电力电子电路的控制
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一概述
电力电子变换
电力变换：将一种参数（电压／电流的幅值、频率、波形）的电能变换为另一种参数的电能称为电力变换。
电力电子变换：利用电力半导体开关器件构成开关电路，对电路中的开关器件进行实时、适式的通、断状态控制，将电源输入的电压／电流幅值、频率或波形变换为另一种电压／电流幅值、频率或波形输出，称为电力电子变换。
电力电子(开关)电路：实现电力电子变换的开关电路。
电力电子变换器或变流器：实现电力电子变换的开关电路，连同其输入、输出滤波环节，辅助元器件和控制系统所构成的整体。
实现电力变换的技术
电力电子变换器在控制特性、重量、体积、效率、可靠性和维护管理等各方面均优于变流机组。
对比
两类变流机组：通过电动机－发电机组实现电力变换；电力电子变换器
z电源有两类：交流电源、直流电源
z负载有两类：交流负载、直流负载
z电力变换有四类：
（1）DC→DC （2）DC→AC
（3）AC→DC （4）AC→AC
电力电子变换器可实现这些电力变换
电力电子电路的基本形式（1）直流/直流降压变换电路
(Buck电路)
（2）直流/直流升压变换电路
(Boost电路)
（3）单相半桥电路
DC/DC 两象限变换器
A
N
EF
V E
F
A
EF
V E
F
单相半桥逆变电路单相半桥PWM整流电路
DC/DC
四象限变换器
单相桥式相控AC/DC
变换器
（4）单相全桥电路：
单相桥DC/AC 变换器
三相电压源PWM 整流器三相PWM 逆变器
三相桥式相控AC/DC 变换器
+-+-
（5）三相桥式电路：
AC/AC 变换器：周波变换器、矩阵型交流/交流直接变频器。
A
B
C
EF
V E
F
AC
三相
电力电子变换电源：利用电力电子电路给专用负载或通用负载供电DC/DC直流电源
DC/AC变换器（CVCF、VVVF交流电源）
AC/DC整流电源
AC/AC交流电源（变频器、周波变换器）
电力电子补偿控制器：
对电力电子电路中的开关器件实施控制，可输出所要求的幅值、频率、相位和波形均可控的电压或电流，补偿控制电力系统或负载
的基波电压／电流（幅值、相位）、谐波电压／电流、有功或/和
无功功率。
电力电子补偿控制器不仅在用电系统，在电力系统发电、输电、配电系统中得到广泛应用，电力电子补偿控制器将是今后10-20年
电力电子技术最大的应用领域和最高技术水平的应用领域。
利用电力电子变换和补偿控制技术可使发电、输电、
配电及用电高效、优质。
¾开关器件的开关模式控制
相控、方波、PWM方式
¾电能变换模式的控制
目标
工作原理及控制方案
电力电子电路的形式
电力电子电路的跟踪性能控制（控制器设计）
电力电子电路根据控制的不同可实现不同的电力电子变换
二有源电力滤波器
主要内容
电能质量问题
指标与标准
技术方案
并联型有源电力滤波器
串联型有源电力滤波器
有源电力滤波器应用
1.电能质量问题
电能质量从供电看包括电压质量、供电可靠性：
a)电压质量：
频率质量：频率偏差；
电压幅值：电压下跌、电压上升、电压瞬变、电压波动、过电压、欠电压、中断；
电压不平衡；
波形质量：谐波、间谐波、电压切痕；
b)供电可靠性
主要关注谐波和无功问题。
1.1谐波
谐波源：
¾非线性负荷产生谐波电流，谐波电流通过网络阻抗产生谐波电压，导致电网电压畸变。
¾谐波源主要包括铁磁设备、电弧设备和电力电子设备等。
a）铁磁设备：变压器、旋转电机等；
b）电弧设备：电弧炉、电弧焊、荧光灯等；
c）电力电子设备：电机调速装置（ASD）、整流柜、
开关电源、充电器、计算机电源、不停电电源（UPS）等。
¾电力电子设备已成为主要谐波污染源。
+−+−+
−sa L sb
L sc
L sa u sb u sc
u dc C dc
R 1
D 3D 5
D 4
D 6
D 2
D +
−
RC 型不控或相控整
流器是典型的谐波源； 谐波含量非常大，一般THDi ≥60％；
通常导致供电电压严重畸变；
一般要求在交流侧增加标么值为3％左右的电抗器。
电压型整流器谐波源
t (s)
(c ) U s a (V ) a n d i L a (A )
RL 型不控或相控整流器是典型的谐波源；
谐波含量大，一般THDi 值在30％左右；
也可能导致供电电压产生畸变；
+−+−+
−sa L sb
L sc
L sa u sb u sc
u dc
L dc
R 1
D 3D 5D 4
D 6
D 2
D +
−
电流型整流器谐波源
t (s)
(c ) U s a (V ) a n d i L a (A )
谐波危害：
¾附加谐波损耗，降低设备使用效率，增加线损
谐波电流、电压使电网中的电气设备产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；
¾热效应，绝缘老化，降低设备使用寿命
影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器过压过热，使电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
¾可能引起电网中局部谐振，损坏器件
会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐振波放大，使谐波危害大大增加，甚至引起严重事故。
¾电力系统保护设备（继电保护和自动装置）误动作
¾电气测量设备计量不准确
¾干扰甚至损坏电子通信设备
1.2无功
无功源:
无功功率的定义还在争论。
只讨论基波无功，不考虑谐波无功。
无功源主要包括阻感型负载、电力电子装置、电弧炉：a）阻感型负载：交流电机、变压器、日光灯镇流器、电抗器、架空线等；
b）电力电子装置：相控整流器、相控交流电机调速装置等；
c）工业用电弧炉。
无功危害:
¾冲击性无功引起系统电压波动和闪变，降低供电质量；
¾增加设备容量；
¾增加设备和线路损耗；
¾降低功率因数，严重时用户将受到无功罚款。
电弧炉
电力机车
卫星发射中心
大学教学楼i-a i-c i-b
R.M.S Values:
i-a Î
46.09A , i-b Î27.03A , i-c Î43.85A , i-neutral Î45.64A
i-neutral
Std. Current Waveform:
* Sinusoidal
* Neutral Current is 0
银行
Voltage RMS Vs. Time Current RMS Is. Time
输入电压达到要求范围负荷电流包含大量谐波
最大中线电流达到93.45A
2.指标与标准
性能指标：
¾总谐波畸变率THD（Total Harmonic Distortion）THD= Harm I rms/ Fund I rms
¾总要求畸变率TDD（Total Demand Distortion）TDD = Harm I rms/ Full-load Fund I rms
Total I, rms Fund I,
rms
Harm I,
rms THD(I)TDD
Full load936.68936.0035.57 3.8% 3.8% 836.70836.0034.28 4.1% 3.7%
767.68767.0032.21 4.2% 3.4%
592.63592.0027.23 4.6% 2.9%
424.53424.0021.20 5.0% 2.3%
246.58246.0016.97 6.9% 1.8%
111.80111.0013.3212.0% 1.4%
Measured
¾基波位移因数DF
（Displacement Factor）
1
cosΦ1＝P1/S1＝基波有功功率/基波视在功率¾功率因数PF （Power Factor）
PF＝P/S＝有功功率/视在功率。