电力电子技术的应用课件.ppt

1、 上海大学 陈伯时 电力电子的出现，在强电电力电子的出现，在强电和弱电两大领域之间构筑和弱电两大领域之间构筑了桥梁，为生产过程的自了桥梁，为生产过程的自动化和信息化奠定了强有动化和信息化奠定了强有力的基础。力的基础。1. 1.各类电源系统，各类电源系统，2.2.电气传动系统，电气传动系统，3.3.电力系统。电力系统。 电力电子器件的发展推动了电力电子器件的发展推动了电力电子应用的更新和扩展。电力电子应用的更新和扩展。 （一）（一） 各类电源系统中各类电源系统中 电力电子技术的应用电力电子技术的应用输出恒频恒压电源，频率从输出恒频恒压电源，频率从0Hz（直流）直流） 到几兆到几兆Hz，容量从几瓦

2、到几十兆瓦。容量从几瓦到几十兆瓦。*电解、电镀、电解、电镀、用的二极管或晶闸用的二极管或晶闸 管整流电源管整流电源*计算机、通信、电子仪器用的高频开计算机、通信、电子仪器用的高频开 关电源关电源(P-Mosfet, IGBT)*不间断电源不间断电源(UPS)*各类照明电源和节能灯各类照明电源和节能灯*汽车电子电源系统汽车电子电源系统*太阳能光伏电源太阳能光伏电源*电焊机电源电焊机电源*核聚变反应堆大容量脉冲电源核聚变反应堆大容量脉冲电源。AC-DC变换变换 二极管整流器二极管整流器 晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器DC-DC变换变换 直流斩波器降压直流斩波器降压(Buck)变换器变换器 升压升

3、压(Boost)变换器变换器 桥式桥式PWM变换器变换器DC-AC变换变换 电压型电压型PWM逆变器逆变器 电流型逆变器电流型逆变器 多电平逆变器多电平逆变器 多重化逆变器多重化逆变器直流传动直流传动晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器 直流斩波器直流斩波器 直流直流PWM变换器变换器交流传动交流传动交流调压器交流调压器 交交-直直-交变频器交变频器 交交-交变频器交变频器电力电子变换器电力电子变换器微处理器：单片机、微处理器：单片机、DSPDSP、RISC RISC 数据通信：现场总线、无线总线、数据通信：现场总线、无线总线、 工业以太网工业以太网信息技术的进入信息技术的进入带来了自动化领域的三

4、大变革带来了自动化领域的三大变革工业通讯技术进入现场信号连接领域工业通讯技术进入现场信号连接领域计算机技术进入计算机技术进入PLCPLC控制领域控制领域 以太网技术进入工业管理领域以太网技术进入工业管理领域 过去：控制器与现场设备之间的信号采用点对点的连接方法过去：控制器与现场设备之间的信号采用点对点的连接方法1.1. 不能满足大量现场数据的传输不能满足大量现场数据的传输2.2. 传输模拟量数据时，抗干扰性差传输模拟量数据时，抗干扰性差3.3. 只能构成封闭式控制系统，不能实现不同系只能构成封闭式控制系统，不能实现不同系统的数据交换统的数据交换4.4. 大量的导线，安装复杂，调试困难大量的导线

5、，安装复杂，调试困难5.5. 增加工程的投资费用增加工程的投资费用1.1.能满足大数量、不同类型现场数据的传输能满足大数量、不同类型现场数据的传输2.2.大大延长了传输的距离和扩展了系统分布的空间大大延长了传输的距离和扩展了系统分布的空间3.3.实现了传输数据数字化、各种仪表的智能化实现了传输数据数字化、各种仪表的智能化4.4.增强了系统的扩展性和灵活性，构成新型的自动控增强了系统的扩展性和灵活性，构成新型的自动控制系统结构制系统结构5.5.减少工程投资费用，减少了安装、调试时间减少工程投资费用，减少了安装、调试时间6.6.强大的在线诊断功能，减少停机时间，提高效率强大的在线诊断功能，减少停机

