柔性直流输电技术
柔性直流输电技术的应用探究
柔性直流输电技术的应用探究柔性直流输电技术（Flexible DC Transmission, FDCT）是一种新型的输电技术，它采用直流电压进行能量传输，可以有效地解决传统交流输电技术的诸多问题，具有输电损耗小、占地面积小、环境污染小等优点。
随着科技的不断进步，柔性直流输电技术已经开始在实际工程中得到广泛应用。
本文将就柔性直流输电技术的应用进行探究，分析其在电力系统中的优势和发展前景。
一、柔性直流输电技术的原理与特点1. 原理柔性直流输电技术是一种通过控制直流电压和电流来实现能量输送和分配的技术。
其核心是采用高性能的功率电子设备对直流电压进行控制，以实现灵活的功率调节、电压调节和频率调节。
通过控制系统可以实现功率的快速响应和精确调节，使得柔性直流输电系统能够适应复杂多变的电网工况。
2. 特点（1）输电损耗小：相比于传统的交流输电技术，柔性直流输电技术在能量传输过程中损耗更小，能够有效节约能源。
（2）占地面积小：柔性直流输电技术所需的设备相对较小，可以在有限的空间内实现高效的能量传输。
（3）环境污染小：柔性直流输电技术的设备采用先进的电力电子元件，不会产生有害的电磁辐射和废气排放，对环境友好。
二、柔性直流输电技术在电力系统中的应用1. 长距离电力输送柔性直流输电技术在长距离的电力输送中具有明显的优势。
传统的交流输电技术在长距离输电过程中会出现较大的输电损耗，而柔性直流输电技术可以通过控制系统实现功率的精确调节，大大减小了输电损耗，提高了输电效率。
2. 大容量电力输送由于柔性直流输电技术具有较高的电压和电流调节能力，能够实现大容量的电力输送。
在大规模工业园区、城市用电中心等场景下，柔性直流输电技术可以有效地满足电力需求，支持电网的高容量输电。
3. 电力系统稳定性改善柔性直流输电技术在电力系统中的应用可以提高系统的稳定性。
通过柔性直流输电技术可以实现快速的电压调节和频率调节，对电网负载波动具有较强的适应能力，有助于降低电网的故障率和提高电网的可靠性。
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展
柔性直流输电工程技术研究、应用及发展一、本文概述随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。
本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。
我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。
我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。
我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。
通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。
二、柔性直流输电技术原理柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。
与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。
柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。
VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。
VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。
在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。
VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。
柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。
这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。
柔性直流输电技术以其独特的电压源换流器和先进的控制系统，实现了对交流电网的灵活支撑和精准控制。
柔性直流输电基本控制原理
暂态稳定性分析是评估柔性直流输电系统在故障或其他大的扰动情况下的性能的重要手段。通过模拟 系统在各种故障情况下的响应，可以了解系统的暂态行为和稳定性，为控制策略的制定提供依据。
运行稳定性分析
总结词
运行稳定性分析是研究系统在正常运行 条件下的动态性能，通过仿真和实验等 方法，分析系统的运行稳定性和控制性 能。
促进可再生能源的接入
柔性直流输电能够更好地接入可再生能源，有助于实现能源 的可持续发展。
02
柔性直流输电系统概述
柔性直流输电系统的基本结构
换流阀
换流阀是柔性直流输电系统的核心部件，负责 实现直流电的转换和传输从一端传 输到另一端。
滤波器
滤波器用于滤除谐波和噪声，保证传输电能的 纯净。
柔性直流输电基本控制原理
