显增多。

UPS 电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。

图3．3 UPS电源系统结构

如图3．3所示，在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑→所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电（如虚线所示）。

UPS 电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70％的额定功率。当负载功率确定后储

能电池容量的选取主要取决于其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。如因生产需要不允许断电的场合，UPS电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50％并留有一定的余量。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

3．2．3感应加热电源

感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。感应加热电源实质上是一种AC-DC-AC的变压变频装置，其主电路基本结构如图3．4所示，包括整流电路、滤波电路和逆变电路三大部分，辅助一些控制电路和保护电路。工作时，三相或单相的工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器中，把直流电压变为所需频率的交流电压供给负载。感应加热电源的负载是由感应线圈和被加热物体一起组成的，功率因数低，为了提高功率因数，采用连接电容器来补偿无功功率。而为了减小开关损耗又常采用谐振软开关技术，实现零电压或零电流开关。这样根据补偿电容与负载感应线圈连接方式的不同，可以将逆变电路分为串联谐振电路和并联谐振电路两大类，与此对应的是电压型逆变电路和电流型逆变电路。逆变器的电路形式和拓扑结构比较繁多，分类方法不一，按相数分可分为单相、三相和多相；按电路结构可分为全桥、半桥和非桥式；使用于感应加热的逆变器，多采用单相的桥式并联、串联、串并联、倍频和时间分割式逆变电路。随着大功率、快速自关断器件的出现，倍频、时间分割电路等慢慢淡出，主电路结构也简单化。 工频电 整流器滤波器逆变器负载 图3．4 系统主电路基本结构 整流器控制保护逆变器控制频率跟踪及电流控制功率给定近年来感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：

1．加热温度高，而且是非接触式加热； 2．加热效率高，可以节能；

3．加热速度快，被加热物的表面氧化少；

4．温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定； 5．容易实现自动控制，使用方便；

6．作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘； 7．作业占地少，生产效率高。 表3 应用部门 冶金 黑色、有色金属的冶炼和保（升）温；金属材料的热处理；冷坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧制等型材生产的透热；焊管生产的焊接。 机械制造 黑色、有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热；化学热处理的感应加热；压力加工（锻、挤、轧等）前的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配等。 轻工 石油、化 工 电子 罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 化学反应等容器加热、输道焊接缝现场退火，输路的保温等 电子管生产中的真空除气时的加热等 主要用途 目前感应加热装置主要分为电子管式感应加热装置和半导体式感应加热装置，两者各有优缺点。同频率、同容量（100kW）晶体管式高频装置与电子管式高频装置相比，体积缩小2/3，重量减轻2/3，冷却水消耗量节约1/2，节约耗电量超过1/3，效率提高35%，而且前者寿命长，安全可靠，易实现自动控制，有利于提高加热质量，维护

工作量小，可随用随开；后者则需预热后才能投入运行，维护工作量大，维护费用高。

电子管式感应加热装置，其频率范围一般在0.1~5MHz左右，特殊的有用到10MHz以上的。100~200kHz的振荡器，多用于熔炼银、金、铂、铝、镍等金属；300~500kHz的振荡器用于锗、硅及化合物半导体的有坩埚拉制单晶和各种金属的焊接、气体分析、热处理等；2~5MHz的振荡器用于硅的无坩埚区熔拉制单晶。10MHz以上的振荡器用于介质的加热或金属的高频溅射。电子式感应加热装置的频率等级少，不能根据加热工艺的要求选择更适合的工作频率，往往不得不迁就频率而牺牲效率

半导体式感应加热装置的出现使感应加热用的频率选择概念发生很大的变化，可以根据加热工艺的要求选择合适的工作频率，还具有频率自动跟随负载变化的特性，可以选择理想的工作频率，使装置效率最高，从而达到节能、省时的目的。从节能角度出发，频率等级似乎越细密越好，但是过细、过密就涉及到配套的协调问题，但同一频率等级的半导体式感应加热装置的实际工作频率，允许在一定的范围内变化。在一般情况下，至少允许围绕该频率等级值变化20%。在频率段上的划分是：500kHz以下的称为低频，1~10kHz称为中频，20~ 75kHz称为超音频，100kHz以上称为高频。

