电力电子-第1章

1、电力电子技术授课教师：国海授课教师：国海2绪绪 论论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3 电力电子技术的应用领域电力电子技术的应用领域课程学习要求课程学习要求31.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.1.电力技术电力技术2.2.电子技术电子技术3.3.电力电子技术电力电子技术l美国学者美国学者W. Newell认为电力认为电力电子学是由电子学是由电力学电力学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而三个学科交叉而形成的。形成的。41.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的

2、形成（续1）电力技术是一门涉及发电、电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的输电、配电及电力应用的科学技术。科学技术。利用电磁学利用电磁学(电路、磁路、电路、磁路、电场、磁场的基本原理电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。应用的技术统称电力技术。 1.电力技术电力技术51.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续2）电子技术又称为电子技术又称为电子学电子学，它是与，它是与电子器件、电子电路以及电子设电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。备和系统有关的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及电子技术是研究电子器件，以

3、及利用电子器件来处理电子电路中利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。储、发送和接收问题。又称为信息电子技术或信息电子又称为信息电子技术或信息电子学。学。 2.电子技术电子技术61.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续3） 将电子技术电子技术和控制技术控制技术引入传统的电力技术电力技术领域，利用半导体电力开关器件电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子电力电子技术技术。3.电力电子技术电力电

4、子技术(Power Electronics)l具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子电力电子器件器件对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。71.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续4）电力电子技术的发展史是以电力电子技术的发展史是以电力电子器件电力电子器件的发展史为纲的发展史为纲4.电力电子技术的发展电力电子技术的发展一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。气公司研制出第一个晶闸管为标志的。 目前功率等级： SCR:12kV/1kA和6500V/

5、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公司已设计出开关频率高达 150kHz的WARP系列400600V的IGBT 4.电力电子技术的发展电力电子技术的发展91.1.电力变换的类型电力变换的类型2.2.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换3.3.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理1.2 开关型电力电子变换的基

6、本原理及控制方法开关型电力电子变换的基本原理及控制方法101.电力变换的类型电力变换的类型电源可分为两类：电源可分为两类：直流电（直流电（D.C） ，频率，频率f=0交流电（交流电（A.C） ，频率，频率f 0电力变换按电压电力变换按电压(电流电流)的大的大小、波形及频率变换划分为小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。电力变换电路或电力变换器。这四类基本变换可以组合成这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器许多复合型电力变换器112.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换传统电力技术如何将交流电变为直流电？传统电力技术如何将交流

7、电变为直流电？基本原理基本原理缺点缺点122.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换(续续1) 传统电力技术将一频率的交流电变为另一频率的交流电传统电力技术将一频率的交流电变为另一频率的交流电基本原理基本原理缺点缺点133.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理用电力电子开关器件实现电能的变换用电力电子开关器件实现电能的变换基本原理基本原理图中的开关设为图中的开关设为理想开关理想开关 vo= Svi S为为开关函数开关函数 143.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续1)如何用电力电子开关器件实现电能的变换？DC/DC直流降

8、压直流降压电路电路153.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续2)方案一方案一: 电阻降压电阻降压163.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续3)方案二方案二: 串联晶体管串联晶体管173.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续4)方案三方案三: 串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗183.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续5)DTosDDVdttvTVs00)(1方案三方案三: 串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理

9、想开关理想开关,无损耗无损耗开关周期开关占空比sTD193.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续6)方案三方案三:串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗串联串联LC, 滤出谐波滤出谐波, 滤波器的截止频率滤波器的截止频率开关频率开关频率203.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续7)BUCK电路电路方案三方案三:串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗增加控制回路增加控制回路 电力电子技电力电子技术的广泛应术的广泛应用用l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的

10、应用1.3.1 电力电子技术在电源中的应用 现代电力电子技术在高质量、高效、高可靠性的电源中起现代电力电子技术在高质量、高效、高可靠性的电源中起着关键作用，随着电源技术的发展得到广泛应用：着关键作用，随着电源技术的发展得到广泛应用：u通信电源通信电源 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展，高频小型化的开关电源技术已成为现代通信供电系统的主流u不间断电源不间断电源(UPS) 不间断电源(UPS)是一种广泛应用于计算机、通信系统以及要求不间断供电场合所必须的一种高可靠、高性能的恒频恒压（CVCF）电源 u变频器电源变频器电源 变频器电源主要用于交流电机的变频调速，是一种高性能的变频变压(VV

11、VF)电源也广泛应用于大型风机、水泵的节能运行以及工业装备、电力交通、家电等中的交流调速等 l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用q 电力是关系到国计民生的重要能源，随着大功率电力电子电力是关系到国计民生的重要能源，随着大功率电力电子器件技术的不断发展，电力电子技术也将在电力系统的应器件技术的不断发展，电力电子技术也将在电力系统的应用领域得到了前所未有的扩展：用领域得到了前所未有的扩展：q发电机的静止励磁控制发电机的静止励磁控制 就是采用先进的电力电子励磁系统取代原有的旋转励磁机组静止式离子整流器和静止式半导体整流器q高压直流输电（高压

12、直流输电（HVDC）技术）技术 由于HVDC具有输送容量大、受控能力强、稳定性好以及与不同频率电网之间易联络等优势，现已成为交流输电技术的有力补充并得到广泛的推广l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用 图1.3 高压直流输电（HVDC）系统l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用q 柔性交流输电(FACTS)技术 它是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术q FACTS控制器中最关键的电力电子设备包括静止同步补偿器（STATCO

