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1、 第四章 电气发展前沿技术 ?自第二次工业革命以来，电气技术已成为诸多高新自第二次工业革命以来，电气技术已成为诸多高新技术系统中不可缺少的关键技术之一。技术系统中不可缺少的关键技术之一。 ?电气技术的外延十分广阔，内涵十分丰富。它所涉及的领域或技术面包括：及的领域或技术面包括： 一电能和电力输配； 二功率器件和电力电子技术； 三电机与电力拖动； 四电气测量与检测技术； 五电器元件及电器控制、 PLC控制技术； 六新型电源与电力电子装置；六新型电源与电力电子装置； 七节能技术和谐波抑制； 八家用电器与办公设备等。 一、电能和电力输配 ?“ 电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人

2、们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。 ?电能是一个国家国计民生的主要能源。如今，人均消耗的电能已成为衡量一个国家实力的重要指标。而电气技术恰好涉足电能和电力输配问题。 ?一个完整的电能生产与消费网络由发电、输电、配电及用电几部分组成。其中由发电厂、变电所和输电线路组成的电力网络称为电力系统。 一、电能和电力输配（续） ?电力系统十分复杂，对于电力系统来说，不但要求它每一时刻发出的总电量等于系统消耗的总电量，而且要求所有的中间传输环节都能畅通无阻。 ?中间传输环节的任期任何阻滞，都会在发电与用电两端同时发生“过剩”与“不足”两种截

3、然相反的不正常状态，严重时系统可能因此而崩溃，造成大面积恶性停电，使国民经济遭受重大损失。 ?对电能和电力输配来说，除了设计好发电站，使其保证电力的充足供应发电质量（减少谐波、）提高功率因素等外，还要注意电能传输的调度和管理，从而保证电力系统可靠、安全地连续供电。 一、电能和电力输配（续） ?将自动化技术应用于电能传输的调度和管理中构成了现代电力输配系统。随着大功率电力电子器件的出现及微型计算机的发展，先进的控制方法在电力系统控制中的应用研究几乎遍及电力系统的所有领域。 ?目前，各种现代控制技术，包括：线性最优控制、自适应控制、变结构控制、H鲁棒控制、微分几何控制、神经网络控制、模糊控制及专家

4、系统控制都已应用于电力系统控制中。交叉结合使用前面几种控制方法而形成的综合智能控制是电力系统自动化研究的发展方向。 一、电能和电力输配（续） ?电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的一些前沿课题反映了这种趋势。 以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简介: 一、电能和电力输配一、电能和电力输配- -高压交流输电技术高压交流输电技术 1 1、高压交流输电技术 ?三相高压交流输电技术 ? 常规的三相交流输电在远距离输电工程中占主导地位，在未来相

5、当长的时间内仍然是输电和联网的主要方式； ? 前苏联建成了900km的1150kV特高压输电线路并经过了试运行，后因无电可送等原因而降压为500kV运行； ? 未来交流输电发展的重点将是采用新技术充分利用线路走廊输送更多的电力。 一、电能和电力输配-高压交流输电技术（续） ?多相交流输电 ? 多相交流输电以多相（相数大于 3）交流电形式实现电能输送； ? 特点：相同的线路走廊和占地面积，多相输电可提高由线路发热条件决定的负荷容量，可设计得更“紧凑”适合线路路径受限制的地区，可以接入三相交流输电系统，不需经过多相交流变电所； ? 多相交流输电已经入工业性试验和试运行阶段。 一、电能和电力输配-高

6、压交流输电技术（续） ? 灵活交流输电 ? 灵活交流输电（ FACTS）是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、相位实施灵活快速调节的输电技术； ? 出现背景： a) 发展互联电网的需要； b) 发展电力市场的需要； c) 电力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为现实。 ? 灵活交流输电技术的核心就是利用电力电子器件可以按照控制系统的要求，应用现代换流技术和控制技术，实现电压、阻抗或相位大幅度灵活控制。 一、电能和电力输配一、电能和电力输配- -高压直流输电技术 2、高压直流输电技术 ?端对端直流输电 该技术是一项成熟的远距离输电技术，预计端对端直流输电在未来仍是远距

7、离输电和联网的重要方式。 一、电能和电力输配-高压直流输电技术（续） ?多端直流输电技术 为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多端直流输电技术。 一、电能和电力输配-高压直流输电技术（续） ?新一代直流输电技术 ? 未来直流输电技术的发展趋势是在应用可关断器件组成的换流器进一步改善输电性能的同时，大幅度简化设备，减少换流站的占地，降低造价，以便在技术经济上比其它输电方式更具竞争力； ? 典型例子是： a. 所谓轻型直流输电（HVDC Light），它采用IGBT等可关断的器件组成换流器； b. 使用户外换流阀以节省阀厅的建设费用； c. 应用连续调节交流滤波器、有源滤波器等技术大

