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吉构,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P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V i、V2分别具有共基极电流增益a 1和a 2,由普通晶闸管得分析可得， a 1+a 2= 1是器件临界导通的条件。

a 1+a 2>1两个晶体管饱和导通；a 1+a 2<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a 1+a 2更接近1，晶闸管a 1+a 2>1.15，而GTO则为a 1+a 2~ 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，a 2较大，晶体管V2控制灵敏，而a 1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P d 100KW ,
如何选择晶闸管的电压Ue和电流le?
见笔记第三节
3、单相桥式全控整流电路，U2 100V ,负载R 0.2丄值极大,反电势
E 60V ,当30°时,要求：
a)作出U d、i d和i2的波形；
b)求整流输出平均电压U d、电流I d ,变压器二次侧电流有效值12 ;
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I2分别为：
U d 0.9U2COS( ) 0.9*100* 377.94V
2
I d (U d E)/R (77.94 60)/2 9A
I2 I d 9A
2
U d
2.34U
2 cos mX b
-I d
2.34U 2 cos
6*0.3 2
I
d
U d
解上述2个方程可得:
U d 486.9V I d 97.4 A
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
X B 0.3 ，求：U d 、I d 、I VD 、丨2和 的值并作出U d 、i vD 和i 2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
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
180度，见下图。

5、三相桥式不可控整流电路，阻感负载,
R 5 ， L ，U 2 220V ，
0时的情况，则
i d
i d R
共阴极换相点
共阳极三相半波
二极管的电流平均值为：
I VD 匕974 32.5A
3
3
变压器二次侧电流有效值为： I 2
畐
d
79.5A
,
2X B I d ― 由 cos cos( )
—可得 J 6U 2
cos 0.892
26.9
U d 、i VD1和i 2的波形的波形如下:
&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？
电阻负载
阻感负载 单相 0〜n 0 〜n /2 三相
0〜2n /3
0 〜n /2
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)外部条件一一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)
内部条件一一变流器直流侧输出直流平均电压必须为负值，即 o>n /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
U 2
U d
0 I VD1
0 I 2
t
t
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，弓I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du/dt和di/dt的影响，以免发生误导通，4）保
证交流电源的质量，5）逆变角B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一直一交转换。

（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a角运行：2、整流侧定Id; 3、逆变侧定B角控制；
4、逆变侧定丫控制；
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a 0特性两段组成，逆变侧由定S 0特性和点电流特性（通常比整流侧的电流整定值小△ Id0）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S 0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1 ，发送端的触发角为30，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a, 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。

画出导通角120度时的电抗器
的电流波形，并说明TCR是怎样调节感性无功功率的。

图2晶闸管控制电抗器（TCR）的单相主电路
A =90°时，晶闸管完全导通，与晶闸管传亮的电抗相当于直接接到电网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。

当触发延迟角在90°〜180°之间时，晶
闸管为部分区间导通。

增大触发延迟角的效果就是减少电路中的基波分量，相当
于增大补偿器的等效感抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。

当触发延迟角为180°时，TCR不吸收无功功率，其对电力系统不起任何作用。

22、为什么TCR经常与固定电容器一起并联使用，画出TCR+FC的伏安特性。

单独的TCR由于只能吸收感性无功功率，因此往往与并联电容器配合使用。

联上电容器后,
总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率。

另外，并联电容器串联
上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收TCR产生的谐波电流。

若是与固定电容器配合
使用，则当补偿器工作在吸收大小的容性或感性无功功率的状态时，其电抗器的电容器实际
上已吸收了很大的无功功率，因此都有很大的电流流过，只是相互对消而已，这显然降低了
TCR的使用效率。

因此将并联电容器的部分或全部改为可以分组投切的电容器，这样电压---
电流特性中电容器造成的偏置度就可以分级调节，就可以根据系统的实际情况而改变TCR
的容量。

又因为晶闸管投切电容器TSC具有运行时不产生谐波、损耗较小、无机械磨损、
响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点，所以两者经常并联使用。

伏安特性：P15 0图7-6
23、TSC投切的原则是什么？画出初始投入和后续投入的波形。

原理：TSC投入电容的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等时刻
24、说明TSC的电路结构和基本工作原理，它的优点和缺点是什么?
P154 图7-15
基本工作原理：“选取投入时刻总的原则是，TSC投入电容的时刻，必须是电源电压与电
容器预先充电电压相等的时刻。

因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时，
将产生一个冲击电流，可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。

对于电容器，其随后电源电压（也即电容电压）的变化率按正弦规律上升，电流也按正弦规律上升。

这样，
整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。

这就是所谓的理想投入时刻。

”不确定呀！
优点：无机械磨损、响应速度快、平滑投切、效率高以及无谐波。

缺点：无功功率投切不能连续控制。

25、当TCR与固定电容器配合使用时，为何要将并联电容器的一部分或全部改
为分组投切。

画出TSC低压分组投切装置，并画图说明其如何实现7级调节。

原因：增加系统调节的灵活性
P154 图7-15 (b)
26、举例说明SVC在用户供电网中的应用
笔记第十七节
27、如下图所示，同步发电机的端电压和无穷大母线电压分别为U i和U2，且
预先充电电压为电源电压峰值；对于晶闸管, 容器的特性方程
i c 在投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率
其触发相位固定在电源电压的峰值点。