感应加热电源对国民经济的发展有着重要的意义，在应用领域方面，已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中。此外，感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。

图3．5熔炼 退火热处理 淬火热处理

3．3电力电子技术在电力系统中的应用

电力系统是电力电子技术应用的最重要和最有潜力的领域之一。其典型应用有高压直流输电HVDC、柔性交流输电系统FACTS(包括静止电压补偿器、静止相

位补偿器、功率流控制器等)、有源电力滤波器(APF)、蓄能电站用交流励磁系统等。

进入21世纪，我国电力建设规模更为巨大，在大规模进行电力建设的同时，还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。从用电角度来说，利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率；从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。目前，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用。与其它应用领域相比，上述这些应用要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。

3．3．1发电系统

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术在发电环节的应用以改善发电机组等多种设备的运行特性为主，包括：

3．3．1．1大型发电机的静止励磁控制装置

励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气装置。励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励磁电源和励磁装置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。励磁装置可以单独提供，亦可作为发电设备配套供应。

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

3．3．1．2水力、风力发电机的变速恒频

励磁水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大

有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

3．3．1．3发电厂风机、水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。

从2001年开始，电力行业的高压变频应用主要集中在引风机系统；在该专业设备的应用超过电力行业总体应用的42%，占有很高的比重。而且，呈现逐年递增的势态。高压变频在引风机上的应用开始向300MW以上机组，大功率、超大功率的产品应用方面发展。

高压变频在电力行业的应用，具有鲜明的应用技术特征。在产品本身技术成熟的同时，其应用空间和前景有赖于系统成套应用技术的成熟和发展。高压大功率产品在引风机上的应用，则得益于变频调速技术在引风系统中的应用和完整解决方案等方面的成熟和被广泛认可。而在其它专业设备的应用方面，可以应用大功率产品却没有被广泛推广应用的原因，还主要是集中在系统成套应用技术的整体解决、系统安全性等方面，而不在是因为高压变频技术本身。

3．3．1．4太阳能发电控制系统

开发利用无穷尽的洁净新能源———太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。

太阳能发电具有许多优点，如安全可靠，无噪音，无污染；能量随处可得，无需消耗燃料；无机械转动部件，维护简便，使用寿命长；建设周期短，规模大小随意；可以无人值守，也无需架设输电线路，还可方便与建筑物相结合等，这些都是常规发电和其他发电方式所不及的。

光伏发电系统是直接将太阳能转换为高品位能源——电能的装置，根据光伏系统与电网的关系，可以分为光伏系统和并网发电系统。系统常用在远离电网的偏远地区，它利用蓄电池和太阳能电池构成的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池中；并网系统是将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。

基本的光伏发电系统包括光伏电池板、DC/DC变换装置、电能输出变换装置、控制器物大部分，如图3所示。为了提高光伏电池的转换率，光伏电池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有抛物槽、菲涅耳透镜、CPC聚光器、荧光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它们都可以不同程度的提高光伏电池的转换率。光伏电池产生的电流通过DC/DC变换装置可以直接供给各种直流负载，同时为储能装置充电。储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。在联网光伏电源系统中还要有交流联网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负责为系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断作出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。如果有自动跟踪装置，也是由同一个控制器进行集中控制，来跟踪太阳位置的变化。光伏控制器和逆变器是光伏发电系统中的关键部件，大功率太阳能发电，无论是系统还是并网系统，通常需要将不稳定的直流电转换为标准的交流电，所以具有最大功率跟踪功能的控制器和逆变器成为系统的核心。

光伏发电的跟踪系统主要部分如图3．6中的A点左侧所示，主要包括聚光器，对太阳的跟踪，最大功率点的跟踪，以及对蓄电池充放电的控制。

MPPTA蓄电池DC/DCDC/ACB交流连接装置交流电网直流负荷交流负荷

图3．6 光伏电源系统的一般结构组成

光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MWp，2020年累计装机将达到30GWp，2050年将达到100GWp。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。

3．3．2输电系统

3．3．2．1柔性交流输电技术(FACTS)

柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术(FACTS)是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。

到目前，FACTS控制器已有数十种，已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器(SVC)、静止调相机(STATCOM)、静止快速励磁器(PSS)、串联补偿器(SSSC)、统一潮流控制器(UPFC)、晶闸管控制串联电容器(TCSC)、晶闸管控制申联电抗器(TCSR)和可转换静止补偿器(CSC)等。

根据FACTS控制器与电网中能量传输的方向是串联（平行）或并联（垂直）关系，将其分为以下4种基本类型。

3．3．2．1．1串联型FACTS控制器

如图3．7所示，串联型FACTS控制器与线路串联，方框内加一个晶闸管符号代表 FACTS控制器。具体形式上，它可以使一个串联的可变阻抗，如晶闸管投切或控制的电容器、电抗器；或者是基于电力电子变换器的，用于满足特定的需要而具有基频、次同步和谐波频率（或其组合）的可控电源。原则上，所有的串联型FACTS控制器都产生一个与线路串联的电压源，通过调节该电压源的幅值和相位，即可改变其输出无功甚至有功功率的大小，起到直接改变线路等效参数

（阻抗）的目的。

u 串联型 FACTS控制器由于能调节线路等输电线效阻抗，从而直接影响电网中电流和功率的分布以及电压降，因此在实际应用中，对于控制潮流、提高暂态稳定性和阻尼振动等具有非常好的效果。 图 3．7串联型FACTS控制器串联型FACTS控制器主要有以下几种： (1)晶闸管控制串联电容器（TCSC）

TCSC是一种阻抗补偿设备，由一组电容器和一个晶闸管控制的电抗器并联组成，串联在传输线上用以提供连续可控的补偿容（感）抗。

TCSC的基本（单相）结构如图3．8所示，它由一个大容量电容器或一组电容器与一个TCR并联构成，主电力电子器件为没有门极关断能力的晶闸管，因此TCSC属图3．8TCSC/TSSC的基本结构输电线于基于晶闸管控制型FACTS控制器。 TCSC的基本工作原理是：当TCR支路的晶闸管完全关断时，电抗器不导通（电抗为无穷大），TCSC表现为一般的电容器串联补偿；当晶闸管导通度逐渐增大时，TCR支路的电抗从无穷大逐渐减小，TCSC的阻抗为TCR支路等效电抗与电容容抗的并联，将呈容性逐渐增大；当TCR支路等效电抗达到某个特定值时（大小等于电容器容抗时），将发生并联参数谐振，TCSC阻抗为无穷大；当晶闸管导通度进一步增大时，TCSC将表现为感性阻抗，且随着导通度的增大，感抗逐渐下降，在TCR支路完全导通时，获得最小的感抗值。因此，通过控制TCR支路上的晶闸管的导通角度，可以在一定的感性和容性范围内连续调节TCSC提供的等效阻抗。

实用的TCSC，其TCR支路的电抗值通常为串联电容容抗值的1/10～1/3，而当TSR支路的电抗值进一步减小，且只采用投切控制时，则得到另一种串联型FACTS控制器，即晶闸管投切串联电容器（TSSC）。

TSSC是一种容性阻抗补偿设备，由一组电容器组和一个晶闸管投切的电抗器并联组成，串联在传输线上用以提供阶梯式控制的补偿容抗。与RTCSC相比，TSSC的电抗支路由于不采用触发角控制降低了开关损耗和成本，但它只有两种工作模式，即电抗支路断开的电容器串联补偿模式和电抗支路完全导通的旁路模式。旁路模式下，由于TSR支路的电抗值很小，相当于短路，因此TSSC只能提供阶梯式可控的串联容性阻抗补偿。 （2）晶闸管控制串联电抗器（TCSR）

