电气工程新技术课件.ppt

1、首首 页页下 页上 页返 回 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。下 页上 页返 回(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 电能质量控制-无冲击的变压器启动，电力有源滤波器，UPFC、IPFC等下 页上 页返 回下 页返 回 图中，Br为剩磁感应

2、，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：

3、sBd S 0rBuHu u H0uruulHd li返 回下 页上 页一般情况下，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

4、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。/I l u s I返 回下 页上 页图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 页下 页返回返 回要有效减小要有效减小StatCom的体积，直流的体积，直流电容的体积大小是一个重要的因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，与素。逆变器直流电容的选择，与逆变器结构、控制策略、线路参逆变器结构

5、、控制策略、线路参数等都有很大的联系。数等都有很大的联系。下 页返回返 回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。UdrsisUsLsLs sUidigrgLLgiL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 UacUab tt3U

6、dt2t1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：)sin(LLmLatII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:tUUsmsasin下 页返回返 回2.2.1.1 2.2.1.1 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，系统间，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。UacUab tt3Udt2

7、t1UbUaUscUcUdiscLsidCiLcrsiLaiLbisaisbrgrsrgLsLgLgLsigbigaUsbUsa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的电路方程：的直流电压波形所对应的电路方程：dgaggagsbsassbsassbsauiLiriiLiirUU22)()(得得 111 1)(21EiLLCiLLrridgsdgsgsdgaLbsbLagasagadiiiiiiii,

8、1代入上式代入上式 Cdtiugad/1将将 和和下 页返回返 回式中，式中，)()()()(21 1LbLasLbLassbsagsiiLiirUULLE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：)30sin()(231021211tLLBAEgsLLmsLLmssmILIrUAsincos11cossinsLmLsLmLBL Ir I式中，式中，212111/cosBAB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，111 1)(21EiLLCiL

9、Lrridgsdgsgsd二阶、线性非齐次微分方程。当特征根不含有虚数二阶、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：时，它的解的形式为：式式为常系数、为常系数、)sin(1111121atzeyexittd式中，第式中，第1、2项为暂态分量，项为暂态分量，1 1和和 2 2为上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：22,1)()(21)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr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，2222

10、1)/122()(43CLLrrbazgsgs)30sin()30cos(2300LsLsLmsmLrIUa)30sin()30cos(2100LsLsLmsmrLIUb)(2/122111gsgsrrCLLtgabtga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：)sin(1111121atzeyexittd111101sinzyxId)cos()sin(1)(1)(1121111111112121aatCzeCyeCxdttzeyexCdttiCtuttttdd而而所以所以112111011

11、cos)0(aCzCyCxUudd下 页返回返 回0111110112121sin)cos(ddIzzCUxaaaa11012121110121211cossin2zCUzIydd111101sinzyxId112111011cos)0(aCzCyCxUudd求解求解可得：可得：和和下 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22,1)()(21)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr)sin()(11111atzeytextittd此时，此时，)cos()1()(1)(1

12、11111atCzeCyeteCxdttiCtutttddz1和和a1的值和上面相同，的值和上面相同，)(2/)(gsgsLLrr下 页返回返 回将将z1、a1和和 再代入初始条件可得：再代入初始条件可得：111101sin)0(azyIiddaa/cossin11221010111zCUIzxdd11101sinazIyd即得：即得：下 页返回返 回)sin()sin()(111111atztextidtd式中，式中，221)(4)()(21gsgsgsdLLrrCLL)cos()cos()sin()(1)(1111111212111atCztteCxdttiCtuddddtdd平方根里面的

13、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22,1)()(21)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr下 页返回返 回利用：利用：1111101sinsin)0(azxIidd可知可知 111011sinsinazIxd111112121101cos)cossin()()0(aCzCxUudddd代入代入 得：得：11010111 1112211(sin)coscos()ddddzUIzxCCaa所以，所以，2222111111010111111()()cos(sin)cosdddddddCzxUIzaa下 页返回返 回2222111111010