8、幅度减少户外场的占地。 一、电能和电力输配-新型输电线路 3、新型输电线路、新型输电线路 ?紧凑型线路 ?紧凑型线路是指增加分裂导线数、缩短相间距离、合理排列相导线等措施以降低线路波阻抗，从而提高线路输送能力的输电线路。研究的主要目的是提高线路的输送能力，节省线路走廊； ?从20世纪60年代起，美国、前苏联、法国、巴西等国建成了各种电压等级的紧凑型线路，我国也建成了一条500kV的紧凑型线路，正在试运行中。 一、电能和电力输配-新型输电线路（续） ?气体绝缘线路 ?气体绝缘输电线路（ GIL）是以六氟化硫气体绝缘的、带有与导体同轴的接地金属外壳的输电线路，与电缆相比，其优点是绝缘击穿后可恢复、

9、承载电流大； ?气体绝缘输电线路已在美国、德国的水力发电厂的出线等场合得到了应用。 ?未来由于输电线路走廊的获得越来越困难，气体绝缘输电线路的研究和开发受到重视。 一、电能和电力输配-新型输电线路（续） ?超导输电线路 ?超导输电线路是一种低损耗的输电方式； ?日本正在开发6kV、1000MVA的超导电缆； ?美国也制造出12.4kV、1250A的三相超导电缆系统； ?我国也有超导输电线路在南方电网试运行； ?超导电缆的价格很高，冷冻系统的可靠性有待检验，用于长距离输电工程的前景还不明朗。 一、电能和电力输配-洁净煤发电技术 4、洁净煤发电技术 ?当今我国的火力发电机组效率低，污染物排放量大，

10、与先进国家相比有较大差距，所以要大力推广洁净煤发电技术，建设大型循环流化床锅炉，增压硫化燃气-蒸汽联合循环和整体煤气化燃气 -蒸汽联合循环示范工程，采用高效脱硫脱硝装置，以使之达到世界先进水平。 ?火电厂生产流程主要包括四大系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统和控制系统。后面的两个系统和本专业关系密切。 一、电能和电力输配-分布式发电技术 5、分布式发电技术 ?当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC-internal-combustion engine) 、微型燃气轮机（Micro-turbines ）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。 ?因其具有良好的环保性能，分布

11、式电源与“小机组”已不是同一概念。 ? 应用背景 ： a) 输电线路建设费用增加。 由于公众对输电线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。例如，北美和西欧许多国家已决定一般不再兴建新的输电线路。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。 b) 与大电网配合提高供电可靠性。 分布式电源可大大地提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，维持重要用户的供电。加拿大魁北克省 1997年冰雪灾造成输配电线路灾难性破坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电。 一、电能和电力输配-分布式发电技术（续） ?微型燃气轮机 ? 微

12、型燃气轮机（ Micro Turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为 96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ，其发电效率可达 30%。 ?目前国外已进入示范阶段。 ?其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。 一、电能和电力输配-分布式发电技术（续） ?燃料电池 ?燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 ?燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧

13、气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。 一、电能和电力输配-分布式发电技术（续） ?分散的电能储存技术 ? 由于分布式的电源的应用及提高电网可靠性和调峰的需要，分散的储能系统的重要性日益增加。 ?如：电池储能系统、超导储能系统、飞轮储能系统、燃料电池储能系统等。 一、电能和电力输配-分布式发电技术（续） 6、定质电力技术 ? 定质电力（Custom Power）技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。 ? 在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密

14、的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。 ? 重要用户为保证优质的不间断供电，往往自己采取措施，如安装不间断电源(UPS)，但是这并不是经济合理的解决办法。根本的出路在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电能供应。 一、电能和电力输配-定质电力技术 ? 为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器。它由储能电路、 GTO或IGBT变换电路和变压器组成。 ? 它的功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功率，同时可以抑制

15、电压闪变。这是“定质电力”的关键设备之一。 ? 此外，静止无功发生器和固态开关配合，可在电网发生故障的暂态过程中保持电压恒定。 ? 另一关键设备是动态电压恢复器（ DVR），它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过 DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。 一、电能和电力输配-定质电力技术（续） 结论： 电能高效洁净的生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为未来电力技术的主导发展方向！ 一、电能和电力输配（续） 二、功率器件和电力电子技术 ?自从50年代硅晶闸管问世