TCSR是一种感性阻抗补偿设备，由电抗器和一个晶闸管控制的电抗器并联组成，串联在传输线上用以提供连续可控对补偿感性。

TCSR的基本（单相）结构如图3．9所示，它可以视为将TCSC中的串联电容换成串联电抗而得到的一种FACTS控制器。它的工作原理与TCSC类似，管触

发角控制，当TCR支路完全导通时获得最小的感性补偿电抗，当TCR支路完全关断时获得最大的感性补偿电抗。

的基本结构图3．9TCSR/TSSRTCSR也可以作为短路电流器使用：正常运行时，TCSR提供一个较小（远小于线路电抗）的感性补偿，对线路的整体压降影响较小；当输电线上发生短路时，控制TCR支路的晶闸管阀完全关断，TCSR快速提供一个很大的串联电抗，能大大降低短路电流。

TCSR如果不采用晶闸管触发角控制而仅采用投切控制，则得到另一种串联型FACTS控制器，即晶闸管投切串联电抗器（TSSR）。TSSR是一种感性阻抗补偿器，由电抗器和一个晶闸管可能控制的电抗器并联组成，串联在传输线上用以提供阶梯式控制的补偿感抗。与TCSR相比，TSSR的电抗支路由于不采用触发角控制，减低了开关损耗和成本，但它只有电抗支路完全断开和导通两种工作模式，因而只能提供阶梯式可控的串联感性阻抗补偿。 ⑶静止同步串联补偿器（SSSC或S3C）

输电线SSSC是一种不含外部电源的静止式同步无功补偿设备，串联在输电线上并

产生相位与线路电流正交、幅值可控制的电压，能通过增加或减少线路上的无功压降而控制传输功率的大小。SSSC也可以包含一定的暂态储能或耗能装置，通过在短时间内增加或减少线路上的有功压降而起到有功补偿的作用，从而达到改善电力体统动态性能的目的。

简单的看，SSSC就是将STATCOM串联在线路上使用的一种FACTS控制器。它也属于基于变换器型FACTS控制器，变换器可以采用VSC，也可以采用CSC。图3．10所示即为基于VSC的SSSC，其相当于将STATCOM的变换器通过变压器（或电抗器）并联到系统木线上的结构改变为变换器（或电抗器）串联到线路上而得到。

由于SSSC是串联在输电线路上，而通常注入的电压远小于线路电压等级，因此，SSS的对地绝缘要求很高。基于VSC的SSSC通过调节器直流侧电容电影

的幅值或变换器的调制比就可以控制变换器交流输出电压的幅值，进而改变其输出电压的极性和大小，达到连续控制输出无功功率的极性和大小的目的。 输电线输电线+ （a） -+接口储能设备(b) -图3．10 基于VSC的SSSC及支流侧带储能设备的情况 可以在SSSC直流侧引入蓄电池和超导磁体等储能设备而构成能更强的串联FACTS控制器，如图7（b)所示，从而使其输出电压相量与线路电流相量之间呈非直角关系，实现“四象限”串联补偿。 3．3．2．1．2并联型FACTS控制器 如图3．11所示，并联型FACTS控制器与能量流输电线i动的方向呈垂直（并联）关系。在具体形式上，它可以使一个并联可变阻抗，如晶闸管投切或控制的电容器、电抗器；或者是基于电力电子变换器的可控注入电源。原则上，所有的并联控制器都相当于一个在连接点处向系统注入的电流源，通过改变其注入系统的无功甚至有功功率的大小，起到调节节点功率和电压的作用，进而达到间接调节电网潮流的目的。并联型FACTS控制器 图 3．11 并联型 FACTS 控制器在维持变电站母线电压方面更具性价比，并且它是对母线节点而不是单一的线路起补偿作用。

并联型FACTS控制器主要有以下几种： （1）静止无功补偿器（SVC） ①SVC

SVC是一种静止的并联无功发生或者吸收装置，可以调整其输出为容性或感性电流从而达到抗争电力系统特定参数（通常是母线电压）的目的。 ②晶闸管控制电抗器（TCR）

TCR是一种并联的晶闸管控制的电感，通过对晶闸管阀进行部分导通控制，可连续调节其有效电抗。TCR是SVC的一个子集，对基于晶闸管构成的交流开管阀采用触发角控制方式来控制阀体在每个周波的导通时间，从而控制流过并联电抗器的电流，进而改变其等效的极波电抗，达到调节补偿功率的大小。 ③晶闸管投切电抗器（TSR）