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目 录
• 引言 • 柔性直流输电系统概述 • 柔性直流输电系统的控制策略 • 柔性直流输电系统的稳定性分析 • 柔性直流输电系统的保护与控制
一体化 • 柔性直流输电系统的应用与发展
趋势
01 引言
背景介绍
传统直流输电的局限性
传统直流输电在电压源换流器（VSC） 控制策略上存在局限，难以满足现代 电力系统的需求。
3
保护和控制设备之间的通信应具有高可靠性和实 时性，以确保快速响应和准确控制。
保护与控制一体化的优点与挑战
优点
保护和控制一体化可以提高系统的快速响应 能力和稳定性，减少故障对系统的影响，降 低维护成本和停机时间。
挑战
保护和控制一体化需要解决多种技术难题， 如传感器精度、数据处理速度、通信可靠性 和实时性等，同时也需要加强相关标准和规 范的建设和完善。
柔性直流输电系统的未来展望
(完整版)柔性直流输电技术
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
DC
技术内容
关注点
14
功率器件的开通和关断过程
门极控制电压 导通电流
• 导通和关断由门极信号控制 • 导通和关断过程快速，但非
理想 • 导通和关断存在尖峰电流和
电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
15
功率器件的发展
半控器件
• 开通可控 • 关断不可控
全控器件
• 开通可控 • 关断可控
IGBT/IEGT
GTO和IGCT
GTO
IGCT
集成门极
缓冲层 透明阳极 逆导技术
• 最早的全控器件 • 开关频率低，已很少使用
• 上海50MVAr STATCOM
采用IGCT
19
• 目前只有ABB公司供应
IGBT IGBT和PP IGBT(IEGTP)P IGBT(IEGT)
电子注入增强 低导通电压降 宽安全工作区
• 模块塑封 • 应用最广的全控器件 • 三菱、英飞凌、日立、
ABB等多个供应商
• 压接式封装，双面散热
• 失效后处于短路状态
• 主要供应商有东芝、ABB和
Westcode
20
模块式封装(PMI) 功率器件封装模式
技术成熟 安装工艺简单 器件制造商多 损坏时可能发生爆炸 串联不易实现 器件容量相对较小
2024年柔性直流输电市场发展现状
2024年柔性直流输电市场发展现状引言柔性直流输电（Flexible Direct Current Transmission，简称FDCT）作为一种新型的输电技术，具有多种优势，如高效、低损耗和灵活性等。
随着电力需求的不断增长和可再生能源的迅速发展，柔性直流输电市场正逐渐展现出巨大的潜力。
本文将对柔性直流输电市场的发展现状进行分析和探讨。
主要内容1. 柔性直流输电技术简介柔性直流输电技术是一种将输电线路由传统的交流形式转变为直流形式的技术。
该技术利用高压直流输电（High Voltage Direct Current，简称HVDC）系统，通过转换站将交流电转换为直流电进行输送。
相较于传统的交流输电方式，柔性直流输电可以实现更高效率和更远距离的电能传输。
2. 柔性直流输电市场发展趋势柔性直流输电市场正逐渐蓬勃发展，并且呈现出以下几个主要的发展趋势：•可再生能源促进发展：随着可再生能源的快速发展，如风能和太阳能等，柔性直流输电正成为将这些能源从产地输送到用电地点的理想选择。
柔性直流输电系统可以实现大规模清洁能源的长距离传输。
•输电效率提高：与高压交流输电相比，柔性直流输电系统的输电效率更高。
因为直流电在输送过程中的能量损失较小，可以大幅度降低电力传输过程中的能量损耗，提高输电效率。
•电网稳定性提升：柔性直流输电系统具备快速响应和调节电网负荷等特点，可以提高电网的稳定性。
在能源供需波动较大的情况下，柔性直流输电系统可以有效地平衡能源供给和需求，提高电网的可靠性和稳定性。
3. 柔性直流输电市场的挑战柔性直流输电市场的发展也面临着一些挑战，主要包括以下几个方面：•技术难题：柔性直流输电技术相对较新，还存在一些技术难题，如电能转换效率、电气设备可靠性和环境适应能力等问题，需要进一步解决和改进。
•经济可行性：虽然柔性直流输电具有诸多优势，但是其建设和运营的成本相对较高，需要对投资回报作出准确评估，以确保项目的经济可行性。
柔性直流输电技术
柔性直流输电一、柔性直流输电技术1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。
柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。
2. 柔性直流输电技术的优点。
柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。
此外，柔性输电还具有一些自身的优点。
1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。
保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。
2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。
