电气工程新技术.ppt
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1、电气工程新技术电气工程新技术电气工程新技术电气工程新技术首首 页页1 1下 页上 页返 回电气工程的基本范畴电气工程的基本范畴 1.电机与电器 2.电力电子与电气传动 3.电力系统及其自动化 4.高电压与绝缘 5.电工理论与新技术 而且每个领域都有新技术的产生。2 2下 页上 页返 回一 电气工程技术的有关内容(1)火力发电(2)风力发电(3)地热发电(4)太阳能发电(5)潮汐发电(6)垃圾发电(7)核能发电(8)水力发电和抽水蓄能发电测量技术:非接触式能量控制,电磁式 电力收费系统电力传输 直流电交流电直流电电气传动控制高压变频器大规模集成电路的电路分析建筑电气化工厂电气设备电力机车电能质量
2、控制-无冲击的变压器启动,电力有源滤波器,UPFC、IPFC等3 3下 页上 页返 回4 4下 页返 回2.1 磁性材料的特性分析 图中,Br为剩磁感应,Hc为矫顽磁力,Hm为最大磁场强度,Bm为最大磁感应强度,对应于Hm1的磁滞回线称为饱和磁滞回线。二、四象限对应的磁滞回线称为去磁曲线。当磁场强度由H增加到DH,再由DH减小到H,不断重复该过程,则得到图中小的磁滞回线,该回线称为局部磁滞回线。B0H HH+AHaBHm1HHmHcBrBmBm1图2.2 交流电作用下的磁滞回线上 页5 5磁通的定义为穿过某截面S的磁感应矢量的面积分,即:磁场强度向量和磁感应向量之间的关系为:式中的 、分别为导
3、磁物质的磁导率、真空磁导率、和相对磁导率。而根据安培环路定律知:在磁场中,沿任意闭合路径磁场强度向量的线积分,等于穿过该闭合路径所界定的面的电流的代数和,即:返 回下 页上 页6 6一般情况下,磁通于磁场强度之间的关系可写为:其中,为导线匝数;为磁场强度积分路径长度;由于m为非线性,所以磁通与电流之间的关系也是非线性关系。铁磁物质根据磁滞回线的形状及其在工程上的用途基本上分为两大类。一类是软磁材料,另一类是硬磁材料。软磁材料的磁滞回线狭窄,回线面积较小,磁导率高,一般用于电工钢片(硅钢片),做成电机、变压器、继电器的铁芯,铁镍合金、铁金氧磁体、纯铁、铸铁和铸钢等都属于软磁材料;硬磁材料一般具有
4、较高的剩磁感应Bs和较大的矫顽磁力Hc,磁滞回线较宽,如钨钢、钴钢等都是硬磁材料,一般制成永久磁铁。另外还有一种磁铁,它的磁滞回线呈矩形,一般计算机中的存储器铁芯就是用这种材料做成的。磁材料与温度有很大的关系,一般情况下,当磁场强度一定时,温度升高会使磁导率下降,最终会降至最小值m0,对应的温度称为居里点温度,或居里点。返 回下 页上 页7 7图2.3 典型的磁滞回线(a)硬磁材(b)软磁材(c)记忆磁材图2.4 交流信号作用下不同工作点对输出的影响返 回上 页下 页8 8下 页返回返 回2.2 2.2 直流侧电容参数的选择直流侧电容参数的选择 要有效减小要有效减小StatCom的体积,直流的
5、体积,直流电容的体积大小是一个重要的因素。电容的体积大小是一个重要的因素。逆变器直流电容的选择,与逆变器逆变器直流电容的选择,与逆变器结构、控制策略、线路参数等都有结构、控制策略、线路参数等都有很大的联系。很大的联系。9 9下 页返回返 回2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 逆变器及换流数学模型的建立逆变器及换流数学模型的建立逆变器及换流数学模型的建立逆变器及换流数学模型的建立StatCom结构由电结构由电压多重化方式组压多重化方式组成。电压等级越成。电压等级越高,每周期的换高,每周期的换流控制点越多,流控制点越多,StatCom系统控制系统控制性能越好。性能越好。UdrsisUs
6、LsLs sUidigrgLLgiL1010下 页返回返 回UbcUbaUcbUabUcaUacb b(6)(5)(4)(3)(2)(1)a a三相线电压矢量图三相线电压矢量图稳态时稳态时StatCom直流电压波形直流电压波形 UacUabw wtt3Udt2t11111下 页返回返 回令令Ls+L=Lg,假定负载电流为已知的三相对称恒流源,假定负载电流为已知的三相对称恒流源,其其a a相电流表达式可写为:相电流表达式可写为:假定系统电压为已知量,以假定系统电压为已知量,以a a相电压作为参考量,相电压作为参考量,a a相电压为相电压为:1212下 页返回返 回2.2.1.1 2.2.1.1
