电力电子技术在节能领域的应用

电力电子与现代生活第3章电力电子技术在节能领域的应用2电力电子与现代生活第3章电力电子技术在节能领域的应用3.1能源危机与对策3.2变频器节能3.3绿色照明节能3.4无功功率补偿节能3.5逆变焊机的节能3.6开关电源的节能3第3章电力电子技术在节能领域的应用3.1能源危机与对策能源和水、土地一样都是人类赖于生存和发展的基础。什么是能源？能源是能量的来源，是在一定条件下可转换成人类所需的燃料或动力来源的物质。能源包括：煤炭、石油、天然气、水能等常规能源，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和核能等新能源。有些能源储量非常有限，如煤炭、石油等，用一点就少一点，不能再生，所以称之为不可再生能源；有些能源如水能、太阳能、风能、生物能等，可以不断重复产生，所以称之为可再生能源。4第3章电力电子技术在节能领域的应用能源的重要性：能源是人类文明发展的基石。近二百年来，能源的利用，推动科技迅猛发展，人类社会急剧变革，几千年来的手工作坊，跃变到今天的工业化、电气化社会。第一次工业革命，瓦特发明蒸汽机，煤炭提供了工业动力。第二次工业革命，电力工业迅速崛起，煤炭让电能流进千家万户、工厂企业。内燃机的发明，是石油让汽车交通方便、迅捷。能源是国民经济的命脉。经济的发展是能源作为支撑的，GDP的增速与能源消费的增速是成正比的。能源相当于社会的血液，它驱动着社会的运转，现代化程度越高的社会对能源的依赖越强。能源的争夺是国际政治、外交、战争的重要根源。5第3章电力电子技术在节能领域的应用但是，由于人类对化石能源的过度依赖，致使化石类能源面临日益枯竭的危险。我国的能源问题体现在：一是过度依赖化石燃料，二是经济社会发展对能源的依赖度过大，三是要满足小康社会对环境的要求的可持续发展面临着巨大挑战，四是能源安全尤其是石油安全问题越来越重要。过去100多年世界能源消费变化6第3章电力电子技术在节能领域的应用据国际能源机构的预测，目前全球已探明的剩余可采石油储量1700多亿吨，按年产原油38亿吨计算，假如今后不再发现新的石油资源，理论上还可以开采40年。世界煤炭研究所（WCI）研究报告分析指出，目前已知的煤炭资源分布在全球近100个国家。按照目前的开采速度，已勘测到可供开采的煤炭储量可够开采160年。化石类能源，不可再生，用一点少一点，终有用完的一天。在人类社会的历史长河中，几百年只是一瞬间，化石能源只能为人类向现代化社会发展的转折过程中，提供一个跳板。百年以后的社会，需要新能源。现在，我们要做的是：开发新能源，节能低碳。7人类利用能源的演化历史：第3章电力电子技术在节能领域的应用8化石能源剩余探明储量居世界前五位的国家（2011）排序煤炭石油天然气国家储量（亿吨）国家储量（亿桶）国家储量（万亿米3）1美国2373沙特阿拉伯2645俄罗斯44.82俄罗斯1570委内瑞拉2112伊朗29.63中国1145伊朗1370卡塔尔25.34澳大利亚764伊拉克1150土库曼斯坦8.05印度606科威特1015沙特阿拉伯8.0第3章电力电子技术在节能领域的应用目前，中国的煤炭开采量是全世界煤炭开采量的50%。9世界及我国人均化石能源剩余探明可采储量（2011）品种中国世界中国/世界煤炭（吨）85.9122.770.0%石油（吨）1.527.05.6%天然气（米3）1840278436.6%第3章电力电子技术在节能领域的应用10我国与世界及部分国家剩余化石能源储产比（2011）单位：年国家/地区煤炭储产比石油储产比天然气储产比世界平均11846.258.6美国24111.312.6俄罗斯49520.676.0印度10630.028.5巴西50018.328.9中国359.929.0第3章电力电子技术在节能领域的应用11第3章电力电子技术在节能领域的应用中国的能源储量：（2000年）我国是一个人口大国，各种资源的人均占有率远远低于世界平均水平。