电工技术与电力系统新进展讲座

大容量电力电子与电力电编教师— 简主讲课程：课《现代电力电子一、 的特（1）巨型计算机取得惊人的突破；（2）微通信技术正在数字化和个人化；（5）多媒体技术日新月异；（6）生物技术、航天技术、－－19世纪是个蒸汽时代，20世纪是电气和信息=>数据=>知识=>素质=>能力 一、 人类当前的世纪性难题据统计，全球石油储量只够使用30~50年，我国剩余的开采量只有世界人均的1/10。2010年我国石油进口量将达1.6亿吨，2020年将达2.5亿吨（对外依存度超过55％，77美金/每桶）；2020也只占世界平均值的1/2,另外火电消耗大量水。一、 人类当 的世纪性难世界上10个空气污染最严重的城市，有7个在我国 国 ，SO2的排放将很快超 ，居于全第一；另外，汽车废气排放已造成全球性的温室效之一，将来用不着了。一、 我 技术还造成我国总能源效率低（32％），低于世界平均水平10％。单位GDP能耗是的3.5倍，欧盟的5.9倍，的9.7倍，的1.6倍，世界平均水平的3倍！我国近年来每年消耗全球钢材、水泥、煤炭的30％左右，而GDP只占世界的6每年平均给法国每人提供三双鞋子，换回来几辆空客和大批电子。大量资源我国发电量的60％～70％左右用于推动电动拖动，每年造成大量的能源浪费。主要应用行业电厂厂用高压用电型风机、水泵调金、石油、道交通，电力机车，地船推进井提升机解决问题之道节能、节能、再节 改造完毕形成的产业市场容量达1000亿元解决问题之道水电、风电 能、生物质能如全球风能的资源是巨大的，每年高达5310202最近2010（MW）2000口提供电力，带来很好的环境和社会效我国风 底装机总容量 .8MW，2006年增装机1337.15MW， 年的新增长率 ％我国有效风功率密度分小小均依赖现代电力电子技术的进步和成?一、 电力电子从英文的PowerElectronics而一、 功率硅整流二极管（SiliconRectifier－ControlledRectifier－SCR）。一、 1973年Newell一、 1980年B.KBose一、 Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.现代电力电子技术变变电子技电高控治一、 Thistechnology passestheeffectiveuseofelectricalandelectroniccomponents,theapplicationoflinearandnonlinearcircuitandcontroltheory,theemploymentofskillfuldesigntechniques,andthedevelopmentofsophisticated yticaltoolstowardachievingthefollowingpurpose:tocontroltheflowofenergyfromanelectricalsourcetoanelectricalloadwithhighefficiency,highavailability,highreliability,smallsize,lightweight,andlowcost.一、 理技术(ElectricalEnergyProcessing),和高效利用(conditioningandefficient源系统,电气传动自动化系统及电力系一、 一、 电力电子发展技术1956-1979传统电力电子器件（SCR及其派生器件）控式，多用于AC-DC整流1980-至今现代电力电子器件（GTO,BJT, ）：全控式，多用于DC-AC一、 一 技电子

多种应用现代电力电子技定一 技 电 开无现代电力电子技电能处电能处理与节三个基本弱电控制高技术的五个发展高功率密高压大功高五个发展高功率密高压大功高功率因高性高频高多种应用电源系电力系储能系多种应用电源系电力系储能系现代交通系电气传动系20002000isanEnablingHardwareTotalElectronicsMarketSource:Microtech/电能处电能处理与三个基本弱电控制高技术的五个发展高功率高压大高功率高性五个发展高功率高压大高功率高性高频高现代电力电子技术的发展趋高频高效IPEMSwitchingCellMoreIntegration ,ABB,DanfossWire1-DThermalLowerpower现代电力电子技术的发展趋高功率密度－－组SCR+MOSFETGTO+MOSFETBJT++