7、无换流重叠现象时的电路描述无换流重叠现象时的电路描述假定在某一时刻,假定在某一时刻,电路工作在电路工作在t1t2区区间,间,系统系统a、b两相两相对对StatCom的电容的电容进行充电。进行充电。UacUabw wtt3Udt2t1UbUaUscUcUdiscLsidCiLcrsiLaiLbisaisbrgrsrgLsLgLgLsigbigaUsbUsa1313下 页返回返 回设设a、b两相线路电感初始能量分别取负载电流源对应两相线路电感初始能量分别取负载电流源对应的值。令电容此时初始电压值为的值。令电容此时初始电压值为ud1(0),可得到稳态,可得到稳态时时StatCom的直流电压波形所对应
8、的电路方程:的直流电压波形所对应的电路方程:得得 代入上式代入上式 将将 和和1414下 页返回返 回式中,式中,由于系统电压和负载电流都是已知的正弦量,带入由于系统电压和负载电流都是已知的正弦量,带入相应的表达式后可得:相应的表达式后可得:式中,式中,1515下 页返回返 回当线路中各有关电阻、电感、和电容均为常数时,当线路中各有关电阻、电感、和电容均为常数时,二阶、线性非齐次微分方程。当特征根不含有虚数时,二阶、线性非齐次微分方程。当特征根不含有虚数时,它的解的形式为:它的解的形式为:式式为常系数、为常系数、式中,第式中,第1、2项为暂态分量,项为暂态分量,l l1 1和和l l2 2为上
9、式所对应齐为上式所对应齐次方程的两个特征值,其值分别为:次方程的两个特征值,其值分别为:1616下 页返回返 回第第3项为稳态分量,可通过直接求解稳态正弦电路求项为稳态分量,可通过直接求解稳态正弦电路求得。式中,得。式中,1717下 页返回返 回利用初始条件利用初始条件id(0)=Id01;ud(0)=Ud01可分别求得式可分别求得式 中的常数中的常数x x1 1、y1:而而所以所以1818下 页返回返 回求解求解可得:可得:和和1919下 页返回返 回平方根里面的数为零,则说明微分方程的解有重根,平方根里面的数为零,则说明微分方程的解有重根,其解的表达式为:其解的表达式为:若若此时,此时,z
10、1和和a1的值和上面相同,的值和上面相同,2020下 页返回返 回将将z1、a1和和l l 再代入初始条件可得:再代入初始条件可得:即得:即得:2121下 页返回返 回式中,式中,平方根里面的数小于零,微分方程式解为:平方根里面的数小于零,微分方程式解为:若若2222下 页返回返 回利用:利用:可知可知 代入代入 得:得:所以,所以,2323下 页返回返 回除以除以将将即可得即可得其中其中X1为该两个等式后面的两个常数之比。再由为该两个等式后面的两个常数之比。再由 可求得:可求得:2424下 页返回返 回2.2.1.2 2.2.1.2 IGBT提前触发时的换流模型提前触发时的换流模型 实际情况
11、下,实际情况下,StatCom中的中的IGBT由于控制需由于控制需要,其桥路的换要,其桥路的换流不是由于电网流不是由于电网自然换流,而是自然换流,而是在某一时刻在某一时刻IGBT提前触发导通。提前触发导通。rgUbUaUsaUcisaigcLgiLcUdrsLsCidUsciscUsbisbrsrsLsLsiLbiLaigbigargrgLgLg2525下 页返回返 回根据无换流重叠现象的电路模型图相似的推导方法,根据无换流重叠现象的电路模型图相似的推导方法,可推得可推得IGBT提前触发时的等效网络拓扑图对应的微提前触发时的等效网络拓扑图对应的微分方程为:分方程为:式中:式中:2626下 页返
12、回返 回过阻尼时的解为:过阻尼时的解为:方程方程稳态解部分为:稳态解部分为:2727下 页返回返 回过阻尼情况下,通过初始条件过阻尼情况下,通过初始条件ud2(0)=Ud02、id2(0)=Id02,可求得:可求得:特征根为:特征根为:方程方程2828下 页返回返 回临界阻尼情况下,依据前面分析的原理可得:临界阻尼情况下,依据前面分析的原理可得:z1和和a1的值和上面相同,的值和上面相同,再代入初始条件可得:再代入初始条件可得:即得即得2929下 页返回返 回欠阻尼的情况下:欠阻尼的情况下:式中式中,3030下 页返回返 回由由可知可知将此式代入将此式代入得得:3131下 页返回返 回所以所以