6、时间，提高效率20012001年的电气传动年的电气传动AC64%DC36%全球全球电气传动电气传动市市场趋势场趋势18993698221, 7172, 9585, 0138, 14111, 87619, 13402, 0004, 0006, 0008, 00010, 00012, 00014, 00016, 00018, 00020, 000百萬美元1959196419691974197919841989199419992005世界电气传动市场的发展世界电气传动市场的发展ROW5%Europe26%Japan22%N.America26%Asia /Pac21%ROW5%Europe27%Ja

7、pan24%N.America27%Asia /Pac17%2000 ($ 12.5B)2005 ($ 19.1B)我国交流可调传动的发展我国交流可调传动的发展1978-1984 初创时期初创时期1985-1992 应用发展，研究兴应用发展，研究兴盛，大量引进，但国产变频器兴盛，大量引进，但国产变频器兴起又衰落。起又衰落。1993-1998 市场经济逐步成长。市场经济逐步成长。1999-今今 市场直线增长，新企市场直线增长，新企业发展壮大，外资产品本土化。业发展壮大，外资产品本土化。M3TVC交流调压器的应用交流调压器的应用* *异步电动机软启动器异步电动机软启动器* *轻载降压节能运行轻载降

8、压节能运行* *变压调速系统变压调速系统1M3电压电压检测检测泵升泵升限制限制电流电流检测检测温度温度检测检测电流电流检测检测单单片片机机显示显示设定设定接口接口PWMPWM发生器发生器驱动驱动电路电路URUIR0R1R2RbVTbK（1 1）基于正弦波对三角波脉宽调制的）基于正弦波对三角波脉宽调制的 SPWM SPWM控制；控制； （2 2）基于消除指定次数谐波的）基于消除指定次数谐波的HEPWMHEPWM 控制；控制； （3 3）基于电流滞环跟踪的）基于电流滞环跟踪的CHPWMCHPWM控制；控制； （4 4）电压空间矢量控制（）电压空间矢量控制（SVPWMSVPWM控制），控制）， 或称

9、磁链轨迹跟踪控制。或称磁链轨迹跟踪控制。 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有电容存在，因此输入电流呈脉于其输出端有电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，必须进行滤波。冲波形，必须进行滤波。解决这个问题的办法：解决这个问题的办法：（1 1）采用有源滤波和无功补偿装置；）采用有源滤波和无功补偿装置；（2 2）开发）开发“绿色绿色”电力电子变换器。电力电子变换器。 要求功率因数可控、各次谐波分量要求功率因数可控、各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度。小于国际和国家标准允许的限度。 常压：常压： 双双PWMPWM变压变频器变压变频器 (380 (380

10、V) PWMV) PWM整流整流PWMPWM逆变逆变 矩阵式变频器矩阵式变频器 中压：中压： 三电平双三电平双PWMPWM变压变频器变压变频器（3 31010kV) kV) 单元串联多电平变频器单元串联多电平变频器EMI (Electromagnetic Interference) 电气产品向外发出的噪声干扰处于标电气产品向外发出的噪声干扰处于标 准所允许的范围之内。准所允许的范围之内。EMS (Electromagnetic Susceptibility) 电气产品具有抵抗外界电磁干扰的电气产品具有抵抗外界电磁干扰的 能力。能力。 传导（谐波、脉冲电压、电流脉冲）传导（谐波、脉冲电压、电流脉

11、冲）辐射（近场、远场）辐射（近场、远场） 传动传动技技术发展趋势术发展趋势智智能能型型传动传动控制系統控制系統ChipIPMHYBRIDIPMIPEMASIPMWire-Link电缆Optical-Fibre Link光缆Field Bus现场总线V/F ControlAuto-Tuning自整定Sensor-lessControl无传感器控制Field-OrientedControl磁场定向控制Self-Diagnosis自诊断 1993 2000 2005 2010 中国电力系统现状中国电力系统现状( (到到20022002年底年底)：发电装机容量达发电装机容量达3.533.53亿亿kW,

12、kW,其中，其中， 水电：水电：84558455万万kWkW，火电：火电：2.642.64亿亿kW,kW,核电：核电：370370万万kW,kW,风电：风电：发电量完成发电量完成16400 16400 亿亿kWh,kWh,其中，其中， 水电：水电：2710 2710 亿亿kWhkWh，火电：火电：13420 13420 亿亿kWh,kWh,核电：核电：250 250 亿亿kWhkWh 风电：风电：到到20022002年底：年底：3535kVkV及以上线路总长度：及以上线路总长度：806500 806500 kmkm其中，其中， 500500kVkV线路：线路： 34939 34939kmkm