功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。
3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。
4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。
3. 柔性直流输电技术的缺点。
系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。
在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。
可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。
二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比1. 换流器阀所用器件的对比。
1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。
2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。
2. 换流阀的对比。
1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。
柔性直流输电技术简述
柔性直流输电技术介绍1引言柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter,VSC）是一种以电压源变流器、可关断器件（如门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT））和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型直流输电技术。
国外学术界将此项输电技术称为VSC-HVDC，国内学术界将此项输电技术称为柔性直流输电，制造厂商ABB 公司与西门子公司分别将该项输电技术命名为HVDC Light和HVDC Plus。
与传统基于晶闸管的电流源型直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有可控性高、设计施工方便环保、占地小及换流站间无需通信等优点，在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等方面具有明显的优势。
随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，柔性直流输电技术在高压直流输电领域受到越来越广泛的关注及应用。
传统的低电平VSC具有开关频率高、输出电压谐波大、电压等级低、需要无源滤波器等缺点，而且存在串联器件的动态均压问题；多电平变流器提供了一种新的VSC实现方案。
它通过电平叠加输出高电压，逼近理想正弦波，输出电压谐波含量少，无需滤波设备。
自1997年赫尔斯扬试验工程投入运行以来，柔性直流输电技术迅速发展，目前已有13项工程投入商业运行，最高电压等级已达±200kV，最大工程容量达到400MW，最长输电距离为970km。
通过各个领域专家的不断创新和工程建设运行经验的不断积累，柔性直流输电技术作为一种先进的输电技术已具备大规模应用的条件。
图1两端VSC-HVDC系统典型结构图2008年12月，“柔性直流输电关键技术研究与示范工程”作为国家电网公司的重大科技专项正式启动。
该工程联接上海南汇风电场与书院变电站，用于上海南汇风电网并网，是中国首条柔性直流输电示范工程。
该工程由中国电力科学研究院开发，负责接入系统设计、设备供货及工程实施等工作。
2柔性直流输电技术的研究现状2.1高压大容量电压源变流器技术2.2.1模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter,MMC）模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图2所示。
柔性直流输电技术应用、进步与期望
柔性直流输电技术应用、进步与期望一、概述随着全球能源结构的转型和电力电子技术的飞速发展，柔性直流输电技术（VSCHVDC）作为一种新型的输电方式，正逐渐受到广泛关注和应用。
柔性直流输电技术以其独特的优势，如可独立控制有功和无功功率、无需交流系统提供换相电压支撑、易于构成多端直流系统等，在新能源接入、城市电网供电、海岛供电、分布式发电并网等领域展现出广阔的应用前景。
自20世纪90年代以来，柔性直流输电技术经历了从理论研究到工程实践的发展历程。
随着电力电子器件的不断进步和控制策略的优化，柔性直流输电系统的容量和电压等级不断提升，系统效率和可靠性也得到了显著提高。
目前，柔性直流输电技术已成为解决新能源大规模并网、提高电网智能化水平、推动能源互联网发展的重要技术手段。
尽管柔性直流输电技术取得了显著的进步，但仍面临一些挑战和期望。
一方面，随着应用领域的不断拓展，对柔性直流输电系统的性能要求也越来越高，如更高的容量、更低的损耗、更快的响应速度等。