TSR是一种并联的晶闸管投切的电感，通过对晶闸管阀进行全导通或全关断控制，可阶梯式改变其等效电抗。TSR也是SVC的一个子集。它通常由几个并联的电感支路组成，每个电感支路都由设有触发角控制的晶闸管阀来投切，从而达到阶梯式改变所消耗的无功功率的目的。对晶闸管阀不使用触发角控制可以降低成本和损耗，其缺点是不能连续控制有效电抗。 ④晶闸管投切电容器（TSC）

TSC是一种并联的晶闸管投切的电容器，通过对晶闸管阀进行全导通或全关断控制，可阶梯式改变其等效容抗。TSC也是SVC的一个子集。它通常也由多个并联的电容器支路组成，每个支路都由设有触发角控制的晶闸管阀来投切，从而达到阶梯式改变注入系统无功功率的目的。与并联电抗器可以在任意时刻通过开通晶闸管阀投入运行不同，并联电容器必须在适当的时机开通晶闸管阀而投入运行，否则可能因为过大的冲击电流而损坏设备。

SVC是一个通称，它包括TCR、TSR、TSC以及它们之间或与机械投切式无功补偿设备（MSC、MSR）构成的某种组合体，它属于基于晶闸管控制/投切型FACTS控制器。图3．12所示的并联无功补偿系统包括了常见的SVC设备。SVC是最早

出现的FACTS装置，也是目前应用最为广泛的FACTS控制器之一，它不仅用于输电网用以控制节点电压水平，提高传输可控性、系统稳定性和输送容量，还广泛应用于配电网中，用来提高供电可靠性和电能质量。 TCRTSR滤波器MSCMSR输电线TSC 图3．12 包括TCR/TSR、TSC、滤波器、MSC和MSR的并联无功补偿系统 （2）静止同步补偿器（STATCOM或SSC） STATCOM/SSC是一种并联的、能进行无功补偿的静止同步“发电机”，其容性和感性输出电流可于注入点的电压而进行控制。它是FACTS的核心控制器之一，属于基于变换器型FACTS控制器。变换器可以采用电压型变化器（VSC）如图3．13（a）所示；也可以采用电流型变换器（CSC），如图9（b)。目前基于VSC的STATCOM更常见。 输电线输电线 图3．13 基于 VSC和基于CSC的STATCOM +(a)-(b)对于基于VSC的STATCOM，通过调节其直流侧电容电压的幅值或变换器的调制比，可以控制变换器交流输出电压的幅值，进而改变装置输出电流的极性（容性或感性）和大小，达到连续控制输出无功功率的极性和大小的目的。在动态响应速度和可控性能上，STATCOM优于SVC，而SVC目前在同容量成本上较STATCOM低。STATCOM还可以用作滤除电力系统谐波的有源滤波器。

由于STATCOM的直流侧一般采用电容或电感等元件，不能大容量存储电能，因此，它只能提供持续的无功补偿功能。 （3）静止同步发电机（SSG） SSG是一种由适当电源供电的静止自换流开关式功率变换器，可与交流电力系统并网运行，通过调节其多相输出电压而达到与电网交换可控制的有共和无功功率的目的。 SSG是通过在STATCOM直流侧引入电源或大容量储能系统而发展出来的一种广义并联控制器，即是STATCOM和一个既能吸收又能放出能量的储能设备的组合体，如图 图3．14将STATCOM和储能设备组合构成静止同步发电机（SSG）输电线+接口-储能设备3．14所示。其中储能设备可能是电池、超导体、飞轮、超级电容组，或者是另外的整流设备；在电源和变换器之间采用一定的能量接 口电路，如斩波器，即可使电源不断地补偿直流电

容/电感上的能量，使主变换器与并网的并联系统持续交换可控的有功和无功功率，进行四象限补偿。

（4）静止无功发生/吸收器（SVG）

SVG是一种静止的电气设备、装置或系统，能够向电力系统输出可控的感性或者容性电流，从而发出或吸收无功功率。一般认为，SVG包括并联的晶闸管控制/投切电抗器（组）、晶闸管投切电容器（组）以及STATCOM等。SVG是一个广泛意义上的静止无功电源，通过恰当的控制可以将其转换为具有特定功能或者多个功能的并联无功补偿器。因此，SVC和STATCOM都属于SVG的范畴。 （5）静止无功补偿系统（SVS）

