电力电子-第1章

电力电子技术授课教师：国海2绪论1.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3电力电子技术的应用领域课程学习要求31.1电力电子学科的形成1.电力技术2.电子技术3.电力电子技术美国学者W.Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。41.1电力电子学科的形成（续1）电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。1.电力技术51.1电力电子学科的形成（续2）电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。又称为信息电子技术或信息电子学。2.电子技术61.1电力电子学科的形成（续3）将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体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（PowerElectronics）或称为电力电子技术。3.电力电子技术(PowerElectronics)具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。71.1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器件的发展史为纲4.电力电子技术的发展◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电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/4000AGTR:1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHzMOSFET: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400～600V的IGBT4.电力电子技术的发展91.电力变换的类型2.交流机组实现电力变换3.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本原理及控制方法101.电力变换的类型电源可分为两类：直流电（D.C），频率f=0交流电（A.C），频率f0电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器112.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？基本原理缺点122.交流机组实现电力变换(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基本原理缺点133.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基本原理图中的开关设为理想开关vo=S×viS为开关函数143.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1)如何用电力电子开关器件实现电能的变换？DC/DC直流降压电路153.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2)方案一:电阻降压163.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续3)方案二:串联晶体管173.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续4)方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗183.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续5)DTosDDVdttvTVs00)(1方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,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(续6)方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗串联LC,滤出谐波,滤波器的截止频率开关频率203.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续7)BUCK电路方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗增加控制回路电力电子技术的广泛应用1.3电力电子技术的应用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着关键作用，随着电源技术的发展得到广泛应用：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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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(VVVF)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1.3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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用领域得到了前所未有的扩展：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高压直流输电（HVDC）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1.3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1.3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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FACTS控制器中最关键的电力电子设备包括静止同步补偿器（STATCOM）、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）1.3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光伏发电系统:光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统图1.6是一个具有储能的太阳能光伏并网发电系统示意图1.3电力电子技术的应用风力发电系统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．变速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统1.3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用1.3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1.3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燃料电池发电系统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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，其效率可达40％～65％燃料电池并网发电功率调节系统的结构如图1.9所示：图1.9燃料电池发电并网发电系统1.3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混合能源发电系统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：利用太阳能与燃料电池也可以组成“太阳能光伏制氢储能—燃料电池发电系统”，其结构如图1.10所示：图1.10太阳能光伏制氢储能-燃料电池放电系统1.3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微电网它是一种规模较小的分散的独立系统，是一种能更好地发挥分布式发电潜能的一种组织形式。一般将微电网中的分布式电源叫做微型电源(MicroSource)亦简称微源(MS)图1.11为美国电力可靠性技术解决方案协会—CERTS定义的一个微电网基本结构图1.3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高压静电除尘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4部分组成，如图1.12所示:图1.12高压静电除尘系统结构1.3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电解法臭氧发生器电解法臭氧发生器是利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烟气脱硫脱氮应用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,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、高能电子加速器等都应用了电力电子技术1.3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交流电动机运行节能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方式：变频调速节电功率因数补偿节电轻载调压节电1.3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高效节能照明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近几年我国推广的节能灯有：稀土荧光灯、高频无极灯、高压钠灯、双绞丝型的白炽灯等1.3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变频调速节能应用变风量空调控制油田高压注水泵系统的变水量控制城市供水系统的流量控制1.3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1.14静止无功补偿器(SVC)典型结构静止无功补偿器(SVC)1.3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1.15电力有源滤波器(APF)的基本结构电力有源滤波器（APF）1.3电力电子技术的应用39课程学习要求掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术掌握典型电力电子变换器的主电路拓扑结构、运行过程、工作波形、控制要求掌握常用的电力电子变换电路的分析方法了解电力电子变换器的应用领域电力电子学是一门实践性很强的专业基础课程，应主动对待实验，培养实际工作能力。