電力電子-第1章匯編

1、授課教師：國(guó)海2緒 論1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域課程學(xué)習(xí)要求31.1 電力電子學(xué)科的形成1.電力技術(shù)2.電子技術(shù)3.電力電子技術(shù)美國(guó)學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。41.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)1）電力技術(shù)是一門涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。利用電磁學(xué)(電路、磁路、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本原理)，處理發(fā)電、輸配電及電力應(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。 1.電力技術(shù)51.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)2）電子技術(shù)又稱為電子學(xué)，它是與電子器件、電子電路以及電子設(shè)備和系統(tǒng)有關(guān)的科學(xué)技

2、術(shù)。電子技術(shù)是研究電子器件，以及利用電子器件來處理電子電路中電信號(hào)的產(chǎn)生、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收問題。又稱為信息電子技術(shù)或信息電子學(xué)。 2.電子技術(shù)61.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)3） 將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制，構(gòu)成了一門完整的學(xué)科，被國(guó)際電工委員會(huì)命名為電力電子學(xué)（Power Electronics）或稱為電力電子技術(shù)。3.電力電子技術(shù)(Power Electronics)具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。71.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)4）電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力

3、電子器件的發(fā)展史為綱4.電力電子技術(shù)的發(fā)展一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。 目前功率等級(jí)： SCR:12kV/1kA和6500V/4000A GTR:1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz MOSFET:1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz . IGBT:6500V/4500V/3300V/1700V/1200V/600V, 3300A-8A;IR公司已設(shè)計(jì)出開關(guān)頻率高達(dá) 150kHz的WARP系列400600V的IGBT 4.電力電子技術(shù)的發(fā)展91.電力變換的類型2.交

4、流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理1.2 開關(guān)型電力電子變換的基本原理及控制方法101.電力變換的類型電源可分為兩類：直流電（D.C） ，頻率f=0交流電（A.C） ，頻率f0電力變換按電壓(電流)的大小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應(yīng)的四種電力變換電路或電力變換器。這四類基本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器112.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡炕驹砣秉c(diǎn)122.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換(續(xù)1) 傳統(tǒng)電力技術(shù)將一頻率的交流電變?yōu)榱硪活l率的交流電基本原理缺點(diǎn)133.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換基本原理圖

5、中的開關(guān)設(shè)為理想開關(guān) vo= Svi S為開關(guān)函數(shù) 143.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)1)如何用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？DC/DC直流降壓電路153.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)2)方案一: 電阻降壓163.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)3)方案二: 串聯(lián)晶體管173.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)4)方案三: 串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān),無損耗183.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)5)方案三: 串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān),無損耗193.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)6)方案三:串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān),無損耗串聯(lián)LC, 濾出諧波

6、, 濾波器的截止頻率開關(guān)頻率203.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)7)BUCK電路方案三:串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān),無損耗增加控制回路 電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.1 電力電子技術(shù)在電源中的應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)在高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起著關(guān)鍵作用，隨著電源技術(shù)的發(fā)展得到廣泛應(yīng)用：通信電源 通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展，高頻小型化的開關(guān)電源技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流不間斷電源(UPS) 不間斷電源(UPS)是一種廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求不間斷供電場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的恒頻恒壓（CVCF）電源 變頻器電源 變頻器

7、電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，是一種高性能的變頻變壓(VVVF)電源也廣泛應(yīng)用于大型風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能運(yùn)行以及工業(yè)裝備、電力交通、家電等中的交流調(diào)速等 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要能源，隨著大功率電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也將在電力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了前所未有的擴(kuò)展：發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制 就是采用先進(jìn)的電力電子勵(lì)磁系統(tǒng)取代原有的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)組靜止式離子整流器和靜止式半導(dǎo)體整流器高壓直流輸電（HVDC）技術(shù) 由于HVDC具有輸送容量大、受控能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好以及與不同頻率電網(wǎng)之間易聯(lián)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為交流輸電技術(shù)的有力補(bǔ)