SVS是一种将不同的静止式以及机械投切式无功补偿装置的输出进行协调而构成的并联补偿系统。SVS是将SVG与不可控的机械式并联无功补偿设备组合而形成的、较广泛意义上的并联无功补偿系统。图9所示即为一个SVS，在同一母线上包含了SVC（TCR/TSR、TSC）、滤波器、MSC和MSR。 （6）无功补偿系统（VCS）

VCS是将不同的静止式、机械投切式和旋转式无功补偿装置的输出进行协调而构成的并联补偿系统。VCS是将SVG、不可控机械式和旋转式并联无功补偿设备组合而成的最广泛意义上的并联无功补偿系统。 （7）晶闸管控制制动电阻（TCBR）

TCBR是一种并联的晶闸管投切的电阻器，主要功能是，在发生扰动后加强电力系统的稳定性和降低发电机组的功率加速度。

TCBR的（单相）结构如图3．15所是，它是在传统制动电阻基础上采用晶闸管代替机械开关而形成的并联FACTS控制器。晶闸管一般采用触发角控制，对于单相TCBR，每半个周波即可进行一次控制。在系统发生短路等大扰动情况下，通过快速投入电阻，消耗多余的功率而减少系统的不平衡功率，有利于减低机组加速度提高系统暂态稳定性和阻尼功率振荡。为了降低成本，也可以对晶闸管只进行简单的投切控制，但此时将不能有效地阻尼系统低频功率振荡。

（8）晶闸管控制电压器（TCVL） TCVL是一种由晶闸管投切控制的金属氧化物避雷器（MOV）用以在暂态过程中跨接在其两端的电压。 TCVL可由晶闸管阀与无隙避雷器串联构成；也可采用图3．16所示的结构，避雷器的一部分（10％～20％）与晶闸管阀并联，即被旁路掉，如此能动态降低电压的水平。由于TCVL需抑制持续时间长达数十个周期的过电压，因此所采用的MOV要求比普通的无隙避雷器具有更强大的耐受力。 输电线 图3．15晶闸管控制制动电阻（TCBR） 图3．16 晶闸管控制电压器（TCVL） 3．3．2．1．3串联—串联组合型FACTS控制器 在多回路输电系统中，可以将多个的串联型FACTS控制器组合起来，通过一定的协同控制方法使其协调工作，构成组合型FACTS控制器。也可以采用图3．17所示的方法，将两个或多个串联在不同回路上的变换器的直流测连接在一起，构成的串联—串联统一型FACTS控制器。

图3．17 串联—串联组合

型FACTS控制器3．3．2．1．4串联—并联组合型FACTS控制器

与串联—串联组合型FACTS控制器类似，串联—并联组合型FACTS控制器也有两种实现方式：一种是由的串联和并联控制器组合而成，通过适当的控制使其

交流直流功率交换系统协调工作，如图3．18（a）所示；另一种是通过将串联型和并联型FACTS控制器的直流侧连接在一起构成UPFC，如图3．18（b）所示。串联—并联组合型FACTS控制器通过并联部分向系统注入电流，通过串联部分向系统注入电压；而且，并联和串联部分通过直流环节连接起来以后，可以在它们之间交换有功功率。UPFC将串联型和并联型FACTS控制综合成一个整体，因此兼具二者的优点，能更好的控制电网潮流、提高系统稳定性和进行电压调节。 UiiU协制直流功率交换 (a)串联与并联协调式 (b)串联与并联统一式（UPFC）

图3．18 串联—并联型组合型FACTS控制器

串联—并联型FACTS控制器主要有以下几种： （1） 统一潮流控制器（UPFC）

UPFC是由STATCOM和SSSC基于共同的直流链路耦合形成，允许有功功率在SSSC和STATCOM的交流输出端双向流动，并在无需任何附加储能活电源设备的情况下即可同时进行有功和无功功率补偿的一种串联—并联组合型FACTS控制器。UPFC具有全面的补偿功能，不但能提供可控的并联无功功率补偿，而且可以通过向线路注入相角不受约束的串联补偿电压，同时或有选择的性的控制传输线上的电压、阻抗和相角，实现有功和无功潮流控制。