16、以来，功率半导体器件取得了长足的发展。新型的功率器件如：GTO、高功率晶体管和功率MOSDFET 、IGBT等的出现大大提高了功率器件的开关频率和可关断性能。 ?由于工艺技术的成熟和成本的降低，电力电子学的应用正在推广，例如，开关电源(SMPS)，UPS电源、电化学作业、加热和照明、静态无功(VAR) 补偿;有源滤波、高压直流系统、光电系统和变频电机拖动。 二、功率器件和电力电子技术（续） ?目前，GTO的最高研究水平为6英尺、6000V/6000A以及9000V/10000A。现在硅材料功率器件已发展相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件中，最有希望有是碳化

17、硅（SiC）功率器件。 ?但是，SiC材料和功率器件的机理、制造工艺还存在大量的问题，要真正给电气技术领域带来又一次革命，还需要众多有志之士的努力。 二、功率器件和电力电子技术（续） ?一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。随着各种功率器件的不断研制和开发，电力电子技术也得到了飞速的发展。 ?在电力电子技术中，功率变换是最重要的，也是最基本的共性技术。功率变换技术研究的目标主要有：节约能源、提高效率，同时应减小变换器的体积和重量，降低谐波失真的成本，高精度、快响应、宽的输出电压、电流和频率调节范围等。功率变换器可实现AC-DC、DC-AC、AC-AC、DC-DC的转换。

18、二、功率器件和电力电子技术（续） ?功率变换技术的发展大致可分为：强近换流技术；PWM控制技术；以软开关、功率因素校正、消除谐波，考虑电磁兼容为特征的技术三个阶段。经过三十多年，特别是发展动向主要集中的软开关、高压、大功率和低电压、大电流变换技术方面。 二、功率器件和电力电子技术（续） ?近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电、定质电力技术以及新一代直流输电技术则是近10年的事。 ?随着微电子技术、功率器件和控制技术的发展，电力电子技术还将面临新的革命。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成

19、为本世纪的电力研究前沿。 三、电机与电力拖动 ?电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生产是由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械和各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器及办公设备的智能化。 ?电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发展史上，直流电机发明较早，它的电源是电池。后来才出现了交流电机。 ?直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。但直流电机有一个突出的缺点 换流问题。它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。 三、电机与电力拖动（续） ?人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果，使这在某些调速场合代替了直流

20、电动机。 ?除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。微控电机广泛用于各种家电、办公设备和伺服控制系统中。微控电机的发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。 ?电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、特种调速传动四大类。 三、电机与电力拖动（续） ?工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传动，主要用于轧机、造纸、化工等场合。 ?节能调速传动是指一般采用风机、泵、压缩机等调节流量和压力的场合。 ?电力牵引调速传动则指用地电气铁道、地铁，各种电动车，工矿牵引、矿井卷扬及电梯等场合实现运输、牵引的传动。 ?精密、特种调

21、速传动是指用于现代数控机床、机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特别高的传动。 三、电机与电力拖动（续） ?正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背景，再加上电力电子技术的飞速发民，近十年来全球工业应用的电机调速装置增长了25%，远远超过了前30年的增长率。 ?随着微电子技术和自动控制技术的发展，使全数字微机控制的电力拖动系统得以问世并迅速发展起来。微机控制技术在电力拖动系统中的应用给这一领域注入了新的活力，使之呈现现出蓬勃发展的新景象。 四、电气测量与检测技术 ?电气测量又称为电磁测量，电磁测量分为电测量和磁测量。 ?电气测量与检测技术是研究各种电气被测量的测量方法、相应测量仪器仪表的原理

22、与结构、测量时的操作技术和如何根据测出数据进行数据处理以求得测量结果和测量误差的技术。 ?电气测量与检测技术对一个从事电气技术工作的人员来说是十分必要的。因为，不论是电气设备的安装、调度、实验、运行、维修；不是对电气产品进行检验、测试、鉴定都会遇到电气测量技术方面的问题。 四、电气测量与检测技术（续） ?随着控制理论和计算机技术的发展，电气测量与检测技术也向自动测试方向发展。各种计算机辅助测试技术、自动测试系统应运而生。 ?自动测试技术是现代电气测量与检测技术的发展方向。 五、电器元件及电器控制、PLC控制技术 ?电器元件是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改