8、充并得到廣泛的推廣1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖1.3 高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.2 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用柔性交流輸電(FACTS)技術(shù) 它是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù) FACTS控制器中最關(guān)鍵的電力電子設(shè)備包括靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）及統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）如圖1.4所示：圖1.4 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC） 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.3電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖1.6

9、具有儲(chǔ)能功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng):光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)圖1.6是一個(gè)具有儲(chǔ)能的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電按照風(fēng)輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是否恒定分為定轉(zhuǎn)速運(yùn)行與可變速運(yùn)行兩種方式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1.3.3電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.3電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖1.7 異步發(fā)電機(jī)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖1.8 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.3電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 燃料電池是

10、一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置它發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)是高效、潔凈，無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率可達(dá)40 65燃料電池并網(wǎng)發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1.9所示： 圖1.9 燃料電池發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.3電力電子技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用混合能源發(fā)電系統(tǒng) 混合能源發(fā)電系統(tǒng)主要利用不同能源的互補(bǔ)組合，提高可再生能源的利用率。例如：利用太陽能與燃料電池也可以組成“太陽能光伏制氫儲(chǔ)能燃料電池發(fā)電系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)如圖1.10所示 ：圖1.10 太陽能光伏制氫儲(chǔ)能-燃料電池放電系統(tǒng)1.3 電力

11、電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.4 電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用 圖1.11 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖微電網(wǎng) 它是一種規(guī)模較小的分散的獨(dú)立系統(tǒng)，是一種能更好地發(fā)揮分布式發(fā)電潛能的一種組織形式。一般將微電網(wǎng)中的分布式電源叫做微型電源(MicroSource)亦簡(jiǎn)稱微源(MS)圖1.11為美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì) CERTS定義的一個(gè)微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.5 電力電子技術(shù)在環(huán)保系統(tǒng)中的應(yīng)用高壓靜電除塵 靜電除塵是利用高壓電場(chǎng)的靜電力，使粉塵荷電產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而從氣體中分離得到凈化的方法。靜電除塵器的高壓系統(tǒng)由升壓變壓器、高壓整流器、控制元件、自動(dòng)控制反饋4部分組成，如圖1.12所示

12、:圖1.12 高壓靜電除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.5 電力電子技術(shù)在環(huán)保系統(tǒng)中的應(yīng)用電解法臭氧發(fā)生器 電解法臭氧發(fā)生器是利用直流電源電解含氧電解質(zhì)產(chǎn)生臭氧氣體，具有濃度高、成分純凈、在水中溶解度高的優(yōu)點(diǎn)。其放電器件基本構(gòu)成有：高壓電極、地電極、介電極與放電氣隙四部分 煙氣脫硫脫氮應(yīng)用 煙氣脫硫脫氮技術(shù)是一項(xiàng)跨行業(yè)、多學(xué)科的系統(tǒng)工程離不開電力電子技術(shù)的支持,其中電子束氨法煙氣脫硫脫氮系統(tǒng)中運(yùn)用的高頻高壓開關(guān)電源、高能電子加速器等都應(yīng)用了電力電子技術(shù) 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.6 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能 交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能主要包括變頻調(diào)速節(jié)電、功率因

13、數(shù)補(bǔ)償節(jié)電以及輕載調(diào)壓節(jié)電三種主要方式：變頻調(diào)速節(jié)電 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)電 輕載調(diào)壓節(jié)電1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.6 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用 圖1.13 高頻無極燈的電路結(jié)構(gòu)高效節(jié)能照明 高效節(jié)能照明是指發(fā)光效率較高的電光源節(jié)能燈。它們大都利用高頻電力電子變換技術(shù)近幾年我國(guó)推廣的節(jié)能燈有：稀土熒光燈、高頻無極燈、高壓鈉燈、雙絞絲型的白熾燈等 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.6 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能應(yīng)用變風(fēng)量空調(diào)控制 油田高壓注水泵系統(tǒng)的變水量控制城市供水系統(tǒng)的流量控制1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.3.6 電力電子技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用圖1.14 靜止無功補(bǔ)償器(SVC)典型結(jié)構(gòu) 靜止無功補(bǔ)償器(SVC)1.3 電力電子