输电线UPFC的基本结构如图3．19所示。由于STATCOM和SSSC连接到共同的直流链路上，串联部分SSSC所需的有功功率可通过并联的STATCOM从同一线路传递过来，故其提供的串联补偿电压可以具有各种不同的相角，即可同时或有选择性地调节线路上的电压、阻抗和相角；而并联部分STATCOM通过恰当的无功功率补偿而客队线路

直流链路侧图3．19 UPFC的基本（单相）结构STATCOMSSSC的电压进行控制；因此，UPFC是一种完备的有功和无功潮流控制器，兼具调节电压的功能。在UPFC的直流链路侧引入如蓄电池、超导磁体等储能设备，并通过适当的协制，可进一步增加UPFC的动态性能。 （2） 晶闸管控制移相变压器（TCPST）

TCPST是一种采用晶闸管开关调节、可提供快速可变相角的移相变压器，也成为晶闸管控制相位调节器（TCPAR）或晶闸管控制移相器（TCPS）。

TCPST的基本原理是通过在原有电压上叠加一个向违约与其垂直的电压相量来实现的，这个电压相量通常是从与另外两相电压相连的变压器得来的。其基本结构如图3．19所示，每相包括一个并联和一个串联的变压器绕组，二者之间通过一个基于晶闸管的电力电子拓扑电路连接起来，并联绕组的原边连接到另外两相，产生一个相位与控制相电压垂直的电压相量，它通过电力电子电路进行适当调节（即改变极性和幅值等）后叠加到控制相电压上，从而达到可控移相的目的。

近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高

压输电工程中得到应用。但FACTS技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FACTS装置控制系统的协调配合问题，FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题，FACTS控制纳人现有的电网调度控制系统间题等等。随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，在不久的将来会比常规的输配电方案更具竞争力。

三相输电线图3．19TCPST的基本（单相）结构3．3．2．2高压直流输电技术(HVDC)

高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电，注入受端交流电网。 3．3．2．2．1HVDC的基本原理及特点 （1）HVDC的基本原理 HVDC自19年诞生以来，其基本的工作原理变化不大，如图3．20所示的简单两端HVDC输电系统包括两个换流站、直流输电线路及两端交流系统Ⅰ和Ⅱ。当系统Ⅰ向系统Ⅱ送电时，换流站1运行于整流状态，把系统Ⅰ送来的三相交流电变换成直流电，经直流线路送到换流站2。换流站2则运行于逆变状态，把直流电变换为三相交流电送入系统Ⅱ。直流输电两端的直流电压及其间的直流电压，整流站控制直流电流（或功率），从而实现可控的输送功率。同时可通过改变直流电压的极性快速方便的完成潮流反转。直流输电线路不传输无功功率，但基于晶闸管的整流器和变换器在进行变流时，均需一定量的无功功率。 换流站1直流输电线路IdPd=UdId变流站2 交流系统Ⅰ ±UdPd=-UdId交流系统Ⅱ 图3．20 HVDC输电的基本原理 图3．21为一个基于晶闸管阀换流站的基本结构，主要包括：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流/直流滤波器（和无功功率装置）、监控与保护系统以及交流断路器/开关等辅助设备，输出接到直流线路和/或接地极，或直接与另一个换流器连接（B2B的情况）。 直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同的设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器以及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀，换流阀单位容量在不断的增大。 换流器是换流站中最核心的部分。目前应用最广大是20世纪70年代发展起来的、基于晶闸管阀的换流方式，它以晶闸管作为主开关器件，一般采用多脉波（如12脉波）CSC结构。由于晶闸管容量大、制作成本低以及基于晶闸管阀的多卖波整流和逆变技术应用时间长，成熟可靠，因此基于晶闸管阀的HVDC输电技术自其诞生至今仍然被广泛应用。 (2)HVDC的特点： 自19年世界上第1条高压直流输电(HVDC)联络线投入商业运行以来, HVDC作为一项日趋成熟的技术得到了广泛应用。直流输电在技术方面有许多优点：①不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联；②短路电流；③没有电容充电电流；④节省线路走廊等等 平波电抗器换流器交流母线直流线路/电缆直流滤波器交流变压器无功 交流滤补偿波器 监控与保护系统通信 图3．21 基于晶闸管换流站的基本结构 3．3．2．2．2HVDC分类：

