1、电力电子技术电力电子技术 123电力电子技术的定义电力电子技术的定义电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的应用电力电子技术的应用基本内容电力电子技术与能源互联网电力电子技术与能源互联网4电力电子技术电力电子技术1. 1. 电力电子技术的定义电力电子技术的定义 电力电子技术是在电力电子技术是在电子、电力与控制技术电子、电力与控制技术基础上发展起来基础上发展起来的一门新兴交叉学科的一门新兴交叉学科, ,被国际电工委员会被国际电工委员会( IEE) ( IEE) 命名为电命名为电力电子学力电子学( Power Electronics) ( Power Electronics) 或称为电力
2、电子技术或称为电力电子技术 1955 年美国通用电器公司年美国通用电器公司(General Electronic Company) 发明第一个大功率发明第一个大功率5A 硅整流二极管硅整流二极管(Silicon Rectifier) ，仅在两年后的，仅在两年后的1957 年年, GE 公司又发明了全公司又发明了全世界第一个晶闸管世界第一个晶闸管(Thyristor) ,俗称俗称“可控硅可控硅” 大功率硅整流二极管以及晶闸管的发明大功率硅整流二极管以及晶闸管的发明标志着现代意义上标志着现代意义上电力电子技术的诞生电力电子技术的诞生 back Next电力电子技术电力电子技术1. 电力电子技术的定
3、义电力电子技术的定义 图图1.1 1.1 电力电子技术的电力电子技术的NewellNewell定义定义 1974 年年,第四届国际电第四届国际电力电子会议上美国学力电子会议上美国学者者W.Newell首次提出首次提出了电力电子技术的定了电力电子技术的定义义,并用图并用图1.1所示的所示的“倒三角倒三角” 图形表示图形表示 即：电力电子技术是即：电力电子技术是由由电子学、电力学及电子学、电力学及控制学控制学组成的边缘学组成的边缘学科科电力电子技术电力电子技术1. 电力电子技术的定义电力电子技术的定义 实际上，就其实际上，就其内容内容而言，电力电子技术主要完成各种电能而言，电力电子技术主要完成各种
4、电能形式的变换，以电能输入形式的变换，以电能输入-输出形式的变换来分，主要包括输出形式的变换来分，主要包括以下以下四种基本变换四种基本变换：u交流交流-直流（直流（AC-DC）变换：）变换：u直流直流-交流（交流（DC-AC）变换）变换 :u交流交流-交流（交流（AC-AC）变换）变换:u直流直流-直流（直流（DC-DC）变换）变换:主要完成直流电压幅值和极性的变换与调节，主要包括升压、主要完成直流电压幅值和极性的变换与调节，主要包括升压、降压和升降压和升- -降压变换等降压变换等整流，完成交流整流，完成交流- -直流变换的电力电子装置称为整流器（直流变换的电力电子装置称为整流器（Rectif
5、ierRectifier）逆变，这是与整流相反的变换形式，完成直流逆变，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交流变换的电力电子装置称为逆变器（装置称为逆变器（InverterInverter）主要有交流调压和交主要有交流调压和交- -交变频两种基本形式交变频两种基本形式电力电子技术电力电子技术2. 电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史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一般认为，电力电子技术的诞生是以19571957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶
6、闸管为标志的。为标志的。back电力电子技术电力电子技术 电力电子学发展过程中的重要事件如下（最具代表性）电力电子学发展过程中的重要事件如下（最具代表性）:u1803年年 整流器的发明整流器的发明 u1925年年 逆变器换流原理被提出逆变器换流原理被提出 u1967年年 用于高压直流输电应用的晶闸管发明用于高压直流输电应用的晶闸管发明 u1979年年 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u1987年年 双向双向PWM RECTIFER-INVERTERu1993年年 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模糊逻辑级神经
7、元网络在电力电子学及电力传动上的应用u2000年年用用3电平电平IGCT逆变器实现的逆变器实现的45MVA动态电压补偿器动态电压补偿器DVR 的完成2. 电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术电力电子技术电力电子技术在电源中的应用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微电网中的应用电力电子技术在环保系统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电力电子技术在节能中的应用234563 . 电力电
8、子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术电力电子技术3 . 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 back电力电子技术电力电子技术 3.1 电力电子技术在电源中的应用现代电力电子技术在现代电力电子技术在高质量、高效、高可靠性高质量、高效、高可靠性的的电源中起着关键作用，随着电源技术的发展得到电源中起着关键作用，随着电源技术的发展得到广泛应用：广泛应用：u通信电源通信电源 高频小型化开关电源高频小型化开关电源u不间断电源不间断电源(UPS)(UPS) 高可靠、高性能的恒频恒压（高可靠、高性能的恒频恒压（CVCFCVCF）电源）电源 u变频器电源变频器电源 交流电机的变频调速交流电机的变频调速