13、M）、静止同步串联补偿器（SSSC）及统一潮流控制器（UPFC）如图1.4所示：图1.4 统一潮流控制器（UPFC） l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用 图1.6 具有储能功能的光伏并网发电系统q 光伏发电系统光伏发电系统: :光伏发电光伏发电系统可分为独立光伏发系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电电系统和并网光伏发电系统系统q 图图1.61.6是一个具有储能的是一个具有储能的太阳能光伏并网发电系太阳能光伏并网发电系统示意图统示意图l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用q 风力发电系统风力发电系统 风力发

14、电按照风轮发电机转速是否恒定分风力发电按照风轮发电机转速是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式为定转速运行与可变速运行两种方式q变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统q恒恒速恒频风力发电系统速恒频风力发电系统l1.3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用 图1.7 异步发电机的恒速恒频风力发电系统图1.8 变速恒频风力发电系统l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用q 燃料电池发电系统燃料电池发电系统 燃料电池是一种

15、将持续供给的燃料和燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能的电化学装置q 它发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块它发电最大的优势是高效、洁净，无污染、噪声低，模块结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，结构、积木性强、不受卡诺循环限制，能量转换效率高，其效率可达其效率可达4040 6565q 燃料电池并网发电功率调节系统的结构如图燃料电池并网发电功率调节系统的结构如图1.91.9所示：所示： 图1.9 燃料电池发电并网发电系统l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.3电力电子

16、技术在可再生能源发电系统中的应用q 混合能源发电系统混合能源发电系统 混合能源发电系统主要利用不同能源混合能源发电系统主要利用不同能源的互补组合，提高可再生能源的利用率。例如：利用太阳的互补组合，提高可再生能源的利用率。例如：利用太阳能与燃料电池也可以组成能与燃料电池也可以组成“太阳能光伏制氢储能太阳能光伏制氢储能燃料电燃料电池发电系统池发电系统”，其结构如图，其结构如图1.101.10所示所示 ：图1.10 太阳能光伏制氢储能-燃料电池放电系统l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.4 电力电子技术在微电网中的应用 图1.11 微电网基本结构图q 微电网微电网 它是一种

17、规模较它是一种规模较小的分散的独立系统，小的分散的独立系统，是一种能更好地发挥分是一种能更好地发挥分布式发电潜能的一种组布式发电潜能的一种组织形式。一般将微电网织形式。一般将微电网中的分布式电源叫做微中的分布式电源叫做微型电源型电源( (MicroSourceMicroSource) )亦亦简称微源简称微源(MS)(MS)q 图图1.111.11为美国电力可靠为美国电力可靠性技术解决方案协会性技术解决方案协会 CERTSCERTS定义的一个微电网定义的一个微电网基本结构图基本结构图 l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.5 电力电子技术在环保系统中的应用q 高压静电除尘

18、高压静电除尘 静电除尘是利用高压电场的静电力，使粉静电除尘是利用高压电场的静电力，使粉尘荷电产生定向运动而从气体中分离得到净化的方法。静尘荷电产生定向运动而从气体中分离得到净化的方法。静电除尘器的高压系统由升压变压器、高压整流器、控制元电除尘器的高压系统由升压变压器、高压整流器、控制元件、自动控制反馈件、自动控制反馈4 4部分组成，如图部分组成，如图1.121.12所示所示: :图1.12 高压静电除尘系统结构l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.5 电力电子技术在环保系统中的应用q 电解法臭氧发生器电解法臭氧发生器 电解法臭氧发生器是利用直流电源电电解法臭氧发生器是利

19、用直流电源电解含氧电解质产生臭氧气体，具有浓度高、成分纯净、在解含氧电解质产生臭氧气体，具有浓度高、成分纯净、在水中溶解度高的优点。其放电器件基本构成有：高压电极水中溶解度高的优点。其放电器件基本构成有：高压电极、地电极、介电极与放电气隙四部分、地电极、介电极与放电气隙四部分 q 烟气脱硫脱氮应用烟气脱硫脱氮应用 烟气脱硫脱氮技术是一项跨行业、多烟气脱硫脱氮技术是一项跨行业、多学科的系统工程离不开电力电子技术的支持学科的系统工程离不开电力电子技术的支持, ,其中电子束其中电子束氨法烟气脱硫脱氮系统中运用的高频高压开关电源、高能氨法烟气脱硫脱氮系统中运用的高频高压开关电源、高能电子加速器等都应用

20、了电力电子技术电子加速器等都应用了电力电子技术 l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.6 电力电子技术在节能中的应用q 交流电动机运行节能交流电动机运行节能 交流电动机运行节能主要包括变频交流电动机运行节能主要包括变频调速节电、功率因数补偿节电以及轻载调压节电三种主要调速节电、功率因数补偿节电以及轻载调压节电三种主要方式：方式：q变频调速节电变频调速节电 q功率因数补偿节电功率因数补偿节电 q轻载调压节电轻载调压节电l1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.3.6 电力电子技术在节能中的应用 图1.13 高频无极灯的电路结构q 高效节能照明高效节能照明 高效节能照明是指发光效率较高的电光高效节能照明是指发光效率较高的电光源节能灯。它们大都利用高频电力电子变换技术源节能灯。它们大都利用高频电力电子变换技术q 近几年我国推广的节能灯有：稀土荧