中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的1/2，仅为美国人均水平的1/10。（2000年）12第3章电力电子技术在节能领域的应用我国一次能源消费结构年份能源消费总量（亿吨标准煤）占比（%）煤炭石油天然气水电.核电.风电19806.072.220.73.14.019909.976.216.62.15.1200014.669.222.22.26.4200523.670.819.82.66.8200728.171.118.83.36.8200930.770.417.93.97.8201032.568.019.04.48.61）能源结构不合理，大量燃煤增加了碳排放2）交通运输压力巨大，包括燃油供应、尾气污染13第3章电力电子技术在节能领域的应用中国与世界一次能源消费结构比较（2004年）（美国数据为2001年）中国与世界一次能源消费结构比较:(%)14第3章电力电子技术在节能领域的应用我国与世界及部分国家人均能源消费量比较单位：吨标准煤/人国家1980年1990年2000年2008年2009年2010年美国11.310.911.510.710.010.3俄罗斯----8.56.06.96.5---法国5.05.55.95.95.75.8德国6.56.35.95.85.65.8日本4.25.15.85.55.35.6韩国1.53.15.66.76.77.2印度0.40.50.60.80.8---巴西1.31.41.61.81.8---中国0.60.81.22.22.32.4世界2.32.42.42.62.6---15第3章电力电子技术在节能领域的应用中国能源消费增长情况：可见，中国的能源储量少，而能源消耗却同步增加，所以节约现有资源，开发新能源，更是迫在眉睫的事。16第3章电力电子技术在节能领域的应用中国能源产消现状17中国的资源和能源储备人口约占世界总人口的21％国土面积占世界面积的7.1％耕地面积占世界面积的7.1％草地面积占世界面积的9.3％水资源占世界水资源的7％森林面积占世界面积的3.3％石油占世界2.3％天然气占世界1.2％煤炭占世界煤炭总量的12％第3章电力电子技术在节能领域的应用18资源与供需矛盾突出资源贫乏，但能源消费持续增长。2010年，中国是世界能源生产和消费第二大国，煤炭的生产和消费是第一大国，石油和电力的生产和消费是第二大国。2010年能耗结构：能源消耗总量32.5亿吨标准煤，其中煤炭消耗30亿吨，原油消费量3.8亿吨（原油净进口1.99亿吨），天然气消费量887亿立方米。我国2010年全年发电量3.65万亿千瓦时，84%是燃煤发电，燃煤为主的能源结构，造成严重污染。第3章电力电子技术在节能领域的应用19能源效率偏低，新能源技术滞后目前我们的能源利用效率33.4%，比发达国家平均水平低了10个百分点以上。日本能源利用效率达60%-70%，我国能源利用水平比日本落后30年。可再生能源、清洁能源技术开发滞后，正在急起直追。第3章电力电子技术在节能领域的应用202009年全球新能源投资方向（单位：10亿美元）第3章电力电子技术在节能领域的应用21第3章电力电子技术在节能领域的应用世界能源发展趋势：22第3章电力电子技术在节能领域的应用能源危机的应对策略：在能源紧缺的情况下，“开源”和“节流”是解决能源短缺和保障经济发展的必由之路。发展低碳经济，开发利用风能、太阳能等新能源，以替代煤、石油、天然气等不可再生的能源，属于“开源”的范畴；而提高供电、用电系统的效率，降低能耗，则属于“节流”的范畴。在新能源还不能替代化石能源时，节流很重要。电力电子技术不仅在风能、太阳能发电等新能源领域有着不可替代的作用，在节能领域也有非凡的表现，也是实现新能源可靠利用的重要保障。23第3章电力电子技术在节能领域的应用光伏发电24风力发电第3章电力电子技术在节能领域的应用25水力发电第3章电力电子技术在节能领域的应用26第3章电力电子技术在节能领域的应用电力电子节能效果粗略估算：电力是人类最理想的二次能源和能源使用方式，目前在所有的能源中电力能源约占50%。