根据换流站的数目，输电系统分为两端直流输电系统（端对端）和多端直流输电系统两大类。目前世界上已运行的直流系统绝大多数是两端系统。 两端直流输电系统只有一个整流站（送端)和一个逆变站（受端），它又分为单极系统、双极系统和背靠背（B2B）系统三种类型。单极系统有单极大地回线和单极金属回线两种接线方式。双极系统是大多数直流输电工程采用的系统构成方式，通常两端变流站的中性点均接地，整流站对地正负两极通过正负两根极线与逆变站的正负两极相互连接，形成直流侧的闭环回路，输电线路长度为零的双极系统称为B2B直流系统。

多端HVDC输电系统是指与交流系统有三个或三个以上连接端口的HVDC输电系统，它能实现多端直流供电或多落点受电，还可联系多个交流电网或将交流电网分隔离为多个同步电网。由于直流断路器和负荷开关等设备的研制尚未取得突破以及多端直流系统的控制过于复杂等原因，多端HVDC输电应用很少，目前只有两个三端直流输电工程投运。

直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统(Light HVDC)，它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。此外，由于采用可关断的电力电子器件,可以免除换相失败的风险，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛)供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。我国的直流输电设备，目前与国外差距很大，但直流输电在我国电力工业中的应用已有一个良好的开端，随着直流输电工程的建设和大容量可控硅元件制造技术的引进，直流输电技术的进一步发展，经济性提高，直流输电在我国将有非常广阔的发展前景。

3．3．2．2．3轻型高压直流输电（HVDC Light/HVDC Plus）

轻型高压直流输电是HVDC发展史上一次重大技术突破。它的关键点是基于IGBT等可关断器件构成的电压型换流器（VSC）来取代传统的晶闸管构成的电流型换流器（CSC）。图3．22所示为HVDC Light换流站的基本结构，由于采用VSC，其直流侧为直流电容器，主要作用是为关断电流提供一个低电感的路径和储存能量，还可减少直流侧的谐波。

VSC直流线路/电缆 交流母线 电抗器Y△交流滤波器监控与保护系统通信 图3．22 HVDC Light 换流站的基本结构 HVDC Light主要优点包括： （1）客观段期间具有自换流能力（不同于晶闸管的负载换流或强迫换流），可减少甚至省略换流变压器； （2）可关断器件，如IGBT的开关频率高，可使用PWM技术以提高输出波形质量，减少滤波设备： （3）VCS可完成无源逆变，能向无源负荷供电，可对无功和有功分别进行控制，省略了交流侧无功补偿设备； （4）不提供短路电流： （5）换流站结构紧凑、占地少。 但是，由于目前IGBT的电压和容量水平远不及晶闸管，加上IGBT的损耗较大，因此HVDC Light 目前还只能完成中小型直流输电，特别是一些特殊的应用场合，如象孤立小区域（如海上石油平台、海岛）的远方负荷输电，远方小规模发电设备（如小型水力、风力、光伏发电厂与猪肝电网或远方负荷的连接）以及城市配电系统。随着门极换相晶闸管（IGCT）和碳化硅等新型半导体器件的开发，HVDC Light的发展尚有广阔的前景。 3．3．3配电系统

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(Custom Power简称CP)技术。CP技术和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力；发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，目前二者已逐渐融合于一体，即所谓的DFACTS技术(国内有些研究机构，比如清华大学将电能质量、配网监测、无功补偿等技术综合在一起，统称为DSTATCOM技术)。

具有代表性的用户电力技术产品有:动态电压恢复器(DVR)，固态断路器(SSCB)，故障电流器(FCL)，统一电能质量调节器(PQC)等。