13、将将除以上式除以上式可得:可得:式中式中X2为该两个等式后面的两个常数之比,再由式为该两个等式后面的两个常数之比,再由式可求得:可求得:3232下 页返回返 回2.2.1.3 2.2.1.3 IGBT滞后触发时的换流模型滞后触发时的换流模型rgUbUaUsaUcisaigcLgiLcUdrsLsCidUsciscUsbisbrsrsLsLsiLbiLaigbigargrgLgLg 在某些控制情在某些控制情况下,桥路的况下,桥路的IGBT也有可能出也有可能出现滞后触发,如在现滞后触发,如在t2之后触发。此时之后触发。此时桥路是先经过电网桥路是先经过电网自然换流后,再进自然换流后,再进入电流重叠区
14、。入电流重叠区。3333下 页返回返 回电路的微分方程表达式为:电路的微分方程表达式为:3434下 页返回返 回比较比较 设此时的初始条件分别为:设此时的初始条件分别为:id3(0)=Id03,ud3(0)=Ud03过阻尼的方程解为:过阻尼的方程解为:特征根的解相同:特征根的解相同:3535下 页返回返 回式中式中 3636下 页返回返 回临界阻尼情况与临界阻尼情况与IGBT提前触发时的换流模型的情况提前触发时的换流模型的情况完全相仿,但初始条件不同,对应的方程可写为:完全相仿,但初始条件不同,对应的方程可写为:3737下 页返回返 回欠阻尼时衰减振荡过程的微分方程式的解可写为:欠阻尼时衰减振
15、荡过程的微分方程式的解可写为:式中,式中,由由得:得:3838下 页返回返 回将将 代入代入由由将此式代入将此式代入得:得:得:得:3939下 页返回返 回所以所以将将比上式比上式可得:可得:式中式中X3为该两个等式后面的两个常数之比,为该两个等式后面的两个常数之比,可求得:可求得:再由再由4040下 页返回返 回2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 电容参数的选择电容参数的选择电容参数的选择电容参数的选择 2.2.2.1 2.2.2.1 根据特征值确定电容量根据特征值确定电容量 由式由式可以看出当可以看出当 或或 时时 其对应暂态解部分为欠阻尼的衰减振荡过程,其对应暂态解部分为欠阻
16、尼的衰减振荡过程,4141下 页返回返 回解的形式为:解的形式为:式中式中式中,式中,w wn(i)为自然振荡角频率,表达式为:为自然振荡角频率,表达式为:z z为阻尼比,表达式为:为阻尼比,表达式为:当当i=1时,时,k=2;i=2和和3时,时,k=3/2 4242下 页返回返 回可以看出当可以看出当 或或 时时 对应的暂态解部分为过阻尼的衰减振荡过程,解对应的暂态解部分为过阻尼的衰减振荡过程,解的形式为:的形式为:4343下 页返回返 回中的中的zi为不同的数值,临界阻尼情况也代入相应的为不同的数值,临界阻尼情况也代入相应的表达式,可得到表达式,可得到id、ud过阻尼和欠阻尼曲线图。过阻尼
17、和欠阻尼曲线图。分别令分别令4444t/ms*10-30500500108642id/A下 页返回返 回z =0.001z =0.002z =0.003z =0.004z =0.005z =0.006z =0.007z =0.008z =0.009z =1.0z =1.1z =1.2z =1.3z =1.4z =1.5 z z 取不同值时取不同值时id过阻尼和欠阻尼曲线过阻尼和欠阻尼曲线 4545下 页返回返 回 z z 取不同值时取不同值时Ud过阻尼和欠阻尼曲线过阻尼和欠阻尼曲线 0600400108642t/ms*10-3Ud/KV200z =0.001z =0.002z =0.003z
18、=0.004z =0.005z =0.006z =0.007z =0.008z =0.009z =1.1-1.5电容的选择电容的选择可表示为:可表示为:4646下 页返回返 回2.2.2.2 2.2.2.2 根据根据ud的动态波形曲线要求确定电容的动态波形曲线要求确定电容01000500Ud/V3142t/msz =0.001z =0.002z =0.003z =0.004z =0.005z =0.006z =0.007z =0.008z =0.009z =1.1-1.5超前触超前触发时不发时不同同z值的值的ud波形波形4747下 页返回返 回800700600500400Ud/Vt/ms31
19、420z =0.001z =0.002z =0.003z =0.004z =0.005z =0.006z =0.007z =0.008z =0.009z =1.1-1.5滞后触发时不同滞后触发时不同z值的值的ud波形波形4848下 页返回返 回1电容电压的波动时间长短取决于控制策略和逆变电容电压的波动时间长短取决于控制策略和逆变器的物理实现结构。器的物理实现结构。1具体选择电容参数时,应充分考虑每个周期的控具体选择电容参数时,应充分考虑每个周期的控制密度。制密度。1在实际中,为了保证电容上直流电压的稳定性,在实际中,为了保证电容上直流电压的稳定性,对于控制密度较低的对于控制密度较低的StatC