14、111111()()cos(sin)cosdddddddCzxUIzaa除以除以将将111011sinsinazIxd即可得即可得111Xtg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：111011sinsinazIxd111101sin/)sin(azIxd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IGB

15、T提前触发导通。提前触发导通。rgUbUaUsaUcisaigcLgiLcUdrsLsCidUsciscUsbisbrsrsLsLsiLbiLaigbigargrgLgLg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：222 2)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd式中：式中：)120sin(2022222tLLBAEgsLLmsLLmsIrILAsincos2LLmsLLmssmILIrUBsincos2下 页返回

16、返 回)/(cos2222212BAA过阻尼时的解为：过阻尼时的解为：方程方程222 2)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd)sin(2222221atzeyexittd稳态解部分为：稳态解部分为：22222)3/2()()()(CLLrrLIUrIzgsgssLmsmsLm01121203/2)(gsgssmsLmsLmrrCLLtgUrILItga下 页返回返 回22,1)(3)(81)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr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：022222021

17、2122sin)cos(ddIzzCUxaaaa22022121220221212cossin2zCUzIydd特征根为：特征根为：方程方程222 2)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd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：)sin()(22222atzeytextittd)cos()1()(1)(222222atCzeCyeteCxdttiCtutttddz1和和a1的值和上面相同，的值和上面相同，)(2/)(gsgsLLrr再代入初始条件可得：再代入初始条件可得：222202sin)0(azyIidd即得即得22202s

18、inazIydaa/cossin22222020222zCUIzxdd下 页返回返 回欠阻尼的情况下：欠阻尼的情况下：)sin()sin()(222222atztextidtd式中，式中，222)(4)()(32gsgsgsdLLrrCLL)cos()cos()sin()(1)(2222222222222atCztteCxdttiCtudddtdd2222202sinsin)0(azxIidd下 页返回返 回222222221202cos)cossin()()0(aCzCxUudddd由由2222202sinsin)0(azxIidd可知可知222022sinsinazIxd将此式代入将此式代

19、入22222222022220cos)cos)sin()(1aaCzxzICUdddd得得:222222221202cos)cossin()()0(aCzCxUudddd下 页返回返 回所以所以2222222220220222222cos)()sin()(cosaadddddddzzIUCx将将222022sinsinazIxd除以上式除以上式可得：可得：212Xtg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222022sinsinazIxd可求得：可求得：222202sin/)sin(azIxd下 页返回返 回2.2.1.3 2.2.1.3 IG

20、BT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。入电流重叠区。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：333 3)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd)sin(323233tLLBAEgsLLmsLLmsIL

21、IrAcossin3LLmsLLmssmILIrUBsincos3)/(cos2323313BAA下 页返回返 回333 3)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd222 2)(32EiLLCiLLrridgsdgsgsd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：)sin(3333321atzeyexittd特征根的解相同：特征根的解相同：22,1)(3)(81)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr下 页返回返 回式中式中 )sin(3333321atzeyexit

22、td0333330312123sin)cos(ddIzzCUxaaaa33032121330321213cossin2zCUzIydd22223)3/2()()()(CLLrrILIrUzgsgsLmsLmssmgsgsLmssmLmsrrCLLtgIrUILtga3/2113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：)sin()(33333atzeytextittd33303sinazIydaa/cossin33223030333zCUIzxd

23、d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：欠阻尼时衰减振荡过程的微分方程式的解可写为：)sin()sin()(333333atztextidtd式中，式中，2223)(4)()(32gsgsgsddLLrrCLL3333303sinsin)0(azxIidd333332321303cos)cossin()()0(aCzCxUudddd由由3333303sinsin)0(azxIidd得：得：333033sinsinazIxd下 页返回返 回将将 代入代入333033sinsinazIxd333332321303cos)cossin()()0(aCzCxUudddd33333

24、03sinsin)0(azxIidd由由333332321303cos)cossin()()0(aCzCxUudddd将此式代入将此式代入333033sinsinazIxd得：得：得：得：33233333023230cos)cos)sin()(1aaCzxzICUdddd下 页返回返 回所以所以2222333333030333333()()cos(sin)cosdddddddCzxUIzaa将将333033sinsinazIxd比上式比上式可得：可得：313Xtg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，333033sinsinazIxd可求得：可求得：再由再