9、back电力电子技术电力电子技术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：系统的应用领域得到了前所未有的扩展：u发电机的静止励磁控制发电机的静止励磁控制 就是采用先进的电力电子励磁系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半导体整流器电力电子技术电力电子技术3.2 电力电子技术在电力系统中的应用
10、u高压直流输电（高压直流输电（HVDC）技术）技术 由于由于HVDC具有输送容量具有输送容量大、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广泛的推广 电力电子技术电力电子技术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年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技换流器，标志着电力电子技术术正式应用正式应用于直流输电于直流输电 直到二十世纪末，这一时期直到二十世纪末，这一时期直流输电技术主要是基于晶直流输电技术主要是基
11、于晶闸管电网换流的闸管电网换流的交交-直直-直直-交交变换技术变换技术 目前目前,强迫换流技术强迫换流技术占高压直占高压直流输电的主导地位流输电的主导地位图图1.3 1.3 高压直流输电（高压直流输电（HVDCHVDC）系统）系统电力电子技术电力电子技术3.2 电力电子技术在电力系统中的应用 图图1.3 1.3 高压直流输电（高压直流输电（HVDCHVDC）系统）系统 在在中低电压直流输电领域中低电压直流输电领域里，基于里，基于VSC(PWM电压源换流器电压源换流器)的轻型直流输电系统高速发展，如海上风电场输电等，其结的轻型直流输电系统高速发展，如海上风电场输电等，其结构如图构如图1.3b所示
12、所示电力电子技术电力电子技术1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用柔性交流输电柔性交流输电(FACTS)技术技术 是对交流输电系统的阻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（）、静止同步串联补偿器（SSSC）及统一潮流控制器）及统一潮流控制器（UPFC）如图）如图1.4所示所示图图1.4 统一潮流控制器（统一潮流控制器（UPFC） 电力电子技术电力电子技术1.3.2 电力电子技术在电力系统
13、中的应用柔性输电技术示范工程柔性输电技术示范工程电力电子技术电力电子技术3.2 电力电子技术在电力系统中的应用用户电力用户电力(Custom Power)技术技术 用户电力用户电力(Custom Power) 技术或称技术或称DFACTS技术是电力电子技术在电力系技术是电力电子技术在电力系统统配电环节配电环节中的应用，是在中的应用，是在FACTS各项成熟技术的基础各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术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技术 同步开断是在电压或电流的指定相位完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成电路的断
14、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备绝缘水平，减少由于操作引起的设备(包括断路器本身包括断路器本身) 损坏损坏电力电子技术电力电子技术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（动态电压恢复器（DVR) 是是一种串联在系统与负载之间一种串联在系统与负载之间用于用于电能质量治理电能质量治理的电力电的电力电子设备子设备 图图1.5是采用是采用DC-AC变换器变换器输出串入线路的结构输出串入线路的结构 能够在毫秒级时间内抑制电压骤能够在毫秒级时间内抑制电压骤降、骤升、谐波、闪变等干扰，降、骤升、谐波、闪
15、变等干扰，从而给负荷提供稳定的正弦电压从而给负荷提供稳定的正弦电压 back电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用 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 光伏发电光伏发电系统可分为独立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系统和并网光伏发电系统 其中双向直流变换器和逆其中双向直流变换器和逆变器就是典型的电力电子变器就是典型的电力电子变换器（变换器（DC-DC、DC-AC变换器）变换器）电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统