13、330 330kVkV线路：线路： 9723 9723kmkm 220 220kVkV线路：线路： 141889 141889kmkm已形成已形成7 7个跨省区域电网：东北、华北、个跨省区域电网：东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝华东、华中、西北、南方和川渝5 5个独立省级电网：山东、福建、新疆、个独立省级电网：山东、福建、新疆、海南、西藏（未包括港澳和台湾地区）海南、西藏（未包括港澳和台湾地区）电力体制改革电力体制改革: :个电网公司（国家电网个电网公司（国家电网公司和中国南方电网有限责任公司）和公司和中国南方电网有限责任公司）和个发电公司个发电公司“西电东送，南北互供，全国联网西电东

14、送，南北互供，全国联网” 这是我国一次能源和负荷中心这是我国一次能源和负荷中心分布不均衡和须在全国范围内实现分布不均衡和须在全国范围内实现资源优化配置的目标所决定的。资源优化配置的目标所决定的。 这个目标工程正在逐步实现。这个目标工程正在逐步实现。* *南通道：南通道：云云( (南南) )电、贵电、贵( (州州) )电东送广东；电东送广东；* *中通道：中通道：川电、三峡东送华中、华东；川电、三峡东送华中、华东； 金沙江水电送华中、华东；金沙江水电送华中、华东；* *北通道：北通道：三西三西( (蒙西、山西、陕西蒙西、山西、陕西)火火 电、西北水电送华北、京津唐。电、西北水电送华北、京津唐。到

15、到20202020年，年，三条通道西电东送的总容量三条通道西电东送的总容量 将超过将超过1 1亿亿kW。远距离输电、大范围联网远距离输电、大范围联网的电力系统面临的问题和要求的电力系统面临的问题和要求 安全可靠运行：不停电，事故后停电范围小，停电时间短。 经济运行：任何时刻应使发电机功率、线路中的有功和无功潮流分布最优，保证供电质量及运行稳定性以获得最大的技术经济效益。 电力设备（发电机、变压器、输电线）出力大，效率高。问题和要求（续）问题和要求（续） 备用设备少。备用设备少。 对负载供电的质量好，对环境危害小。对负载供电的质量好，对环境危害小。 能快速正确地处理事故，避免发电机失能快速正确地

16、处理事故，避免发电机失步、受电端电压崩溃、异步机停转、线步、受电端电压崩溃、异步机停转、线路连锁跳闸、大面积停电。路连锁跳闸、大面积停电。 在电力系统中引入不同类型在电力系统中引入不同类型的电力电子装置和系统，可以的电力电子装置和系统，可以在很大程度上妥善地解决上述在很大程度上妥善地解决上述问题。问题。一、远距离高压直流输电一、远距离高压直流输电二、电力电子补偿控制器电力电子补偿控制器三、输电线和电网的有功、无功三、输电线和电网的有功、无功潮流控制潮流控制四、电力系统故障后的应急处理四、电力系统故障后的应急处理控制控制五、电能的快速存取五、电能的快速存取直流输电直流输电(HVDC)的优势的优势

17、q线路造价低，功耗线路造价低，功耗小。q不存在发电机失步问题，输电线传输容不存在发电机失步问题，输电线传输容量仅受导线发热和介质绝缘强度限制。量仅受导线发热和介质绝缘强度限制。q在正常稳定运行中的控制能力强（运行在正常稳定运行中的控制能力强（运行切换控制和运行参数控制），而且更快切换控制和运行参数控制），而且更快速灵活，容易进行潮流控制。速灵活，容易进行潮流控制。直流输电的优势直流输电的优势（续续）qHVDC的快速控制能力可提高相邻交流系统或的快速控制能力可提高相邻交流系统或整个电力系统的动态性能，能较好的平抑振荡，整个电力系统的动态性能，能较好的平抑振荡，改善振荡品质。改善振荡品质。q在长距