25、由333303sin/)sin(azIxd下 页返回返 回2.2.2 2.2.2 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 22,1)()(21)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr22,1)(3)(81)(2)(2gsgsgsgsgsgsrrCLLLLrrLLrr由式由式可以看出当可以看出当 2)()(2gsgsrrLLC2)(3)(8gsgsrrLLC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尼的衰减振荡过程，下 页返回返 回)sin()1sin()()()(2)(22)(

26、iiiiintiiiiditzteyxyxtiinia解的形式为：解的形式为：式中式中)()(/)(cos221iiiiiiiyxyxyx式中，式中，n(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：)(/1)(gsinLLkC 为阻尼比，表达式为：为阻尼比，表达式为：gsgsiLLkCrr2/)(当当i=1时，时，k=2；i=2和和3时，时，k=3/2 下 页返回返 回可以看出当可以看出当 2)()(2gsgsrrLLC2)(3)(8gsgsrrLLC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：)sin()

27、()1()1(22iititiditzeyextiniiiniiia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。过阻尼和欠阻尼曲线图。)sin()()1()1(22iititiditzeyextiniiiniiia)sin()1sin()()()(2)(22)(iiiiintiiiiditzteyxyxtiinia分别令分别令t/ms*10-30500500108642id/A下 页返回返 回 =0.001 =0.002 =0.003 =0.004 =0.005 =0.006

28、 =0.007 =0.008 =0.009 =1.0 =1.1 =1.2 =1.3 =1.4 =1.5 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 下 页返回返 回 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/KV200 =0.001 =0.002 =0.003 =0.004 =0.005 =0.006 =0.007 =0.008 =0.009 =1.1-1.522)()(4gsgsrrkLLC电容的选择电容的选择可表示为：可表示为：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

29、求确定电容的动态波形曲线要求确定电容01000500Ud/V3142t/ms =0.001 =0.002 =0.003 =0.004 =0.005 =0.006 =0.007 =0.008 =0.009 =1.1-1.5超前超前触发时触发时不同不同z值值的的ud波形波形下 页返回返 回800700600500400Ud/Vt/ms31420 =0.001 =0.002 =0.003 =0.004 =0.005 =0.006 =0.007 =0.008 =0.009 =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电容电

30、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。变器的物理实现结构。1具体选择电容参数时，应充分考虑每个周期的具体选择电容参数时，应充分考虑每个周期的控制密度。控制密度。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StatCom，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

31、些，甚至可以不要。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=400sin t(V)，传输线阻，传输线阻抗抗Zs=0.009+4j 10-4(WW；三相全波整流输入阻；三相全波整流输入阻抗抗Zd=0.0053+0.001j(W W)；三相；三相StatCom的逆变的逆变器输入阻抗器输入阻抗Zg=0.014+8.410-4j(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(t+300)（A）突增到突增到iL=2501.414sin(t+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

32、不同电容参数时的补偿响应过程图。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/V tUUd ist=0.25msUd=104VC=1.1mFU=18V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-5005000.290.270.300.280.260.240.25 t0UUd ist=0.25msUd=149VC=0.9mFU=29.4V下 页返回返 回UbcUbaUcbUa

33、bUcaUacb 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：)(1)(2)(4sssbggdssscsbscLjrICLjrILjrIUU下 页返回返 回因为因为 44dLbsbLcdscIIIIII，代入代入)(1)(2)(4sssbggdssscs

34、bscLjrICLjrILjrIUU可得：可得：4222244421)()()sincos()sincos(23aaCLLrrLrIUrLIIIgsgsLsLsLmsmLsLsLmdd式中：式中：gsgsLsLsLmLsLsLmsmrrCLLtgrLILrIUtga2/1)()sincos()sincos(114即即 )sin(444atIidd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

35、容量根据特征值确定电容量方法进行参数选择方法进行参数选择时，并没有考虑稳压电路的支撑问题，在确定时，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，要根据时域图的每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上曲线确定电容参数，这种方法所得到的参数选择值一般会大些。选择值一般会大些。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方法是建立在建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