20、om,应增加稳定直流,应增加稳定直流电容电压的稳压电路,以保证电容电压的稳压电路,以保证StatCom控制功能控制功能的正确实现。的正确实现。1对于控制密度较高的对于控制密度较高的StatCom,由于控制密度较,由于控制密度较高,电容相对可以取得小一些,甚至可以不要。高,电容相对可以取得小一些,甚至可以不要。4949下 页返回返 回设工频系统输入电压设工频系统输入电压U=400sinw wt(V),传输线阻,传输线阻抗抗Zs=0.009+4jw w10-4(W)W);三相全波整流输入阻;三相全波整流输入阻抗抗Zd=0.0053+0.001jw w(W W);三相;三相StatCom的逆变的逆变
21、器输入阻抗器输入阻抗Zg=0.014+8.410-4jw w(W W)。在。在t=0.25s时,负载等效电流由开始时的时,负载等效电流由开始时的iL=55*1.414sin(w wt+300)(A)突增到突增到iL=2501.414sin(w wt+450)(A)。根据以上参数,。根据以上参数,可得不同电容参数时的补偿响应过程图。可得不同电容参数时的补偿响应过程图。5050下 页返回返 回突加感性负载并保持功率因数不变时的动态波形突加感性负载并保持功率因数不变时的动态波形0.340.320.300.280.260.240.22400-2002000-400is/AUd,U/Vw wtUUd i
22、st=0.25msUd=104VC=1.1mFU=18V5151下 页返回返 回直流电流减小时突加感性负载的动态波形直流电流减小时突加感性负载的动态波形Ud,U/Vis/A-5005000.290.270.300.280.260.240.25w wt0UUd ist=0.25msUd=149VC=0.9mFU=29.4V5252下 页返回返 回UbcUbaUcbUabUcaUacb b(6)(5)(4)(3)(2)(1)a a在在根据特征值确定电根据特征值确定电容量容量方法中,初始值方法中,初始值可根据图中不同的运可根据图中不同的运行点的稳态值求取。行点的稳态值求取。为了求得电容电压和为了求得
23、电容电压和电容电流的初始值,电容电流的初始值,先假定系统工作在图中先假定系统工作在图中(1)点进行计算,此时系统对点进行计算,此时系统对应的拓扑结构可得到:应的拓扑结构可得到:5353下 页返回返 回因为因为 代入代入可得:可得:式中:式中:即即 5454下 页返回返 回典型的两电平和双三点式构成的典型的两电平和双三点式构成的StatCom可以可以完成无功补偿作用。完成无功补偿作用。当当StatCom发出无功和吸收无功时,直流电压发出无功和吸收无功时,直流电压有很大区别。有很大区别。用用根据特征值确定电容量根据特征值确定电容量方法进行参数选择时,方法进行参数选择时,并没有考虑稳压电路的支撑问题
24、,在确定的每并没有考虑稳压电路的支撑问题,在确定的每周期的控制密度的前提下,要根据时域图上曲周期的控制密度的前提下,要根据时域图上曲线确定电容参数,这种方法所得到的参数选择线确定电容参数,这种方法所得到的参数选择值一般会大些。值一般会大些。5555下 页返回返 回根据根据udud的动态波形曲线要求确定电容的动态波形曲线要求确定电容方法是建方法是建立在立在根据特征值确定电容量根据特征值确定电容量方法的基础之上,方法的基础之上,考虑了控制密度和稳压电路的支撑作用,范围考虑了控制密度和稳压电路的支撑作用,范围较宽,特别是稳压电路的支撑系数较宽,特别是稳压电路的支撑系数m m不是很容不是很容易确定,要
25、有一定的经验。易确定,要有一定的经验。用用电场能量变化率法电场能量变化率法方法需要预先对电路由一方法需要预先对电路由一定的了解,主要是确定电容电流的最大值,这定的了解,主要是确定电容电流的最大值,这在不同运行情况下,可能会有不同。在不同运行情况下,可能会有不同。5656下 页返回返 回小小结结:介绍了电力电子器件在无功补偿装置中的具体应用,介绍了电力电子器件在无功补偿装置中的具体应用,主要是针对主要是针对SVC、StatCom的控制原理、控制策略,的控制原理、控制策略,以及相关参数的选择进行了详细的分析;以及相关参数的选择进行了详细的分析;:对对SVC和和StatCom的传输特性进行了具体的比
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