23、变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备。 ?简言之，电器元件就是一种能控制电的工具，主要指常用的高、低压电器元件，包括：接触器、继电器、自动空气断路器、行程开关、熔断器以及各种按钮、刀闸开关等等。 五、电器元件及电器控制、PLC控制技术（续） ?电器控制就是将上述电器元件组成控制线路来实现生产机械的各种电气控制。 ?早期的工业半自动化和工业自动化主要就是由各种电器控制技术来完成的。虽然电器控制为生产的自动化提供了条件，但是，电器控制系统有体积大、可靠性低、查找故障困难、接线复杂、对生产工艺变化的适应性差等缺点。 ?目前，我国仍是一个发展中的国家，相当多的

24、大、中型企业中的大部分生产设备仍处于电器控制的半自动化阶段。 五、电器元件及电器控制、 PLC控制技术（续） ? 1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。? 随着微电子技术和计算机技术的发展，特别是微处理器和微计算机在PLC中的应用，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了运算、数据传送和处理功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。 ? 如今PLC控制技术已逐步取代了电器控制系统，成为了工业控制的标准设备。PLC控制技术已广泛应用于冶金、化工、机械、汽车、轻工等行业。包括开关量逻辑

25、控制、闭环过程控制、位置控制、监控系统和分布控制系统。目前，PLC控制技术的发展趋势主要表现在：高速度、大容量、多品种、编程语言多样化、智能模块化、加强联网和通信能力。 六、新型电源与电力电子装置 ? 电气技术涉足的电源泛指各种通用的交、直流供电电源；工业用的交、直流供电电源；特殊用的交、直流供电电源。 ? 通用的交直流供电电源包括各种通用的与PC机配用的高频开关电源，各种电压适配器，印刷板上安装用电源模块及小功率不间断电源等，这类电源大都做成高频开关电源或线性稳压器形式，广泛应用于计算机和办公自动化、家用电子设备、工业仪器仪表等。? 工业用的交、直流供电电源则包括高功率直流电源，高功率、高性

26、能不间断电源，通讯电源，电力备用电源和各种频率的全固态交流电源等。 ? 特殊用的交、直流供电电源包括高精密的稳压或稳流电源、各种实验电源、高能量密度微型电源等。 六、新型电源与电力电子装置（续） ? 目前，国内外对各种AC/DC、DC/DC开关电源的需求量大大提高。加速了电力电子技术在各种新型电源中的研究与应用，提高生产工艺水平，大力发展小功率高频开关电源的生产，着力发展工业专用电源，是提高我国新型电源的国际市场占有率有首要任务。 ? 电力电子装置是电气应用技术具有潜在市场的又一领域。近年来在各种调速、感应加热、整流等中、大功率的电力电子装置中大量应用，高压大功率电力电子装置也呈强大发展势头。

27、如何使这些电力电子装置具有更高的电压、更大的容量、更高的可靠性以及电压波动更小、功率因素更高、谐波和畸变更小是发展电力电子装置具有更高的电压、更大的容量、更高的可靠性以及电压波动更小、功率因素更高、谐波和畸变更小是发展电力电子装置所需要着重考虑的问题。 七、节能技术和谐波抑制 ? 为了缓和电力供需矛盾，推动用电合理化、降低单位产品电能消耗即降低产品成本，提高经济效益，节约用电有着重大意义。 ? 从电气技术的角度来实现节能技术，常见的方法有降低线路损耗和变压器损耗；降低电动机及其拖动系统的能量损耗；改造加热炉及加热 方式以节约用电；合理选用电光源以减少照明用电；将变流技术应用于泵和风机中以减少其

28、能量损耗等等。 ? 随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，由此引起的电力谐波问题日益突出。电力谐波对公用电网造成严重污染，使用电设备所处环境恶化，同时，也对周围的通讯系和公用电网以外的设备带来危害。 ? 因此，电磁干扰（EMI）、电磁敏感度（EMS）和谐波干扰成为现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。为保证供电质量，防止谐波的各种危害，必须采取措施来抑制电力谐波。 八、家用电器与办公设备 ? 随着电气技术的发展，特别是电力电子技术的普及应用，家用电器与办公设备得到了空前的发展。 ? 家用电器已经应用到人们的衣、食、住、行、娱乐等多个方面，它不仅使人们从繁重的家务劳动中解放出来，而且还为人们创造了更舒适的生活环境。 ? 办公设备（如打字机、计算机、打印机、复印机、传真机等）的层出不穷，大大改善了人们的工作环境、提高了工作效率。而家用电器与办公设备都离不开电力电子器件和电气技术。 ? 如何进一步提高人们的生活质量和工作效率，创造和发明更多、更新、更实用、更方便、更有效的家用电器产品和办公设备为电气工作人员提供了一个良好的契机和广阔的发展天地。 谢谢大家！