36、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，一定的了解，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。这在不同运行情况下，可能会有不同。下 页返回返 回:介绍了电力电子器件在无功补偿装置中的具体应介绍了电力电子器件在无功补偿装置中的具体应用，主要是针对用，主要是针对SVC、StatCom的控制原理、控制的控制原理、控制策略，以及相关参数的选择进行了详细的分析；策略，以及相关参数的选择进行

37、了详细的分析；:对对SVC和和StatCom的传输特性进行了具体的比较；的传输特性进行了具体的比较；:给出了控制系统的各种仿真模型，并进行了相关给出了控制系统的各种仿真模型，并进行了相关的仿真分析。的仿真分析。下 页返回返 回说明说明 SVC有两种基本控制方式：晶闸管投切电容器有两种基本控制方式：晶闸管投切电容器TSC；晶闸管控制电抗器；晶闸管控制电抗器TCR。SVC的补偿原理：包括的补偿原理：包括SVCSVC对系统电压的调整作对系统电压的调整作用，以及对提高电压稳定性所产生的影响。用，以及对提高电压稳定性所产生的影响。StatCom的工作原理：重点讲述了的工作原理：重点讲述了StatCom的

38、控的控制系统及无功补偿数学模型的推导；制系统及无功补偿数学模型的推导；StatCom的的运行性能与系统参数之间的静态关系。运行性能与系统参数之间的静态关系。下 页返回返 回StatCom和和SVC的传输特性比较。的传输特性比较。StatCom控制系统的仿真分析：包括控制系统的控制系统的仿真分析：包括控制系统的各种控制策略的仿真模型，如围绕电压稳定的控各种控制策略的仿真模型，如围绕电压稳定的控制制 (VOC)，直接功率控制，直接功率控制 (DPC)，围绕虚拟磁，围绕虚拟磁通的控制通的控制(VFOC)以及基于直接功率的虚拟磁通以及基于直接功率的虚拟磁通控制控制(VF-DPC)；并对两电平控制系统和

39、三电平；并对两电平控制系统和三电平控制系统的仿真波形进行了具体的分析。控制系统的仿真波形进行了具体的分析。StatCom直流侧电容参数的选择：分析直流侧电容参数的选择：分析StatCom直流侧电容的大小和直流侧电容的大小和StatCom的结构息息相关，的结构息息相关，重点掌握逆变器的数学换流模型的建立方法。重点掌握逆变器的数学换流模型的建立方法。2.3 2.3 趋肤效应的限制趋肤效应的限制 当磁芯的材料是导电材料时，加在磁芯中的交变磁当磁芯的材料是导电材料时，加在磁芯中的交变磁场将在磁芯中产生自环电流，即涡流。场将在磁芯中产生自环电流，即涡流。wdxyzxdxx涡流方向涡流方向Bsin(wt)

40、使用右手法使用右手法则判断涡流的则判断涡流的方向。方向。下 页上 页返 回磁场磁场BB2.718yBsin(wt)y涡流会产生一个与原磁场涡流会产生一个与原磁场方向相反的磁场，这个磁方向相反的磁场，这个磁场将在磁芯的内部起一个场将在磁芯的内部起一个屏蔽作用，导致磁芯中的屏蔽作用，导致磁芯中的磁场逐渐减小，减小的幅磁场逐渐减小，减小的幅度随着离磁芯中心的距离度随着离磁芯中心的距离成指数关系变化。成指数关系变化。下 页上 页返 回计算式为：计算式为：l 趋肤深度趋肤深度磁场指数衰减过程磁场指数衰减过程中衰减的长度。中衰减的长度。2s：磁性材料的磁场相对渗透度，：磁性材料的磁场相对渗透度，：磁性材料

