電氣工程學(xué)科-電力電子電力系統(tǒng)講義課件

1、第3章 EE學(xué)科的主要研究方向之二 電力電子與電力傳動電力電子技術(shù)1 什么是電力電子技術(shù)2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子與信息電子 兩大分支 與其他學(xué)科的關(guān)系 地位和未來1 什么是電力電子技術(shù)信息電子技術(shù) 信息處理電力電子技術(shù) 電力變換模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù) 使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。電力電子與信息電子 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） 用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其 進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電

2、子裝置 和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。 電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。電力電子技術(shù)的兩大分支 電力電子器件制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。 電力 分交流和直流兩種 從公用電網(wǎng)直接得到的是交流電，從蓄電池和干電池得到的是直流電。 電力變換的四大類ACDC、DCAC、DCDC、ACAC 進行電力變換的技術(shù)稱為 變流技術(shù)。 變流技術(shù)電力電子學(xué) (Power Electronics)名稱60年代出現(xiàn)。1974年，美國的W. Newell用圖1的倒三角形對電力電子學(xué)進行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散 電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機圖1 描述電力電子學(xué)

3、的倒三角形與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系都分為器件和應(yīng)用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)。應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同。器件的工作狀態(tài)：不同二者同根同源。 與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中：高壓直流輸電風(fēng)力發(fā)電技術(shù)電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源 國內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個分支。 電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個分支。 與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)是弱電控制強電的技術(shù)， 是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的依據(jù)。電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和

4、重要支撐技術(shù)。 與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的特點 是弱電控制強電的學(xué)科交叉技術(shù)。 是變換/傳送能量的技術(shù)。弱電傳送信息，強電傳送能量。 是多學(xué)科知識交叉的綜合技術(shù)。電力電子技術(shù)的作用電力能源約占總能源的40%；電能中有40%需要經(jīng)過電力電子設(shè)備的變換才能使用；電能的三大類主要應(yīng)用領(lǐng)域：

5、 62%的電能用于電機和電機控制方面， 10%12%的電能用于照明方面， 8%10%用于化工和金屬冶煉方面。電力電子技術(shù)的作用截止到2004年底，我國發(fā)電總裝機容量已達(dá)到421500MW，其中煤炭火力發(fā)電占74%左右利用電力電子技術(shù)對電能變換后再使用，可以節(jié)省1/3的電能。這1/3的能源相當(dāng)于840個火電廠發(fā)出的電能。少建火電廠，可以減少燃煤產(chǎn)生的二氧化碳和硫化物。一般工業(yè)：交直流電機、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他：UPS、 航天飛行器、新能源、

6、發(fā)電裝置電力電子技術(shù)的應(yīng)用軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)電解鋁1）一般工業(yè)應(yīng)用2）交通運輸3）電力系統(tǒng)SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS4）電子裝置用電源程控交換機電子裝置微型計算機5）家用電器6）其他大型計算機的UPS航天技術(shù)新型能源可見，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛；電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。 電力電子技術(shù)實驗室電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域：示例電力電子器件：示例第3章 EE學(xué)科的主要研究方向之三

7、 電力系統(tǒng)及其自動化1 電力工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位 人均用電量是衡量現(xiàn)代生活水平的重要標(biāo)志。 電力工業(yè)的發(fā)展水平是反映國家經(jīng)濟發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。 世界人均消費電能（2000年）中國與 北美人均電力消費對比2 電力系統(tǒng)概述一次能源： 可直接利用的能源，直接提供熱、光、動力等，主要包括植物能源（柴草等）、礦物能源（煤炭、石油、天然氣等）、可再生能源（水能、風(fēng)能、潮汐、地?zé)?、太陽能）及核能（核裂變、核聚變等）。電力工業(yè)簡介 二次能源： 由一種或多種一次能源經(jīng)過轉(zhuǎn)換或加工后得到的能源。如電能、機械能、光能、等。電力工業(yè)： 是生產(chǎn)和銷售電能的行業(yè)。 電力工業(yè)的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié) 發(fā)電：利用各種能源資源，生產(chǎn)