16、中 的应用的应用 光伏发电系统光伏发电系统 电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用风力发电系统风力发电系统 风力发电按照风轮风力发电按照风轮发电机转速发电机转速是否恒是否恒定分为定转速运行与可变速运行两种方式定分为定转速运行与可变速运行两种方式 按照发按照发电机的结构电机的结构区分，有异步发电机、同步发电区分，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、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型机等机型 按照按照风力发电的风力发电的运行方式运行方式可分为独立运行、并网运可分为独立运行、
17、并网运行、与其它发电方式互补运行等。行、与其它发电方式互补运行等。主要风力发电系统主要风力发电系统： u恒恒速恒频风力发电系统速恒频风力发电系统u变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统 电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用风力发电系统风力发电系统 电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用 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，如图早期主要采用以笼型
18、异步发电机为主的恒速恒频运行方式，如图1.7所示：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，其转速基本不变直接并网方式，风力机一旦并网运行，其转速基本不变电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用缺点（缺点（1）发电机转速固定，只能在某一特定风速运行时才发电机转速固定，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
19、下降最佳功率运行点，导致发电量下降 （2）输出功率因数较低，需要电容器组进行无功补偿）输出功率因数较低，需要电容器组进行无功补偿变速恒频风力发电系统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。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的风速变化时保持高效运行电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用 图1.8 变速恒频风力发电系统
20、 实现变速恒频风力发电的方案有感应发电机全功率系统、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永磁同步直驱全功率系统以及异步双馈系统等电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用燃料电池发电系统燃料电池发电系统 燃料电池是一种将持续供给的燃料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，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
21、、不受卡诺循环限制，能量转换效率模块结构、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燃料电池并网发电功率调节系统的结构如图1.9所示所示图1.9 燃料电池发电并网发电系统电力电子技术电力电子技术3.3电力电子技术在可再生能源发电系统中电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用混合能源发电系统混合能源发电系统 利用不同能源的互补组合，提高可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再生能源的利用率。例如：利用太阳能与燃料电池可以组成成“太阳能光伏制氢储能太阳能光伏制氢储能燃料电
22、池发电系统燃料电池发电系统”，其结构，其结构如图如图1.10所示所示 图1.10 太阳能光伏制氢储能-燃料电池放电系统back电力电子技术电力电子技术3.4电力电子技术在微电网中的应用电力电子技术在微电网中的应用 图图1.11 1.11 微电网基本结构图微电网基本结构图微电网微电网 是一种规模较是一种规模较小的分散的独立系统，小的分散的独立系统，能更好地发挥分布式发能更好地发挥分布式发电潜能。一般将微电网电潜能。一般将微电网中的分布式电源叫做微中的分布式电源叫做微型电源型电源(MicroSource)亦简称微源亦简称微源(MS) 图图1.11为美国电力可为美国电力可靠性技术解决方案协会靠性技术
23、解决方案协会 CERTS定义的一个定义的一个微电网基本结构图微电网基本结构图 back电力电子技术电力电子技术3.4电力电子技术在微电网中的应用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面积4.64.6平方公里平方公里岛上常住居民岛上常住居民600600多人多人含学校含学校 卫生所卫生所 酒店酒店 水产站水产站原东澳电厂原东澳电厂柴油发电柴油发电厂厂电力电子技术电力电子技术3.5电力电子技术在环保系统中的应用电力电子技术在环保系统中的应用高压静电除尘高压静电除尘 利用高压电场的静电力，使粉尘荷电产利用高压电场的静电力，使粉尘荷电产生定向