====标准化，量产可制造 ligent”Half-BridgeFault&Current&

-SerialCommunicationsLink&AuxiliaryPowerIntegratedPowerElectronicsModule(IPEM)PowerElectronicsBuildingBlock(PEBB)Improvecompetitivenessof powerelectronicsindustryby anintegratedsystemapproachviaIntegratedPowerElectronicsModules(IPEMs)PowerPort(Source/SystemPowerPowerICsandPassive

Circuits&Packagingand市场预SignalPower

Market Market 现代电力电子技术的发展趋高压大功

MOSFETTopic High-PowerSwitchingGateTurnOffThyristor4500V/800Aand4500V/1500ATopic High-PowerSwitchingIntegratedGateControlledThyristor6500V/1500ASymmetricalTopic High-PowerSwitchingInsulatedGateBipolarTransistor 1700V/1200Aand PowerSemiconductorSomedevicespushingSiSiCofferspromise

TRI--MOD 现代电力电子技术的发展趋高功率低DIODE高1THD全数字 = DSPControllerWithOpticalFiberLinksIPEM-BasedPowerSystemDSPDSPDCDisributionIPEM IPEM多种应用领电源系多种应用领电源系电力系电气传动系三.电力电子技术的应用在传统产业和节能、环保我国能源生产总值居于世界前茅，但是位产值能耗太大，节能方面差距很大节能的 改造完毕形成的产业市场容量达1500亿元节能的*Output*OutputofpowerElectrical6420

improvedpower 204060 204060 204060Total Total

Electrical

*

1997:2010:

EnergyandIndustrialElectricMotorsDominateEnergy~35~35U.S.ADJUSTABLEsource:ADJUSTABLEEnergyand 5400Btu per 9000Btu per高性能调速车、城市地铁轻轨、电动汽车等现代的调速提高系统性能和生产效高性能大容量调速应用领

高性能调速国内铁路市场机车数量：4000牵引变频器价值占总额：约152200机车数量：1500牵引变频器价值占总额：约36高性能调速国每台：100USD五年内国内地36亿十年内国内铁路市场：200亿 Shinkansen700系列高来源:Fuji整流器:单相二极管箝位三电平结构逆变器:三相二极管箝位三电平结构容量:1.1MW,1850V来源舰船推dABB (CruiseVessel2*19.5MWCyclo-SM)CompactAzipod Alstom 二世Mary2”号是全球最大的邮 IPEMBasedDCDistributedSystem(400VTestbed)DCPowerDistribution

元件串联电压型二电平（ALSTOM）电流型(ROCKWELL)多电平H桥（ROBICON）三电平（ 电容浮动（ALSTOM）变压器高低高 Topic High-PowerConverterMultilevelVoltageSource 多电平逆变器相比传统两电平的优更适合大容量、高电压可产生M层阶梯输出电压，对阶消除谐波效率高，损耗 *Topic MVIndustrialMVDrive–SIMOVERTCourtesybasedthree- inverterfedTopic MVIndustrialMVDrive–SIMOVERTLfCd CThree- inverterfed 工程*INNOVITIONMVIGCT 工程600，500Topic MVIndustrialABBMVDrives–Topic MVIndustrialABBMVDrives–HighperformanceOutput

Activefrontend 2.3–3.3 LineSupply InverterDCDCDC(- Phasemodules EMCFilterSource:Source:多电平逆变器相电压输出二极管、电容箝位型多电vo通用箝位型多电平 工程 独特，还没 产品 Topic MVIndustrial -Perfect

Power

Multi-pulseDiodeMulti-LevelCascadedH-bridgeTopic MVIndustrial -PerfectPerfectHarmony,CourtesyofASIbasedcascadedH-bridgeinverterfedMV(4.16KVand AB 产*1557系列中压变频器，采用GTO电流型,GTO元件串联，5年前占风机，水泵市场70%，技术目前已，已推出本地产变频器几十台。 SGCT的PowerFlex7000电流型变频已推出。

