电力电子的应用

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1、电 力 电 子 技 术 的 应 用,Power Electronics,1,2,3,基本内容,4,1. 电力电子技术的定义,电力电子技术是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科,被国际电工委员会( IEE) 命名为电力电子学( Power Electronics) 或称为电力电子技术 1955 年美国通用电器公司(General Electronic Company) 发明第一个大功率5A 硅整流二极管(Silicon Rectifier) ，仅在两年后的1957 年, GE 公司又发明了全世界第一个晶闸管(Thyristor) ,俗称“可控硅” 大功率硅整流二极管以及晶闸管的

2、发明标志着现代意义上电力电子技术的诞生,back,Next,1. 电力电子技术的定义,图1.1 电力电子技术的Newell定义,1974 年,第四届国际电力电子会议上美国学者W.Newell首次提出了电力电子技术的定义,并用图1.1所示的“倒三角” 图形表示 即：电力电子技术是由电子学、电力学及控制学组成的边缘学科,1. 电力电子技术的定义,实际上，就其内容而言，电力电子技术主要完成各种电能形式的变换，以电能输入-输出形式的变换来分，主要包括以下四种基本变换： 交流-直流（AC-DC）变换： 直流-交流（DC-AC）变换 : 交流-交流（AC-AC）变换: 直流-直流（DC-DC）变换:,主要

3、完成直流电压幅值和极性的变换与调节，主要包括升压、降压和升-降压变换等,整流，完成交流-直流变换的电力电子装置称为整流器（Rectifier）,逆变，这是与整流相反的变换形式，完成直流-交流变换的电力电子装置称为逆变器（Inverter）,主要有交流调压和交-交变频两种基本形式,2. 电力电子技术的发展,电力电子技术的发展史,图1-3 电力电子技术的发展史,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。,back,电力电子学发展过程中的重要事件如下（最具代表性）: 1803年 整流器的发明 1925年 逆变器换流原理被提出 1967年 用于高压直流输电应

4、用的晶闸管发明 1979年 功率场效应管采用微处理器实现矢量控制的晶体管逆变器 1987年 双向PWM RECTIFER-INVERTER 1993年 模糊逻辑级神经元网络在电力电子学及电力传动上的应用 2000年用3电平IGCT逆变器实现的45MVA动态电压补偿器DVR 的完成,2. 电力电子技术的发展,电力电子技术在电源中的应用,电力电子技术在电力系统中的应用,电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用,电力电子技术在微电网中的应用,电力电子技术在环保系统中的应用,1,电力电子技术在节能中的应用,2,3,4,5,6,3 . 电力电子技术的应用,3 . 电力电子技术的应用,back,3.1 电

5、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 高频小型化开关电源 不间断电源(UPS) 高可靠、高性能的恒频恒压（CVCF）电源 变频器电源 交流电机的变频调速,back,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,3.2 电力电子技术在电力系统中的应用,高压直流输电（HVDC）

6、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,3.2 电力电子技术在电力系统中的应用,1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电 直到二十世纪末，这一时期直流输电技术主要是基于晶闸管电网换流的交-直-直-交变换技术 目前,强迫换流技术占高压直流输电的主导地位,图1.3 高压直流输电（HVDC）系统,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,在中低电压直流输电领域里，基于VSC(PWM电压源换流器)的轻型直流输电系统高速发展，如海上风电场

7、输电等，其结构如图1.3b所示,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 是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）,1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用,柔性输电技术示范工程,3.2 电力电子技术在电力系统中的应用,用户电力(Custom Power)技术 用户电力(Custom Power) 技术或称DFACTS技术是电力电子技术在电力系统配电

8、环节中的应用，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术 同步开断技术 同步开断是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。可降低由操作过电压决定的电力设备绝缘水平，减少由于操作引起的设备(包括断路器本身) 损坏,3.2 电力电子技术在电力系统中的应用,图1.5 动态电压恢复器（DVR)的基本结构,动态电压恢复器（DVR) 是一种串联在系统与负载之间用于电能质量治理的电力电子设备 图1.5是采用DC-AC变换器输出串入线路的结构 能够在毫秒级时间内抑制电压骤降、骤升、谐波、闪变等干扰，从而给负荷提供稳定的正弦电压,back,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用

9、,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 其中双向直流变换器和逆变器就是典型的电力电子变换器（DC-DC、DC-AC变换器）,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用,光伏发电系统,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 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 按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型 按照风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。 主要风力发电系统： 恒速恒频风

10、力发电系统 变速恒频风力发电系统,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用,风力发电系统,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,恒速恒频风力发电系统 早期主要采用以笼型异步发电机为主的恒速恒频运行方式，如图1.7所示：,它具有结构简单、运行可靠、成本相对较低等优点，并网采用直接并网方式，风力机一旦并网运行，其转速基本不变,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用,缺点（1）发电机转速固定，只能在某一特定风速运行时才能达到最佳的功率运行点，当风速改变时风力机就会偏离最佳功率运行点，导致发电量下降 （2）输出功率因数较低，需要

11、电容器组进行无功补偿,变速恒频风力发电系统 能最大限度的利用风能，提高风力发电机组性能，已经成为风力发电的主流。 需高性能的电力电子变换装置，以保证风力机可在大范围的风速变化时保持高效运行,3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用,图1.8 变速恒频风力发电系统,实现变速恒频风力发电的方案有感应发电机全功率系统、永磁同步直驱全功率系统以及异步双馈系统等,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

12、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,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 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,back,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 是一种规模较小的分散的独立系统，能更好地发挥分布式发电潜能。一般将微电网中的分布式电源叫做微型电源(MicroSource)亦简称

13、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,back,3.4电力电子技术在微电网中的应用,back,珠海东澳岛微电网介绍 中国第一个商业运行的孤岛型智能微电网,面积4.6平方公里 岛上常住居民600多人 含学校卫生所酒店水产站 原东澳电厂柴油发电厂,3.5电力电子技术在环保系统中的应用,高压静电除尘 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。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,3.5电力电子技术在环保系统中的应用,3.5电力电子技术在环

14、保系统中的应用,电解法臭氧发生器 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。 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,back,3.6 电力电子技术在节能中的应用,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 主要是利用交流变频器根据负载特性及运行要求调节交流电动机转速，从而实现节电运行 功率因数补偿节电 采用适当的电力电子投切装置(如晶闸管投切电容器（

15、TSC）)将补偿电容器组直接与电动机并联运行，以实现交流电动机运行时的功率因数补偿，从而达到节电目的 轻载调压节电 利用电力电子调压器驱动交流电动机，当电动机轻载运行时，通过电力电子调压器调节电动机的定子端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，会降低电动机的励磁电流，从而降低铁耗和从电网吸收的无功功率，实现交流电动机的节电运行,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,3.6 电力电子技术在节能中的

16、应用,图1.14 静止无功补偿器(SVC)典型结构,无功补偿节能应用 （1）静止无功补偿器(SVC) 用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳 图14是基于晶闸管控制电抗器(TCR)的SVC结构,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,（2）电力有源滤波器（APF）目前谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(APF)，它是一种基于DC-AC变换的电力电子装置，其结构如图15所示： APF的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流而消除电网电流谐波,back,4 电力电子技术与能源互联网,back,能源互联网概念的提出与发展,4 电力电子技术与能源互