8、電能。 輸電：電力的輸送。 變電：電壓等級的變換。 配電：電能的分配供給。 用電：電能消費。電力系統(tǒng)的構(gòu)成電力網(wǎng)絡(luò)： 用于輸電、變電、配電的線路、變電站組成的網(wǎng)絡(luò)稱為輸配電網(wǎng)絡(luò)，簡稱電網(wǎng)。電力系統(tǒng)： 輸配電網(wǎng)再加上發(fā)電廠、電力用戶就構(gòu)成了電力系統(tǒng)流程 發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過輸電線路進行遠(yuǎn)距離輸送，在變電站內(nèi)進行電壓等級轉(zhuǎn)換和線路的投切、保護，送至負(fù)荷所在區(qū)域的配電系統(tǒng)，再由配電變電站和配電線路把電能分配給用戶。電力系統(tǒng)構(gòu)成：示意圖1電力系統(tǒng)構(gòu)成：示意圖2電力網(wǎng)的額定電壓煤炭、石油、天然氣 火力發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換為電能的工廠。發(fā)電廠水能水力發(fā)電廠核能核電廠新能源(風(fēng)能、潮汐、地?zé)?、?/p>

9、陽能)新能源電廠火力發(fā)電廠：利用固體、液體、氣體燃料的化學(xué)能來生產(chǎn)電能的工廠1. 火力發(fā)電廠原動機：凝汽式汽輪機、燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機 我國大部分火電廠為 凝汽式火力發(fā)電廠 化學(xué)能熱能機械能電能燃燒原動機發(fā)電機 火力發(fā)電 蒸汽輪機發(fā)電示意圖鍋爐中的水變?yōu)楦邷馗邏赫羝?，推動汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電?；痣姀S發(fā)電原理和特點 三大設(shè)備：鍋爐、汽輪機、發(fā)電機鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動汽輪機組做功，并使之帶動發(fā)電機發(fā)電。已做過功的蒸汽排入凝汽器冷卻成水，重新送回鍋爐。在凝汽器中，大量熱量被循環(huán)水帶走，所以熱效率低，只有30%-40%。水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠：利用水庫、河流所蘊藏的水力資源來生產(chǎn)電能的工廠水電廠的類型：堤壩

10、式引水式抽水蓄能電站 勢能機械能電能水輪機發(fā)電機壩后式水力發(fā)電廠示意圖上游水庫大壩變壓器發(fā)電機下游水力發(fā)電示意圖利用河流的水位能發(fā)電其出力與流量和落差成正比，是典型的可再生能源。 核電廠核電廠是用核燃料（如鈾235）在反應(yīng)堆中的受控核裂變能轉(zhuǎn)換為熱能，將水變?yōu)檎羝?，推動汽輪機組帶動發(fā)電機發(fā)電。 核能熱能機械能電能沸水堆型核電廠示意圖混凝土防護殼主循環(huán)泵控制棒反應(yīng)堆汽輪機發(fā)電機凝結(jié)器凝結(jié)水泵其它能源發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電地?zé)岚l(fā)電潮汐發(fā)電太陽能發(fā)電風(fēng)力發(fā)電示意圖電力網(wǎng) = 輸電網(wǎng)+配電網(wǎng)電力網(wǎng)絡(luò)組成：電力線路+ 變壓器+配電裝置電力網(wǎng)絡(luò)功能：輸送和分配電能并進行電壓變換。電力網(wǎng)分類：輸電網(wǎng) + 配電網(wǎng)輸電

11、網(wǎng)：將發(fā)電廠的電能經(jīng)變壓器升高電壓，通過高壓輸電線路，送到鄰近負(fù)荷中心的樞紐變電所。輸電網(wǎng)的額定電壓通常為220-750KV或更高，它是電力系統(tǒng)的主干電網(wǎng)。配電網(wǎng)配電網(wǎng)：可分為高壓、中壓和低壓配電網(wǎng)高壓配電網(wǎng)：電壓等級為35-110KV或更高，中壓配電網(wǎng)：電壓等級為1-35KV，它們將來自變電所的電能分配到眾多的配電變壓器，以及直接供應(yīng)中等容量的用戶；低壓配電網(wǎng)：電壓為380/220V，用于向數(shù)量很大的小用戶供電。中國電網(wǎng)分布示意圖30000MW30000MW10000MW40000MW20000MW10000MW40000MW10000MW電力網(wǎng)-變電站 電力網(wǎng)-變電站 第3章 電力電子技術(shù) 思考題1什么是電力電子技術(shù)？其兩大分支是什么？2、電力電子技術(shù)是從哪三大學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展起來的交叉學(xué)科？電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)