第8章 电力电子技术应用

电力电子技术第8章电力电子技术应用第8章电力电子技术应用随着电力电子技术的发展，电力电子装置应用领域不断扩大。前面各章都已介绍了一些应用及小型电力电子装置实例。本章再介绍一些电力电子在新兴领域上的应用。•8.1混合动力电动汽车•8.2半导体照明技术•8.3太阳能光伏发电系统8.1混合动力电动汽车•8.1.1混合动力电动汽车发展现状•8.1.2丰田的Prius系列的混合动力系统•8.1.3电气系统结构及各部分电力电子装置•8.1.4混合动力电动汽车对电力电子技术的要求电动汽车作为21世纪汽车工业改造和发展的主要方向，目前已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段，世界上许多知名汽车厂家都推出了具有高科技水平的安全或环保型概念车，目的是为了引导世界汽车技术的潮流。混合动力电动汽车是同时采用了电动机和发动机作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。以作为混合动力电动汽车研发前沿的丰田汽车公司为例，所开发的混合动力电动汽车已达到实用化水平，自1997年所推出的世界上第一款批量生产的混合动力电动汽车Prius开始，其后又在2002年推出了混合动力面包车，该车混合动力系统采用了世纪首次批量生产的电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统。2003年，丰田又推出了新一代Prius，也被称为“新时代丰田混合动力系统THSII”，如图8-1所示，节能效果可达到100km油耗不足3L。从2004年开始，丰田公司向欧洲市场推出了一款新的LexusRX型豪华混合动力轿车。丰田公司计划2012年全部采用汽油电力混合发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。图8-1丰田新一代混合动力电动汽车PriusTHSⅡ8.1.2丰田的Prius系列的混合动力系统丰田的Prius系列的混合动力系统采用的混联工作方式，如图8-2所示。图8-2混联工作方式8.1.3电气系统结构及各部分电力电子装置图8-3PriusTHSⅡ整车电气系统结构下面主要介绍功率控制单元的结构组成和主要作用。1．电动机/发电机用逆变器单元在PriusTHSⅡ主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器(功率分别为50kW和30kW)被集成在一个模块上，逆变器的电气结构图如图8-4所示。图8-5为THSⅡ系统中能量交换示意图，发电机的功率为30kW，蓄电池组的瞬时功率为20kW，两者联合起来为50kW的电机提供能量；升压变换器的容量也被设计为20kW。2．DC-DC升压变换器单元3．DC-DC降压变换器单元图8-4功率主回路示意图图8-5PriusTHSⅡ可变压系统电路结构图8.1.4混合动力电动汽车对电力电子技术的要求受实际运用条件的限制，要求混合动力电动汽车用电力电子技术及装置应具有成本低、体积小、比功率大、易于安装的特点。除此之外，下面的技术细节需进行重点考虑:(1)电力电子装置密封问题(2)电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)问题(3)直流母线电压利用问题(4)电力电子装置控制问题8.2半导体照明技术LED光源与传统光源相比较，具有如下的优点：超长寿命，可达几万小时，传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达200lm/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。LED的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED显示更加均匀、漂亮，满足各种场合的应用要求。以下介绍几种常用的LED驱动电路。(1)电容降压电路电容降压电路是一种常见的小电流电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常应用于LED驱动电路中。图8-6所示为一个使用的采用电容降压的LED驱动电路。(2)利用PWM控制的白光LED基本驱动电路由开关变换器构成的LED基本驱动电路如图8-7所示，电路采用PWM信号控制白光LED的亮度。图8-6采用电容降压的LED驱动电路图8-7利用PWM信号控制LED亮度的驱动电路(3)电荷泵驱动LED的典型电路CAT3604是一个工作在1倍压、1.5倍压模式下的电荷泵，可调节每只白光LED管脚(共4只LED管脚)的电流，使LED背光的亮度均匀。CAT3604的应用领域有：PDA、便携式MP3播放器。彩色LCD和键盘背景光手机、手持式设备、数码相机。CAT3604的典型应用电路如图8-8所示。(4)开关式DC/DC变换器驱动LED的典型电路NCP5009是一种由升压式DC/DC变换器电路及电流调节电路等组成的自动调节亮度白光LED驱动器。它可用作彩色液晶显示器(LCD)的背光光源。NCP5009的典型应用电路如图8-9所示。图8-8CAT3604典型应用电路图8-9NCP5009的典型应用电路8.3太阳能光伏发电系统•8.3.1光伏发电•8.3.2太阳能光伏发电系统8.3.1光伏发电光伏发电是一种具有PN结的半导体器件，在光照下能够发出直流电能。图8-10给出了光伏电池的伏安特性。在一定的光照和温度下，光伏电池的伏安特性可近似看作由两段构成，恒电压段和恒电流段。光伏电池在伏-安特性中两段曲线交汇点上达到最大输出功率，称为最大功率点。为发挥光伏电池的能力，要求光伏电池工作在最大功率点。为获得需要的功率输出，通常将光伏电池串、并联起来，构成光伏电池方阵。光伏电池方阵可以输出较高的电压或电流。图8-10光伏电池伏安特性8.3.2太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统结构如图8-11所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量；当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。图8-11太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。(1)独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。图8-12所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。图8-12独立光伏发电系统(2)并网光伏发电系统与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它图8-13所示一种常用的并网光伏发电系统结构示意图，该系统包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、交流负载、变压器，另外该系统可根据需要在DC/DC变换器输出端并联蓄电池组，以用于提高系统供电的可靠性，但系统成本将增加。图8-13并网光伏发电系统在此以带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统为例，简单介绍电力电子在太阳能独立光伏发电系统中的应用。带双向变换器的独立光伏发电系统结构框图如图8-14所示。该系统主要包括几个部分：太阳能电池阵列、BOOST变换器（升压变换器）、负载、双向BUCK-BOOST变换器（升降压变换器）、蓄电池以及控制电路，如图图8-15所示。图8-14独立光伏发电系统结构图图8-15带双向变换器的独立光伏发电系统电路图