根据电
C d U C
dt
（时间导数）为零，因此，电流i c即为零，
如在输电线路的中点采用一理想的SVC，画图说明SVC如何提高输电线路
的输送能力
28、什么是负载换向的电压型逆变电路和电流型逆变电路？画出电压型单相桥式逆变电路
及输出波形。

笔记第十八节
29、无源逆变电路中，换流的基本方法有哪些？试举例说明。

1、功率开关；
2、单相半波逆变电路；3;单相桥式逆变电路；4、三相桥式全波电路
图见笔记
30、试说明SPWM控制的基本原理？
PWM（Pulse-Width Modulation ）控制就是对触发脉冲的宽度进行调制的技术。

即对一系列脉冲的脉冲宽度进行控制来获得所需要的输出波形（包括形状和幅值）。

在采样控制理论种有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

效果相同是指环节的输出响应波形基本相同。

上述原理称为面积等效原理。

以正弦PWM（SPWM ）为例。

把正弦半波平分为N等份，就可以把它看成N个彼此
独立的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相同（都是n /N ）但幅值不同且顶部是曲线。

如
果将上述脉冲用数量相同、幅值相等的不等宽的矩形脉冲代替，使每个小矩形的面积和对应
的正弦波面积相等（即冲量相等），就得到了PWM波形。

各个脉冲的幅值相等而宽度按照正弦规律变化，根据面积等效原理，这种PWM波形和原正弦波形是等效的。

31、PWM逆变器有哪些优点？其开关频率的高低有何利弊？
优点：
1PWM调制可以极大地消弱逆变器的输出谐波，使逆变器输出用户需要的波形（形状和幅值），而消弱用户不需要的谐波。

2PWM逆变器具有非常好的动态响应速度。

普通逆变器的控制速度是周波控制级，而
PWM是载波控制级，所以目前几乎所有的逆变器都是采用PWM控制策略。

3PWM控制使逆变器的控制策略更加灵活多样，使逆变器的性能得到很大的提升。

4PWM逆变器的整流电路可以采用二极管，使电网侧的功率因数得到提高。

5只用一级可控的功率环节，电路结构较简单。

开关频率高则输出谐波更小、响应速度更快，但是电力电子器件的开关损耗增加、整机效率下降，带来较强的高频电磁干扰；开关频率低则正好相反。

一般对于中小容量的逆变器
开关频率可适当取高些，大功率逆变器由于高压大功率开关器件的限制，开关频率则相对较
低。

32、什么叫同步调制和异步调制？
载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制，在异步调制方式种，通常保持载
波频率fc固定不变，因此当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的。

载波比N等于常数，并在变频时使载波和调制信号保持同步的方式称为同步调制。

异步调制当调制信号频率较低时，一周期内的脉冲个数较多。

而当调制信号频率增高时，
一周的脉冲个数减小，PWM波形不对称严重，输出波形质量较差。

同步调制当调制信号频率较低时，一周期内的脉冲个数现对较少，输出的低次谐波分量较多。

而当调制信号频率增高时，如一周内的脉冲个数不变，又会使逆变器的开关频率过高，
使器件难以承受。

为此可以采用分段同步调制的方法来协调上述2种调制方式，达到取长补短的功效。

分
段同步调制是把逆变器的输出频率划分为若干频率段，在每个频段里载波比一定，不同频段
采用不同的载波比。

其主要优点是：在高频段采用较低的载波比，使器件的开关频率不至于过高；而在低频段采用较高的载波比，在器件容许的范围内提高逆变器的输出波形质量。

33、高压交流电机进行变频控制时，采用降压变压器移相，如何计算分别实现
+25°和-25。

的相位调节？
34、链式变频器的主要优点有哪些？
1、输入电流波形好，谐波电流分析限流；
2、输出波形好；
3、一定的冗余提高可靠性，保负载
35、计算6KV三相晶闸管控制电抗器型SVC容量10.5MVA的电流，电抗器电感値并选择
晶闸管的参数。

画主电路图。

给的卷纸上面有类似的
36、低压变频调速装置主要包括哪些环节？
1、可控整流+方波逆变；
2、脉宽调制技术；
3、电压频率协调控制。

37、画图说明风泵的负荷特性，并列出功率P、流量S、压力V与转速n之间的关系。

说明调速节能的基本原理。

图见笔记
c 3 ■ ■ 2
S* n p x n U * n
38、画出VVVF的U-f图形，并简要说明其调速原理。

见笔记
39、简述无功发生器的原理。

不考虑损耗时STATCOM的等效电路图和其感性、容性向量图如下
工作原理如图（a）所示，设电网电压和STATCOM输出的交流电压分别用相量U a和U I表示，则连接电抗X 上的电压U L即为U a和U I的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。

这个电流就是STATCOM从电网吸收的电流I。

因此，改变STATCOM交流侧输出电压的U I幅值及其相对于U a的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制
STATCOM从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了STATCOM吸收无功功率的性质和
大小。

40、画出三电平逆变器的主电路图，并简述工作原理。

见笔记。