电力补偿控制的电力电子变换器件实现

图2-3 无功功率发电机

以往电路中设置电路开关只是为了将用电负载接通电源或者切断电源，开关仅用于控制负载是否得电工作，如图2-4a所示。当需要负载工作时，接通开关S₁、S₂，电源电压v_S经开关直接接至负载，负载电压v_O=v_S。当开关S₁、S₂断开时，v_O=0，负载失电，停止工作。如果不仅要求电源电压正向加至负载，使负载电压v_O=v_S，而且还要求电源电压能反向加至负载，使v_O=-v_S，则可采用如图2-4b所示由四个开关S₁、S₂、S₃、S₄所组成的H桥式开关电路。电源v_S接至开关电路的输入端A、B，开关电路的输出端C、D接负载，这时开关电路有三种工作情况：

图2-4 基本开关电路

1）当S₁、S₄导通，S₂、S₃阻断（断开）时，电源正端A经S₁接至负载正端C，电源负端B经S₄接至负载负端D，即电源正、负端经开关S₁、S₄与负载正、负端C、D直接连接。这时经开关电路输出至负载的电压v_O=+v_S，负载电流i_O也就是电源电流，i_O=i_S。

2）当S₂、S₃导通，S₁、S₄阻断（断开）时，电源正端A经S₂接至负载负端D，电源负端B经S₃接至负载正端C，即电源正、负端经开关S₂、S₃与负载正、负端交叉连接，这时开关电路输出至负载的电压v_O=-v_S，输出电流i_O=-i_S。

3）当S₁、S₂导通（S₃、S₄阻断）或S₃、S₄导通（S₁、S₂阻断）时，开关电路输出至负载的电压v_O=0，这时负载与电源脱离，如果负载电流是感性电流，则可经S₁、S₂或经S₃、S₄继续流动。

假定S₁、S₂、S₃、S₄均为全控型（其导通和阻断都是可控的）、可双向导电的理想开关，它们具有以下理想特性：

①导通时开关两端的等效电阻为零，电压降为零，开关导通时功耗为零。

②阻断时开关两端的等效电阻为无限大，漏电流为零，开关阻断时功耗为零。(www.xing528.com)

③从导通状态转变为阻断状态或阻断状态转变为导通状态都是瞬时完成的，过渡时间为零。

那么，在任意瞬间，开关电路的输入电压v_S与开关电路的输出电压v_O有以下函数关系：

v_O=Sv_S （2-4）

式中，S被称为开关状态变量，其值取决于开关电路中四个开关的通、断状态：

①S₁、S₄导通，S₂、S₃阻断期间：S=1，v_O=v_S，电源经开关电路与负载直接连接。

②S₂、S₃导通，S₁、S₄阻断期间：S=-1，v_O=-v_S，电源经开关电路与负载交叉连接。

③S₁、S₂导通，S₃、S₄阻断，或反之S₃、S₄导通，S₁、S₂阻断期间：S=0，v_O=0，负载与电源脱离。

如果令S₁、S₂、S₃、S₄四个开关按一定的时间顺序，周期性地处于导通→阻断→导通→阻断交变状态，且每次导通和阻断的持续时间都恰如其分，那么图2-4b所示的开关电路就成为一个电压变换器。在开关状态变换时，电源电压的瞬时值或被直接引至负载，或被反向引至负载，或者使负载脱离电源而使负载电压的瞬时值为0。这时，在一个完整的开关电路通、断控制周期中，开关电路输出电压v_O的波形，不仅取决于该周期中电源电压的瞬时值，而且与整个周期中开关变量S的变化规律有关，控制开关变量S（t）（S=+1，-1或0），即可通过开关电路将一定的电源输入电压v_S（t）变为负载所需的另一种电压v_O（t）。

图2-4c给出了三相桥式开关电路。如果P、N端接有直流电源，对图中的6个开关S₁～S₆进行适时、适式的通、断控制，则在其输出端A、B、C可以获得任意波形的三相交流电压、电流，实现直流-三相交流电力变换。如果将A、B、C三端分别并联（或串联）接入电力系统，则可向电力系统（或三相负载）输出任意波形的三相电流（或电压），对电力系统进行并联（或串联）补偿。如果A、B、C三端接交流电源，对6个开关器件进行适时、适式的通、断控制，则可在P、N两端输出大小可控的正向或反向直流电压，实现三相交流-直流电力变换和补偿控制。

采用电力电子开关器件实现电力变换和电力补偿控制，与采用发电机或电动-发电机组相比具有明显的技术和经济优势。但要实现这种开关型电力变换和电力补偿控制，这些开关电路中开关器件的通、断速度必须很快。因为即使交流电频率不高，例如f=50Hz，开关工作的半周期T_S/2也只有0.01s，为此要求开关的开通和关断过程的动作时间远小于0.01s，因为这半个周期0.01s中应包括开关器件导通状态和阻断（截止）状态时间，以及“开通”、“关断”过程。如果取通态、断态工作时间占0.01s的95%，则剩余的0.01s×5%=0.5ms的时间可用于“开通”和“关断”两个过渡过程。不难想象，常规机械式开关不可能做到这么快，因此企图用机械式开关来实现电力变换是绝对不可能的，唯一的出路就是研制电力电子开关器件。1957年以后发展起来的半导体电力开关器件，如晶体闸流管（SCR或Thyristor）、电力MOS场效应晶体管（P-MOSFET）、双极结型电力晶体管（Bipolar Junction Power Tran-sistor，BJT或BJPT）、门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor）、绝缘门极双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Turn-Off-Thyristor，IGCT）、MOS控制晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）以及静电感应晶闸管（SITH）等大功率半导体开关器件，都具有很快的开关速度，其中最慢的也不到0.1ms，最快的不到0.1μs。相应的开关电路中开关的工作频率最低的晶闸管也可在几百赫兹以上，最快的（P-MOSFET）其工作频率可达到几百千赫兹以上。这些开关器件具有不同等级的额定电流和电压值，其中最大的额定工作电流可达6000A以上，电压可达8kV以上。利用这些大功率半导体开关器件组成各种类型的开关电路，采用大规模集成电路芯片和微处理器组成控制系统，利用现代控制技术对开关器件进行实时、适式的高频通、断控制，就可以实现电力的各类变换和控制。