另一方面，随着可再生能源的大规模开发和利用，电网的复杂性和不确定性也在增加，这对柔性直流输电技术的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
1. 简述柔性直流输电技术的背景和重要性随着全球能源需求的日益增长，传统直流输电技术在面对能源紧缺、环境压力以及现代科技发展的挑战时，已显得力不从心。
在这样的背景下，柔性直流输电技术应运而生，成为了一种顺应社会发展的新型输电技术。
从能源角度来看，随着城市化进程的加快和工业化水平的提高，能源需求呈现出爆炸式增长。
传统的直流输电技术，虽然在一定程度上能够满足能源传输的需求，但在面对大规模、远距离的电能输送时，其局限性逐渐显现。
同时，随着可再生能源的快速发展，如风能、太阳能等，这些能源具有分散性、远离负荷中心以及小型化的特点，传统的直流输电技术难以满足这些新能源的接入和调度需求。
柔性直流输电技术的出现，正好弥补了这一技术短板，使得大规模、远距离的电能输送以及新能源的接入和调度成为可能。
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柔性直流输电柔采性用的直功流率输器电件功一率般容器量小较结大
电压等级在3300V以上，有3300V，4500V 通流能力在1000A以上，有1200A，1500A
良好的开通、关断特性，导通特性
开通关断过程尖峰电压和电流 开通、关断过程快速，限制开关损耗 导通压降低，限制通态损耗
电力电子技术已广泛用于电气工程学科， 其装置广泛用于柔性交直流输电、配电网 电能质量补偿与控制、高性能交直流电源 等领域
近年来，能源成为当今人类面临的重大问 题 ，电力电子装置是能源变换的功能性装置， 电力电子技术已成为能源变换与传输的关 键技术
13
交流和直流变换
AC
通过换流器（Converter）实现变换
压接式封装（Press-Pack)
器件故障后不会爆炸
故障后处于短路状态
结构上易于串联
散热性能好
封装难度大
供应商少
• 压接式封装可靠性更高
两种封装模式均有柔直应用 • ABB工程全部采用 StatkPak • 西门子 Transbay工程用PMI
IGBT
• 主要有以下几类
1）ABB StakPakTM IGBT，IGCT
器件串联
换流器输出电平数低，正弦度不高，谐波和损耗大 实现中存在多方面困难
串联器件静、动态均压技术 杂散参数控制、安装、运行维护
ABB的StakPakTMIGBT模块
32
两电平换流器的PWM控制
1
SPWM
0
1
脉冲
0
Vdc (Vdc ) 2
输出电压
(0) Vdc 2
33
器件直接串联的关键技术问题
开关过程中的动态均压
尽量选择参数一致的器件 强化结构设计，减小杂散参数 强制均压电路控制开通和关断过程
串联IGBT的动态均压
串联IGCT的动态均压
34
多电平换流器 多电平换流器的起始 – NPC换流器
– 中性点钳位NPC- Neutral Point Clamp – 实现三电平，电平数仍较低
压接式IGBT (IEGT)
门极驱动 导通压降 允许开关频率 电压/电流能力
晶闸管类器件
（GTO,IGCT） 电流控制，所需功率较大
低 低 较大
晶体管类器件
(IGBT,IEGT) 电压控制，所需功率较小
高 高 相对低
电网设备主要采用3300V及以上等级的高压IGBT(HV IGBT1)7
晶闸管(Thyristor)
36
三电平NPC换流器
两电平换流器
相 电 压
线 电 压
• 谐波性能得到改进
频
• 开关频率仍较高
谱
37
37
多电平换流器 两电平
三电平
多电平
38
多电平换流器
+
E C1
-
+
E C2
-
O
+
E C3
-
+
E C4
-
Sa1p Sa2p
Sa3p Sa4p
VAO Sa1n Sa2n
Sa3n Sa4n
+
E C1
-
器件类型和封装
已经使用：压接式IGBT，模块式IGBT 其他器件：IGCT，ETO 压接式封装散热较好，损坏带来的影响较小，是发展趋势
备注：以上考虑的因素也适合电网其他电力电子设备，如
24
STATCOM等
目录
3
柔性直流换流器技术
25
基于全控器件的换流器
自换相换流器 Self-Commutated Converter
直流侧为电容，视作电压源
直流侧为电抗，视作电流源
全控器件 VSC (Voltage Source Converter)
主流方式
STATCOM, SSSC VSC-HVDC
全控器件 CSC (Current Source Converter)
较少采用
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电压源换流器原理
脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)
• 变压器损耗大，占地大，逐渐淘汰
• 通过功率模块串联，实现多电平换 流器结构
• 成为电网应用的主流 30
器件串联
ABB公司的两电平换流器的串联IGBT阀，HVDC Light/SVC Light
基于ABB公司StakPakTM IGBT器件，器件不单独 出售
...