据粗略计算，采用电力电子技术对设备进行改造，平均可节电15%~20%左右。据统计，2006年我国电能有35%左右通过电力电子使用，如果这个比例提高到60%，以2010年用电量为4万亿千瓦时计算，可节电约3600亿千瓦时，折合标准煤12000万吨，相当于减排CO2约为3.24亿吨。(相当于4个三峡，70个黄台电厂)在产品细分中，节能效果比较明显的电力电子产品包括变频器、节能灯、无功补偿装置、开关电源、逆变焊机等。27二氧化碳（CO2）包含1个碳原子和2个氧原子。一吨纯净碳在氧气中燃烧后能产生大约3.67吨二氧化碳。电与标煤的等价值折算系数为：1千克原煤=0.7143千克标准煤1度电(1千瓦小时)=0.4千克标准煤每节约1度电=节约0.4千克标准煤=减排0.997千克二氧化碳C02=减排0.272千克碳粉尘=减排0.03千克二氧化硫S02=减排0.015千克氮氧化物NOX第3章电力电子技术在节能领域的应用28节约1千克标准煤=减排2.493千克“二氧化碳”=减排0.68根据BP中国碳排放计算器提供的资料：节约1升汽油=减排2.3千克二氧化碳=减排0.627千克碳粉尘节约1升柴油=减排2.63千克二氧化碳=减排0.717千克碳粉尘第3章电力电子技术在节能领域的应用29第3章电力电子技术在节能领域的应用3.2变频器节能变频器的基本原理：变频器的功能：变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。变频器的结构：现在使用的变频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。30第3章电力电子技术在节能领域的应用变频器主要由整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理器单元等组成的。31第3章电力电子技术在节能领域的应用变频调速的基本原理：异步电机的转速n可以表示为n=60f/pn—同步速度，f—电源频率，p—电动机极对数可见，改变电源频率就可以改变同转速和电机转速。为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，即在降低频率的同时也要降低交流电压，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。32第3章电力电子技术在节能领域的应用据统计，我国电动机用电量占总发电量60%以上。若全国电机都用变频调速，可节电10%~40%，仅此一项，就可节约全国总发电量的10%至15%。所有电机负荷中，风机、泵类约占50%，占全国用电量的31％。正是这类负荷其节能潜力最大，主要原因：一是设计驱动裕量过大，形成“大马拉小车”现象。二是系统需要风量或流量减小时，控制风门或节流阀的转角，减小风道或水管的横断面积，而电机转速不变，因而消耗功率变化很小。空调、冰箱、风扇洗衣机、吸尘器33第3章电力电子技术在节能领域的应用采用变频调速后，变频器可以根据负载要求调节输出交流电的频率，从而调节电动机转速，实现对风量或水流量的控制。（不用遮挡管道面积）图变频器、水泵、风机的实物外形图34第3章电力电子技术在节能领域的应用变频调速节能的基本原理：由流体力学理论可知，风机或泵的轴功率P等于流量Q与压力H的乘积。流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，则功率P与转速n的三次方成正比。P=QH如果水泵的效率一定，当要求调节流量Q下降时，转速n可成比例的下降，而此时轴输出功率P成三次方关系下降，因此节能效果相当明显。Q↓→n↓→P↓↓↓∝n3∝n2∝n35第3章电力电子技术在节能领域的应用图风机运行曲线风机的风压-风量特性（n1）风机的风压-风量特性（n2）管网风阻特性（风门全开）管网风阻特性（风门遮挡）风机运行曲线：满负荷运行，风量Q1，转速n1，工作点A面积P1=Q1×H2