公 。三 1999年推 频器，三电平 目前比较成有晶闸管直流普通三相逆变降压－普通变频－升压电交交变频变压器耦合的多脉冲逆传统大功率逆变器拓扑结构的装置复杂，制作成.控制方式可靠.对电网污染严重，功率因数低电力电子9内电力、位。城市轨道交通、高速列车电力牵引和船高压大容量变频器装置外Topic MVDriveOverviewMVDriveMarketSharesbyUnitmarketshares2004ASITMEICChinese-HarvestAlstom/GECELEC/AEG/GECOthers(L&T,CTQ,WEG,Chinese-

Chinese-Chinese-Mingyang,Dongfan&GE

2.0%6.0%8.0%%%%%%Topic MVDriveOverviewMVDriveMarketSharesbyMarketsharesinkUSD-Marketsize~400ASIAlstom/GECELEC/AEG/GECOthers(L&T,CTQ,WEG,Chinese-HarvestGE(Industry)Chinese-AriTimeChinese-TriedChinese-Mingyang,Dongfan&

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PE在工中频感应加热电源大功率电解电源电焊机电源电镀电高效节能灯；PE在电直流输电无功补偿储能、调峰变速恒频励磁PE在高电力电子开关器件的创新；高精度电机伺服控制系统；开关电《现代电力电子学》课程第一章代电力电子器件开关特性及对重点介绍场控器件，IGCT等外特性《现代电力电子学》课程 第二章电力电子电路拓扑研究及综合《现代电力电子学》课程第三章电力电子电路换流原引入相平面法，使其分析和计算大大简化。《现代电力电子学》课程第四章谐振式变换器及软开 和应用电路。《现代电力电子学》课程第五章无功补偿、有源滤波及PFC《现代电力电子学》课程第六章性能交流电机控制系统—电力《现代电力电子学》课程第七章多电平变换器的控制。四、如何开始做何 ?=>MastersandMaster:主人/掌握知识的人=>教师（资格 s=>DoctrineKnowsomethingabouteverything(博士OrknoweverythingaboutsomethingMasteraspecificsubject /完全掌握某一专题的知识=>博士 Extendthebodyofknowledgeaboutthe/必须增加此专题的知识积累=>创新=>博士创新：发现、发明、应用学而时习之，不亦乐乎关于 >首次提出一种理论，并得到试>首次将一种理论应用到>首次发明或开发一种新产品、新方>改进一种理论、实验方法或工>借鉴国外经验，在本国首次完成上述知其然（所以然）Know如何开始做基本方准备工仿真研实验和观假设和想和推计划和组天才没法事实上每一个人在上学之前都是天>一年左右学会语>对一切都充满好奇、怀>具有很强的模仿和科学家的基本科学家通常具有一种愿望，去寻求科学家的好奇心是也满足不了的，相成才大有大部分科研工作者都不是>好的方法可以更好的发挥出>有比把孩子往水里扔更好的>大部分人在没有约束的情况下会多数人的创造力很早就开始了，测、假设和想象力、和推理。现代电力电子学研究器件：材料是基础，工艺 1883年发 效应=>电子发射的二极1904年弗莱明造出电子二极管=>检波无线1905年德福 制成电子三极管，具有放大作=>无线电收音机（06年）、电视机（39年）纷纷出半导体技术（1783伏打）导致晶体二极管和三极管年月号，贝尔 1950年肖克莱等人又发明了晶体三极管！Nobel3.现代电力电子学研究巴丁、肖克莱、沃特尔在一起（1947年现代电力电子学研究 新型拓扑结构：整流桥（Graetz1897年）、斩（升降压、Cuk）、逆变器（McMurray）、多平变换器（Holtz、Nabae、Meynard、彭方正代）、MRC=>软开关（SoftSwitching90年代）现代电力电子学研究 (64年Shonung、75年Bowes、