电力电子复习题(部分答案)(华电研究生课程)

1、GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构,为什么GTO 能够自关断,而普通晶闸管不能?GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构，由P 1N 1P 2和N 1P 2N 2构成两个晶体管V 1、V 2分别具有共基极电流增益α1和α2，由普通晶闸管得分析可得，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。

α1＋α2>1两个晶体管饱和导通；α1＋α2<1不能维持饱和导通而关断。

GTO 能关断，而普通晶闸管不能是因为GTO 在结构和工艺上有以下几点不同：A 多元集成结构使每个GTO 元的阴极面积很小，门极和阴极的距离缩短，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

B GTO 导通时α1＋α2更接近1，晶闸管α1＋α2>1.15，而GTO 则为α1＋α2≈1.05，饱和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。

C GTO 在设计时，α2较大，晶体管V2控制灵敏，而α1很小，这样晶体管V1的集电极电流不大，易于从门极将电流抽出，从而使GTO 关断2、三相桥式可控整流电路，输入380V 三相交流电，阻感性负载KW P d 100=，如何选择晶闸管的电压Ue 和电流Ie ？ 见笔记第三节3、单相桥式全控整流电路,V U 1002=,负载Ω=2.0R ,L 值极大,反电势V E 60=,当o 30=α时,要求: a) 作出d u 、d i 和2i 的波形；b) 求整流输出平均电压d U 、电流d I ,变压器二次侧电流有效值2I ； c) 考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：整流输出电压平均值U d 、电流I d ，以及变压器二次侧电流有效值I 2分别为：220.9cos()77.94()/(77.9460)/299d d d d U U V I U E R AI I Aα====-=-===Tu 1E 4、三相半波可控整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a 、b 两相的自然换相点是同一点吗?如果不是,它们在相位上差多少度?a 、b 两相的自然换相点不是同一点，它们在相位上差多少180度，见下图。

RdaRd共阳极三相半波5、三相桥式不可控整流电路，阻感负载，Ω=5R ，∞=L ，V U 2202=，Ω=3.0B X ，求:d U 、d I 、VD I 、2I 和γ的值并作出d u 、VD i 和2i 的波形。

解：三相桥式不控整流电路相当于三相桥式全控整流电路在触发角为0时的情况，则226*0.32.34cos 2.34cos 225b d d dd dd mX U U I U I U UI R ααππ=-=-==解上述2个方程可得：486.997.4d d U V I A==二极管的电流平均值为：97.432.533d VD I I A ===变压器二次侧电流有效值为：279.5d I A == 由cos cos()ααγ-+= 可得cos 0.892γ= 026.9γ=u d 、i VD1和i 2的波形的波形如下：ii6、单相桥式全控整流电路和三相桥式全控整流电路中,当负载分别为电阻负载和阻感负载时,晶闸管移相范围分别是多少?7、什么叫有源逆变？实现有源逆变的条件是什么？直流电转换为交流电又馈送到交流电网的逆变电路称为有源逆变电路。

条件：(1) 外部条件——直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，极性与晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧的平均电压。

(2) 内部条件——变流器直流侧输出直流平均电压必须为负值，即α>π/2，U d <0。

以上两条件必须同时满足，才能实现有源逆变。

8、什么叫逆变失败？逆变失败的原因是什么？如何防止？逆变失败：当变流器工作于逆变工况时，一旦由于触发脉冲丢失、突发电源缺相或断相等原因造成换流失败，将使输出电压U d 进入正半周，与E M 顺向连接，由于回路电阻很小，造成很大的短路电流，这种情况叫逆变失败或逆变颠覆。

失败原因：（1）、触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延迟等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压于直流电动势顺向串联，形成短路。

（2）、晶闸管发生故障，在应该阻断期间，元件失去阻断能力，或者应该导通期间，元件不能导通，造成逆变失败。

（3）、换相的欲量不足，引起换相失败。

防止：为了保证逆变电路的正常工作，必须1）选用可靠的触发器，2）正确选择晶闸管的参数，3）采取必要的措施，减小电路中d u/d t和d i/d t的影响，以免发生误导通，4）保证交流电源的质量，5）逆变角β的角度有一最小限制，留出充足的换向余量角。

9、有源滤波器怎样补偿和滤除高次谐波电流？基本工作原理：根据补偿目的，检测出需要补偿的电流作为参考量，然后根据有源电力滤波器的控制电路，产生一个与参考量大小相等、方向相反的谐波或无功量注入到系统中去，使系统电流最终满足要求。

10、无源LC滤波器能不能仅起滤波作用，而不补偿基波无功？为什么？不行。

原因：每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某个频带内呈现低阻抗，从而吸收相应的谐波电流，且LC在参数是固定不变的，所以所有的滤波器在工频频率下都呈容性，因此滤波装置除了具有抑制谐波的作用外，还有无功功率补偿的作用。

11、高压直流输电有哪些优点和缺点？高压直流输电是指将发电厂发出的交流电通过换流器转变为直流电（即整流），然后通过输电线路把直流电输送到受电端，再把直流电转变为交流电供用户使用（即逆变）的输电技术。