18、离输电中，直流输电和交流输电比较时在长距离输电中，直流输电和交流输电比较时有一个有一个“等价经济距离等价经济距离”，即线路达到一定长，即线路达到一定长度时直流输电因少一根线所节约的线路投资等度时直流输电因少一根线所节约的线路投资等费用才能抵消变流器所增加的费用，目前的统费用才能抵消变流器所增加的费用，目前的统计资料认为是计资料认为是500700公里，随着电力电子器公里，随着电力电子器件的不断降价和电力电子技术的不断进步，等件的不断降价和电力电子技术的不断进步，等价经济距离将缩短到价经济距离将缩短到100公里。公里。 葛洲坝上海葛洲坝上海 19901990年年 500500kV/1.2kA 12

19、0kV/1.2kA 120万万kW kW 1045km 1045km 天生桥广州天生桥广州 20012001年年 500500kV/1.8kA 180kV/1.8kA 180万万kW kW 约约10001000kmkm 三峡三峡- -常州常州 20022002年年 500500kV/3kA 300kV/3kA 300万万kW kW 约约10001000kmkm 三峡三峡- -广州广州 20042004年年 500500kV/3kA 300kV/3kA 300万万kW kW 约约10001000kmkm 贵州贵州- -广州广州 20042004年年 500500kV/3kA 300kV/3kA

20、300万万kW kW 约约10001000kmkm功能：补偿与控制电力系统中的电压、功能：补偿与控制电力系统中的电压、电流、阻抗，用以电流、阻抗，用以补偿无功补偿无功和和抑制抑制谐波谐波，从而提高发电、输电、配电，从而提高发电、输电、配电等设备的利用率，减少备用设备，等设备的利用率，减少备用设备，使电力系统的运行更经济安全，控使电力系统的运行更经济安全，控制更灵活有效。制更灵活有效。1. 并联电抗补偿控制器并联电抗补偿控制器晶闸管投切并联电容器晶闸管投切并联电容器 TSC (Thyristor Switched Capacitor)晶闸管投切电容器TSC(c)感性电流矢量图(d)容性电流矢量图

21、1VQI2VlQXI j2VlcXI j1VcIcIQIIPI2V(b)矢量图cITSCVsXLV11IQPIIIcIcI(a)有TSC的电力系统CTPTV22 .晶闸管控制并联制动电阻晶闸管控制并联制动电阻 TCBR (Thyristor Controlled Braking Rsistor) PePoBA090LTGXXXVVP21maxmaxP(c)发电机扰动角特性GsG(a)2VcIIRTCBR1VALTXX 有TCBR的电力系统GXI1VX I jcosIX(b)矢量图2VLTGXXXX晶闸管控制的制动电阻3. 静止同步静止同步(无功无功)补偿器补偿器SSC或或STATCOM (St

22、atic Synchronous Compensator)或称静止无功发生器或称静止无功发生器SVG(Static Var Generator)caT1T4T6T3bT5T2dVdiiavicvLIsaVscVsbV+-CLXiaViVsVibvIsVLLLQLPQPII,负 载1V交 流 电 网1I11QPPL输出或吸收有功功率输出或吸收有功功率P P和无功功率和无功功率Q Q ，P P、QQ可双可双向流动。向流动。SSGSSG是带储能装置的是带储能装置的STATCOMSTATCOM。电电压压源源变变流流器器能源XIP,QViVs电网IABVSViVA. 并联型电力有源滤波器并联型电力有源滤

23、波器 PAPF（Parallel Active Power Filter）或谐波电流补偿器或谐波电流补偿器HCC（Harmonic Current Compensator）B. 串联型电力有源滤波器串联型电力有源滤波器 SAPF（Series Active Power Filter）或谐波电压补偿器或谐波电压补偿器HVC（Harmonic Voltage Compensator）cIdIsVGiVdVT1T7D8D7T8FECscI-+T2T3T4T5T6LAAvL电网电压型电压型PWM双向（四象限）变流器双向（四象限）变流器两象限直流斩波器两象限直流斩波器（T7、T8、D7、D8）静止型快速

24、励磁系统静止型快速励磁系统 SES（Static Excitation System） 快速调控发电机励磁电流，快速调控发电机励磁电流， 调控发电机电压。调控发电机电压。静止同步串联电压补偿器静止同步串联电压补偿器 SSSC（Static Synchronous Series Compensator）T1T4T6T3T5T2dV+-Cbac1V(a)电路负载+-LXV+-IcIcV3.VLV. PWM开关型串联同步电压补偿器.3VVV .1.V.VVL.ILXIj.P1.51.251.0K= =X Xc cX Xl l= =13K = = 0K= =15090180LLXIjVVVV.1.3.