41、的电导率。：磁性材料的电导率。/2f，单位，单位Hz；式中，交变磁场的频率式中，交变磁场的频率:下 页上 页返 回如果磁芯的横截面半径如果磁芯的横截面半径相对于趋肤深度长很多，相对于趋肤深度长很多，则磁芯最内部的磁通密度则磁芯最内部的磁通密度非常小，甚至完全没有。非常小，甚至完全没有。这将削弱了磁芯的储能或这将削弱了磁芯的储能或者能量转换的能力。者能量转换的能力。磁场磁场BB2.718yBsin(wt)y低频时，磁场相对渗透度比较大，趋肤深度较小。低频时，磁场相对渗透度比较大，趋肤深度较小。随着频率的增加，趋肤效应将越来越严重。随着频率的增加，趋肤效应将越来越严重。下 页上 页返 回当用导电磁

42、性材料做电感和变压器的磁芯（硅钢片）当用导电磁性材料做电感和变压器的磁芯（硅钢片）时，一般要做成很薄的片状结构，再一片一片地叠时，一般要做成很薄的片状结构，再一片一片地叠在一起，在一起，绝缘层绝缘层硅钢片硅钢片厚度厚度:(:(典型值为典型值为3mm)3mm)0.005t下 页上 页返 回2.3.1 2.3.1 叠片磁芯的涡流损耗叠片磁芯的涡流损耗 l 涡流损耗涡流损耗 导电磁芯中产生的涡流导电磁芯中产生的涡流所带来的能量损耗所带来的能量损耗。wdxyzxdxx涡流方向涡流方向Bsin(wt)加在其中的为正弦加在其中的为正弦交变磁场，磁通密交变磁场，磁通密度为度为:()sin()B tBt下 页

43、上 页返 回wdxyzxdxx涡流方向涡流方向Bsin(wt)假设厚度假设厚度d比趋肤深度比趋肤深度 小很多，则涡流不会小很多，则涡流不会减少磁芯内部的磁通。减少磁芯内部的磁通。如果该磁导体是用在如果该磁导体是用在变压器中的一片硅钢片，变压器中的一片硅钢片，电导率为电导率为,假设假设在在x处的厚度变化率为处的厚度变化率为dx,x-y轴的总磁通量可以由轴的总磁通量可以由下式求出：下式求出：()2()txwB t下 页上 页返 回运用法拉第定律，磁通的变化会产生一个电压运用法拉第定律，磁通的变化会产生一个电压u(t)即即()()22cos()B tu txwwx Btt考察导体宽为考察导体宽为L，

44、长为，长为2w，厚为，厚为dx的电阻，其表达的电阻，其表达式为：式为：2corewrLdx这小环流中的瞬时功率损耗这小环流中的瞬时功率损耗P(t)为：为：2()()u tp tr下 页上 页返 回整个体积上对上式进行积分，可以得到硅钢片中对整个体积上对上式进行积分，可以得到硅钢片中对时间的平均涡流损耗时间的平均涡流损耗Pec:2322202cos()()224deccorecorewxBtLdxwLdBPp t dVw ：时间平均值：时间平均值 单位体积的功率损耗单位体积的功率损耗Pec,sp为：为：222,24ec spcoredBP下 页上 页返 回*只要硅钢片的厚度足够薄，涡流损耗较小。

45、只要硅钢片的厚度足够薄，涡流损耗较小。*如果磁通和硅钢片的水平面如果磁通和硅钢片的水平面 (yz平面平面)有一定的有一定的倾斜角，涡流损耗将会变得比较大。倾斜角，涡流损耗将会变得比较大。*硅钢片的电导率比较大，导致趋肤效应和涡流损硅钢片的电导率比较大，导致趋肤效应和涡流损耗，比铁氧体磁芯的功率损耗大。耗，比铁氧体磁芯的功率损耗大。*铁氧体中，由于电阻率很大，基本上没有趋肤效铁氧体中，由于电阻率很大，基本上没有趋肤效应和涡流损耗。应和涡流损耗。下 页上 页返 回2.3.2 2.3.2 磁芯的尺寸和形状设计磁芯的尺寸和形状设计 铁氧体磁芯主要有环形，带有气隙的罐形，铁氧体磁芯主要有环形，带有气隙的