优点：（1）直流输电架空线路的造价低、损耗小。

（2）高压直流输电不存在交流输电的稳定性问题，直流电缆不存在电容电流，因此有利于远距离大容量送电。

（3）高压直流输电可以实现额定频率不同的电网互联，用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大，系统地短路电流水平也不会由于系统互联而明显升高。

（4）采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电。

（5）高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调节精确、操作方便。

（6）高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利于及早发挥投资效益。

缺点：（1）直流输电的换流站比交流变电站设备多，造价高、结构复杂、运行费用高。

（2）换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。

（3）换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须安装滤波设备，使换流站的造价、占地面积和运行费用大幅度提高。

（4）直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。

直流输电利用大地或海水为回路会产生一系列技术性问题。

12、为什么高压直流输电一般采用12脉波换流器？其直流侧和交流侧各有哪些主要的谐波。

个人意见：1）、交流总线谐波电流傅里叶展开分析可知，12脉动换流器能消除谐波中站主要部分的5、 7次谐波，避免其流入交流系统。

也减少了在交流侧加装的滤波装置。

2）、采用6脉动换流器会使交流侧谐波含量较大，而采用更高脉动的换流器时虽然能进一步降低谐波但是已不经济且这样的换流变压器工艺复杂。

3)、12脉动换流器能明显减少换流站占地面积、降低换流站造价。

12脉换流桥交流侧的主要有12k加减1次谐波（k为自然数），如11、13、23。

直流侧母线主要有12k次谐波（k为自然数），如12、24、36。

13、画图说明高压直流输电系统的结构及各主要元件的作用。

P131 图6-6（1）换流器。

换流器由阀桥和带载抽头切换其的整流变压器构成。

阀桥为高压阀构成的6脉波或12脉波的整流器或逆变器。

换流器的任务是完成交—直—交转换。

（2）滤波器。

换流器在交流和直流两侧均产生谐波，会导致电容器和附近的电机过热，并且会干扰通信系统。

因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。

（3）平波电抗器。

平波电抗器电感值很大，在直流输电中有着非常重要的作用：1）降低直流线路中的谐波电压和电流。

2）限制直流线路短路期间的峰值电流。

3）防止逆变器换相失败。

4）防止负荷电流不连续。

（4）无功功率源。

稳态条件下，换流器所消耗的无功功率是传输功率的50%左右，在在台情况下，无功功率的消耗更大。

因此，必须在换流器附近提供无功电源。

（5）直流输电线。

直流输电线即可以是架空线，也可以是电缆。

（6）电极。

大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，与大地相连接的导体（即电极）需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度较小。

（7）交流断路器。

为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器14、画图说明HVDC整流侧的等值电路和外特性。

见笔记第十三节15、HVDC的基本运行方式有哪些？举例说明哪一种组合是稳定的。

基本运行方式：1、整流侧定α角运行：2、整流侧定Id；3、逆变侧定β角控制；4、逆变侧定γ控制；5、逆变侧定电压；6、逆变侧定电流例：整流侧由定电流特性和定α0特性两段组成，逆变侧由定δ0特性和点电流特性（通常比整流侧的电流整定值小ΔId0）两段组成。

正常时由整流器定电流特性决定运行电流，逆变器定δ0决定运行电压；两侧交流电压有较大变动时（例如整流侧交流电源大幅下降），则由逆变侧决定运行电流，整流侧决定运行电压。

必须注意的是，逆变侧的两个调节器不允许同时工作，应根据运行情况由切换装置自动转换。

16、画出12脉波换流器的电路结构，并说明其优点。

P133 图6-8优点：交流系统流向变压器一次侧的总电流比单桥换流器的电流更接近于正弦波。

其交流侧的6k ±1次（k 为奇数）谐波分量被有效地消除，这显著地减少了滤波器的投资。

此外，直流电压的纹波也显著减小。

17、HVDC 系统的谐波特点是什么。

特点：含有特征谐波和非特征谐波。

定义：一个脉动数为p 的换流器，在他的直流侧将主要产生n=kp 次的电压谐波，而在它的交流侧将主要产生n=kp ±1次的电流谐波，其中k 为任意的整数。

这些儿单纯由于换流器接线方式而产生的谐波称为特征谐波，除此之外由于换流器参数和控制参数各种不对称等原因而产生的谐波称为非特征谐波。

非特征谐波一般远小于特征谐波。

18、要扩大电力电子装置的容量，解决单个元件电压和电流容量小，不能满足要求的矛盾，可能的解决方案有哪些？提高耐受电压采取电力电子器件串联的方式；比高电流容量采取电力电子器件并联的方式。

19、如下图所示的HVDC 的简图中，两侧的交流电压都为220KV （线电压，有效值），电感很大，线路阻抗为Ω1，发送端的触发角为︒=30α，直流电流5000A ，若忽略换相重叠角的影响，试计算接收端的逆变角β和线路传输的功率P 。

图1 HVDC 简图见笔记第十三节20、说明TCR的电路结构和基本原理。

可用下图2基本原理：通过改变晶闸管的触发延迟角α，可以改变电抗器电流的大小，即可以达到连续调整电抗器的基波无功功率的目的。

21、晶闸管控制电抗器（TCR）的单相主电路如下图所示。