25、统一潮流控制器统一潮流控制器 UPFC（Unified Power Flow Controller） 由一台由一台 STATCOM 和一台和一台 SSSC 通过直通过直流侧耦合在一起，构成双变流器电力电子流侧耦合在一起，构成双变流器电力电子系统，但这时系统，但这时 SSSC 可产生任意数值和相可产生任意数值和相位的串联补偿电压，而位的串联补偿电压，而 STATCOM 可输可输出任意数值和相位的电压、电流，输出至出任意数值和相位的电压、电流，输出至电网的电网的 P、Q大小和方向可控。大小和方向可控。UPFC1I1VXLi输电线首端输电线末端（负载）（电源）T1T4T6T3T5T2cIIdV+-C

26、A1B1C1A2B2C2PT1LSVIPT2QPsT3T5T1T4T6T2LVV3.+V-通用用户电力调节器通用用户电力调节器 UCPC(Universal Custom Power Conditioner)或统一能量质量调节器或统一能量质量调节器 UPQC小小 结结1 . 1 . 在交流输电中引入在交流输电中引入TSSC、TCSC等设等设备，备，使交流输电线极限传输容量增大、使交流输电线极限传输容量增大、稳定性增强，功率振荡被抑制，潮流稳定性增强，功率振荡被抑制，潮流控制、电压控制更灵活，因而形成控制、电压控制更灵活，因而形成柔柔性交流输电系统性交流输电系统 FACTS (Flexible

27、A.C. Trans- mission System) (1986)，开创了开创了电力电子技术在电力系统中应用的新电力电子技术在电力系统中应用的新阶段。阶段。2 . 2 . 在现代电力系统中引入各类电力电子在现代电力系统中引入各类电力电子装置，可实现电压控制、潮流控制、功装置，可实现电压控制、潮流控制、功率平衡控制、电能存贮控制、电能质量率平衡控制、电能存贮控制、电能质量控制以及事故应急处理控制等，有巨大控制以及事故应急处理控制等，有巨大的经济意义，有可能解决现代电力系统的经济意义，有可能解决现代电力系统面临的众多问题。这种控制灵活的交、面临的众多问题。这种控制灵活的交、直流电力电子系统可以套

28、用一个名词：直流电力电子系统可以套用一个名词：“柔性电力系统柔性电力系统 FEPS (Flexible Electric Power System)”。3. 3. 各类电力电子装置和系统被引入电力各类电力电子装置和系统被引入电力系统后带来了巨大的技术经济效益：输系统后带来了巨大的技术经济效益：输电线和配电网传输容量增加，电力设备电线和配电网传输容量增加，电力设备（发电机、变压器等）出力增大，可以（发电机、变压器等）出力增大，可以减少备用设备，电网潮流经济合理，电减少备用设备，电网潮流经济合理，电力系统能耗减少，电力系统功率不平衡力系统能耗减少，电力系统功率不平衡得到控制，电力系统运行安全稳定性

29、得得到控制，电力系统运行安全稳定性得到保证，事故时电压下降和功率振荡被到保证，事故时电压下降和功率振荡被抑制，可防止发电机失步退出，防止线抑制，可防止发电机失步退出，防止线路连锁跳闸而引起的电力系统崩溃和大路连锁跳闸而引起的电力系统崩溃和大面积停电事故。面积停电事故。电力电子器件的发展电力电子器件的发展全控型器件：全控型器件： 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (P-MOSFET) 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 (IGBT)半控型器件：半控型器件： 晶闸管晶闸管 (SCR，Thyristor)提高提高IGBT的电压等级的电压等级3300V，6000V从从 GTO 到到 IGCT (集成门极