引自ABB参考资料
31
Thyristor
GTO
IGCT
ETO
• 由半控型到全控型
• 电压、电流等级逐渐提高(几kV/几kA)
• 开关速度由低到高（50/60Hz 到几kHz)
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大功率开关器件的分类
大功率开关器件
晶闸管类
晶体管类
发射极关断晶闸管
GTO
ETO IGCT
可关断晶闸管 集成门极换相晶闸管
模块式IGBT
绝缘栅双极晶体管
强迫换相频率上百赫 兹。
运行性能比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
换流器产生谐波量大， 噪音较大，需要配备交 流滤波器
需要无功补偿，最大 约为50%输送容量
换流站滤波器小组投 切过程较慢，且引起电 压波动
电网换相，需要交流 系统提供足够的短路容 量。
晶体管类(Transistor)
门极电流控制开通关断 关断时所需门极负脉冲电流较大 可承受开关频率较低 导通压降较低 所能实现的电压、电流等级较高
门极电压控制开通关断 门极驱动功率小，开关速度快， 可承受开关频率高 导通压降大 所能实现的电压、电流相对不高
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DC
技术内容
关注点
14
功率器件的开通和关断过程
门极控制电压 导通电流
• 导通和关断由门极信号控制 • 导通和关断过程快速，但非
理想 • 导通和关断存在尖峰电流和
电压
集电极和发射 极电压
实际关断和导通波形
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功率器件的发展
半控器件
• 开通可控 • 关断不可控
全控器件
• 开通可控 • 关断可控
IGBT/IEGT
2）日本东芝IEGT
3）英国西玛码PP IGBT
4）美国ETO
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SCFM-短路失效模式
SCFM（Short-Circuit Failure Mode)
器件发生失效后器件处于短路 模式，并能够继续安全流过工 作电流，直至装置检修时更换
ABB StakPakTM IGBT在 SCFM方面的技术资料公开 比较充分，东芝IEGT也有 相关试验数据
命名情况：
• IEEE/CIGRE等国际组织：基于电压源型换流器的高压 直流输电技术（VSC-HVDC）
• ABB公司：产品注册商标“轻型直流输电（HVDCLight）”
• 西门子公司：产品注册商标“新型直流输电（HVDCPLUS）”
• 中国：柔性直流输电
常规直流输电：晶闸管技术，Line Commutated Converter（LCC-HVDC)
柔性直流输电与常规直流比较
高压直流输电（LCC-HVDC）
柔性直流输电（VSC-HVDC）
晶闸管
相位角控制
晶闸管通过脉冲信号控 制开通，但不能控制关断 ，电网换相。当承受电压 反向时，自动关断。
开关频率50/60 Hz
IGBT或其他可关断功 率器件
脉宽调节控制
可关断器件，可以通 过控制信号关断，完全 可控，自换相。
所需主开关器件数目 2×(N-1) 所需钳位电容数目 (N-1）/2
• 需要直流电压平衡控制 • 直流侧无法实现端对端连接 • 已是大容量STATCOM主要
柔性直流输电技术基本特征
目录
1
柔性直流输电的定义
2
柔性直流输电功率器件
3
柔性直流换流器技术
4
柔性直流输电换流器的控制
5
柔性直流输电系统
6
柔性直流输电技术的发展
2
目录
1
柔性直流输电的定义
3
柔性直流输电技术
VSC-HVDC
• 基于可关断器件和电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的高压直流输电技术（VSC-HVDC），换流器自换向，能够 独立调节有功功率和无功功率，可控性和灵活性强，被誉为新一代 的直流输电技术
Vdc
0
27
正弦载波PWM ( Sine PWM, SPWM)
参考波
三角载波
载波频率fs：三角载波频率 参考波频率f1 载波比：fs/f1
换流器输出电压（基波） 波形与参考波一致
28
换流器四象限运行（有功和无功独立控制）
US
UL
UC
I
I
UUs S UL L
Uc UC > US时, Q 为容性
UI VSC
Power
+ V/mA
Electronics
• 高速 • 电子控制 • 低损耗 • 长寿命
=
kV/kA
V/mA
Power Electronics
12
电力电子技术的三要素
电力电子技术是应用于电力领域的电子技 术，使用电力电子器件（电力半导体器件） 对电能进行变换和控制的技术，变换的电 力从W级到百MW，甚至GW
I
Uc
C
δ
UL
Us P>0, 整流模式