24、运动而从气体中分离得到净化的方法。由升压变压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、自动控制反馈器、高压整流器、控制元件、自动控制反馈4部分组成，部分组成，如图如图1.12所示所示图图1.12 1.12 高压静电除尘系统结构高压静电除尘系统结构电力电子技术电力电子技术3.5电力电子技术在环保系统中的应用电力电子技术在环保系统中的应用电力电子技术电力电子技术3.5电力电子技术在环保系统中的应用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 利用利用直流电源直流电源电解含氧电解质电解含氧电解质产生臭氧气体，具有浓度高、成分纯净、在水中溶解产生臭氧
25、气体，具有浓度高、成分纯净、在水中溶解度高的优点。度高的优点。 烟气脱硫脱氮应用烟气脱硫脱氮应用 烟气脱硫脱氮技术是一项跨行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业、多学科的系统工程离不开电力电子技术的支持,其其中电子束氨法烟气脱硫脱氮系统中运用的中电子束氨法烟气脱硫脱氮系统中运用的高频高压开高频高压开关电源关电源、高能电子加速器高能电子加速器等都应用了电力电子技术等都应用了电力电子技术 back电力电子技术电力电子技术3.6 电力电子技术在节能中的应用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 主要包括主要包括变频调速节电、功率因数变频调速
26、节电、功率因数补偿节电以及轻载调压节电补偿节电以及轻载调压节电三种主要方式：三种主要方式：u变频调速节电变频调速节电 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，从而实现节电运行调节交流电动机转速，从而实现节电运行 u功率因数补偿节电功率因数补偿节电 采用适当的电力电子投切装置采用适当的电力电子投切装置(如晶闸管投如晶闸管投切电容器（切电容器（TSC）)将补偿电容器组直接与电动机并联运行，以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 u
27、轻载调压节电轻载调压节电 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，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，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电运行电力电子技术电力电子技术3.6 电力电子技术在节能中的应用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 高效节能高
28、效节能照明是指发光效率较高的电照明是指发光效率较高的电光源节能灯。它们大都利用光源节能灯。它们大都利用高频电力电子变换技术高频电力电子变换技术 近几年我国推广的节能灯有：近几年我国推广的节能灯有：稀土荧光灯、高频无极灯、稀土荧光灯、高频无极灯、高压钠灯、双绞丝型的白炽高压钠灯、双绞丝型的白炽灯等灯等 电力电子技术电力电子技术3.6 电力电子技术在节能中的应用电力电子技术在节能中的应用图图1.14 1.14 静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)(SVC)典型结构典型结构 无功补偿节能应用无功补偿节能应用 （1）静止无功补偿器）静止无功补偿器(SVC) 用以晶用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了
29、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制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳系统的导纳 图图14是基于晶闸管控制电抗器是基于晶闸管控制电抗器(TCR)的的SVC结构结构电力电子技术电力电子技术3.6 电力电子技术在节能中的应用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（）电力有源滤波器（APF）目前目前谐波抑制谐波抑制的一个重要趋势是采的一个重要趋势是采用电力有源滤波器用电力有源滤波器(APF)，它是一，它是一种基于种基于DC-AC变换的电力电子装置，变换的电
30、力电子装置，其结构如图其结构如图15所示：所示： APF的基本原理是从补偿对象中检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反的补偿电流而消除电网电流谐波 back电力电子技术电力电子技术4 电力电子技术与能源互联网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能源互联网概念的提出与发展电力电子技术电力电子技术4 电力电子技术与能源互联网电力电子技术与能源互联网 back智能社区智能社区中存在着中存在着大量的直大量的直流电源和流电源和负荷，采负荷，
31、采用直流配用直流配电，能够电，能够节省大量节省大量整流和变整流和变换环节换环节直流配电直流配电系统能够系统能够取消大量取消大量整流环节整流环节，可直接，可直接供给直流供给直流负荷负荷微网中分布微网中分布式电源直接式电源直接接入直流母接入直流母线，可节约线，可节约大量逆变装大量逆变装置置交直流混合配电网构架交直流混合配电网构架电力电子技术电力电子技术4 电力电子技术与能源互联网电力电子技术与能源互联网 back能源互联网全景展望能源互联网全景展望电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