30、换流晶闸管集成门极换流晶闸管) (Integrated Gate-commutated Thyristor)从从 IGBT 到到 IEGT (注入增强栅晶体管注入增强栅晶体管) (Injection Enhanced Gate Transistor)P-MOSFET 属于单极型器件，其优点是属于单极型器件，其优点是: :1. 1.开关速度快，不存在反向恢复问题，允开关速度快，不存在反向恢复问题，允许工作频率高，容易串联运行；许工作频率高，容易串联运行；2.2.通态电阻具有正温度系数，并联运行时通态电阻具有正温度系数，并联运行时有自均流特性。有自均流特性。但其耐压低，当电压在但其耐压低，当电压在

31、300V以上时通态以上时通态 电阻大，只适于在小功率范围内工作。电阻大，只适于在小功率范围内工作。1. Cool MOS 通态电阻只有常规通态电阻只有常规MOS管的管的1/10左右左右，工作电压可以提高到，工作电压可以提高到12001200V。2. 超低通态电阻超低通态电阻MOSFET管管可用于新型汽车可用于新型汽车电源电源(3642V)和计算机电源和计算机电源(1V，甚至更低甚至更低)，工作电流可达工作电流可达100A。3. 超高频率超高频率MOSFET管管工作频率达到几百工作频率达到几百MHz，甚至甚至GHz，进入微波频段，使一系列进入微波频段，使一系列 超高频设备实现全固态化。超高频设备

32、实现全固态化。*电力电子器件制造、变换器拓扑、控制、电力电子器件制造、变换器拓扑、控制、驱动、保护等技术均已趋于成熟。驱动、保护等技术均已趋于成熟。*电力电子装置仍建立在分立的器件、电路、电力电子装置仍建立在分立的器件、电路、部件的基础上，电力电子行业不但是技术部件的基础上，电力电子行业不但是技术密集型的，而且是劳动密集型的。密集型的，而且是劳动密集型的。*现代化对电力电子产品的要求：高可靠性、现代化对电力电子产品的要求：高可靠性、高效率、高功率密度、低成本、低污染。高效率、高功率密度、低成本、低污染。这就是当前对电力电子技术的新挑战！这就是当前对电力电子技术的新挑战！*新挑战的要求新挑战的要

33、求标准化、模块化、集标准化、模块化、集成化、可编程。成化、可编程。*PIC (Power Integrated Circuit,功率集成功率集成电路电路) 的尝试，在一块芯片上集成所有器的尝试，在一块芯片上集成所有器件和电路，须要解决电绝缘和热绝缘问件和电路，须要解决电绝缘和热绝缘问题，未获成功。题，未获成功。*IPM (Intelligent Power Module,智能功率智能功率模块模块)是折中的解决方案，已在小功率范是折中的解决方案，已在小功率范围内广泛应用。围内广泛应用。IPEM (Integrated Power Electronic Module,集成电力电子模块集成电力电子模

34、块)内含功率器件、各种集成芯片、传感器、磁内含功率器件、各种集成芯片、传感器、磁芯元件等完整的电力电子系统，无引线或芯元件等完整的电力电子系统，无引线或用无感功率母线连接，采用标准模块封装用无感功率母线连接，采用标准模块封装技术，提供功率传输接口和数据通信接口。技术，提供功率传输接口和数据通信接口。其他名称：其他名称：PEBB, MCM, SOC, SOP, PESI，到到2010或或2020年，将实现象年，将实现象VLSI那样革命那样革命性的成就。性的成就。一种新型的高温半导体材料：一种新型的高温半导体材料： 工作温度可达工作温度可达600 PN结耐压可达结耐压可达510kV 导通电阻比硅器件小得多导通电阻比硅器件小得多 导热性比硅好导热性比硅好 漏电流特别小漏电流特别小现在碳化硅高压二极管、现在碳化硅高压二极管、MOSFET管均已管均已问世，估计问世，估计1015年后耐压上万伏的功年后耐压上万伏的功率碳化硅器件将在市场上出现。率碳化硅器件将在市场上出现。新新一代的材料一代的材料新一代器件新一代器件 新一代电力电子装置和新一代电力电子装置和 应用。应用。可以预期，电力电子技术的可以预期，电力电子技术的应用将得到蓬勃的发展！应用将得到蓬勃的发展！谢谢！谢谢！