46、罐形，UI型，型，EI型，型，EE型，以及型，以及UU型等。型等。daa/2h/2baa/2绕线有效面积绕线有效面积 wwwbhAhwbw14a1.9a下 页上 页返 回daa/2h/2baa/2对对EEEE型的磁芯，经验上型的磁芯，经验上的最佳尺寸匹配是：的最佳尺寸匹配是：ba=a,d=1.5a,ha=2.5a,bw=0.75a,hw=2a 下 页上 页返 回EE型的磁芯各相关尺寸型的磁芯各相关尺寸 名称名称 磁芯窗口面积磁芯窗口面积Acore wcAPAA 磁芯体积磁芯体积Vcore绕线槽总体积绕线槽总体积VW 电感和变压器的总表面积电感和变压器的总表面积 绕线窗口面积绕线窗口面积Aw大小

47、大小 1.5a2 1.4a2 2.1a4 12.3a3 59.6a2 13.5cm3 1acm1.5cm2 1.4cm2 2.1cm4 13.5a3 12.3cm3 59.6cm2 下 页上 页返 回表表2.1 2.1 2.4.1 2.4.1 铜线填充系数铜线填充系数 hwbwgBonnin气隙气隙2gAw单纯的铜线导体的横截面积为单纯的铜线导体的横截面积为Acu。下 页上 页返 回设穿过绕线窗口的铜线总根数为设穿过绕线窗口的铜线总根数为N、铜线导体的横、铜线导体的横截面积为截面积为Acu，两者相乘就得到穿过绕线窗口的铜，两者相乘就得到穿过绕线窗口的铜线总面积。线总面积。铜线总面积比绕线窗口面

48、积铜线总面积比绕线窗口面积AW小小铜线为圆形，不可能全部填满整个绕线窗；铜线为圆形，不可能全部填满整个绕线窗；铜线的外面有一层绝缘层。铜线的外面有一层绝缘层。下 页上 页返 回l 铜线填充系数铜线填充系数铜线总面积和绕线铜线总面积和绕线窗面积之比。窗面积之比。CucuwNAkA实际上的铜线填充系数，根据线型的不同而有所不实际上的铜线填充系数，根据线型的不同而有所不同，绞线大约为同，绞线大约为0.3左右，单根的铜线约为左右，单根的铜线约为0.5-0.6。下 页上 页返 回2.4.2 2.4.2 铜损铜损 l 铜损铜损 铜线电阻造成的功率损耗。铜线电阻造成的功率损耗。2,()Cu spCurmsP

49、J式中，式中，/rmsrmsCuJIA：导体中的电流密度：导体中的电流密度Irms:导线电流的有效值导线电流的有效值 下 页上 页返 回假定铜线的总体积为假定铜线的总体积为 CuCuwVkV2,()w spCuCurmsPkJVw:绕线槽总体积绕线槽总体积 100时，铜的电阻率时，铜的电阻率 为为2.2108m-1，Jrms的单位用的单位用A/mm2表示，代入上式，则有：表示，代入上式，则有：)/()(2232,cmmWJKPrmsCuspw下 页上 页返 回例例2.4.3 2.4.3 铜线导体的趋肤效应铜线导体的趋肤效应 H(t)I(t)流过一段单根铜线的流过一段单根铜线的电流电流i(t)为

50、随时间变化的为随时间变化的量，该电流在周围产生量，该电流在周围产生磁场。磁场。磁场反过来在导体中磁场反过来在导体中产生涡流，导体中心的产生涡流，导体中心的涡流方向和电流涡流方向和电流i(t)方向方向相反，导体中心的电流相反，导体中心的电流被抵消。被抵消。I(t)I(t)下 页上 页返 回0J(t)J(t)导体表面的电流密度最大，电导体表面的电流密度最大，电流密度从导体中心向导体表面成指流密度从导体中心向导体表面成指数变化，如图所示。数变化，如图所示。铜线导体在不同频率时的趋肤深度铜线导体在不同频率时的趋肤深度 频率频率(Hz)50 10.6 5K 0.53趋肤深度趋肤深度 mm)0.16 10