1、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1.1 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
2、晶闸管的发明标志着现代意义上电力电子技术的诞生 back Next1.1 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1.1 电力电子技术的定义 随着电力电子技术的发展，电力电子技术发展初期的W.Newell定义已得到很多学者的认同 美国电气和电子工程师协会的电力电子学会则将电力电子技术定义定义为：电力电子技术是有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具,实现对电能的有效变换
3、和控制的技术,包括电压、电流、频率和波形等方面的变换 1.1 电力电子技术的定义 图1.2 电力电子技术的新定义 1980年，为了使电力电子技术定义更加具体化，美国著名学者B.K.Bose 教授对W.Newell 的定义进行了拓展,提出了图1.2 所示电力电子技术的新定义：1.1 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：u交流交流-直流（直流（AC-DC）变换）变换：一般称为整流，完成交流-直流变换的电力电子装置称为整流器（Rectifier）u直流直流-交流（交流（DC-AC）变换）变换:一般
4、称为逆变，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）u交流交流-交流（交流（AC-AC）变换）变换:主要有交流调压和交-交变频两种基本形式 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、降压和升-降压变换等 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史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1957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闸管为标
5、志的。为标志的。1.2 电力电子技术的发展 电力电子技术起始于20世纪50年代末20世纪60年代初的硅整流器件，其发展经历了以低频技术为主的传统电力电子技术时期和以高频技术为主的现代电力电子技术时期 在20世纪80年代末期和20世纪90年代初期以IGBT 和功率MOSFET为代表发展起来的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代 进入20世纪90年代以来，电力电子技术进入了一个崭新的快速发展时期。理论分析和实验表明：电力电子产品体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，因此电力电子技术高频化是今后电力电子技术创新与发展的主导方向1.2 电力电
6、子技术的发展 近年来，随着能源危机的出现，电力电子技术技术在变频调速、新能源发电等方面得到了快速发展，世界各国对电力电子技术也更加重视 一方面具有自关断能力的大功率高频新器件及其应用技术取得了惊人的进步；另一方面，同微电子技术紧密结合的新一代智能化功率集成电力电子技术初露锋芒 展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块IPEM(Integrated Power Electronic Modules)技术以及具有导通损耗小，耐压高、高结温等的特点的Silicon(硅)等新一代宽禁带器件的应用将会使电力电子技术发生新一轮革命性的变化1.2 电力电子技术的发展 电力电子学发展过程中的重要事件如下（
7、最具代表性）:u1803年 整流器的发明 u1925年 逆变器换流原理 u1965年 用于高压直流输电应用的晶闸管 u1979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u1987年 双向PWM RECTIFER-INVERTERu1993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u2000年用3电平IGCT逆变器实现的45MVA动态电压补偿器DVR 1.3 电力电子技术的应用 电力电子技电力电子技术的广泛应术的广泛应用用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：通信电源通信电源图图
8、1.4 1.4 通信电源系统通信电源系统u通信电源通信电源 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不间断电源(UPS)图图1.5 1.5 具有旁路开关的具有旁路开关的UPSUPS系统系统u不间断电源不间断电源(UPS)(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图图1.61.6电流型交电流型交直直交交PWMPWM变频电路变频电路 u变频器电源变频器电源 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(
9、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 1.3.2 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：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u高压直流输电（高压直流输电（HVDC）技术）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 1.3.2 电力电
10、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是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,其结构如图1.7a所示:图1.7 高压直流输电（HVDC）系统1.3.2 电力电子技术在电力系统中的应用 图1.7 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开始高速发展，并开始应用于数十至数百公里的小型直流输电系统中（如海上风电场输电等）其结构如图1.7b所示:1.3.2 电力电子技术在电力系统中的
11、应用 柔性交流输电柔性交流输电(FACTS)技术技术 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）1.3.2 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(Custom Power)技术或称DFACTS技术是电力电子技术在电力系统配电环节中的应用，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
12、 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成电路的断开或闭合，在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样，由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低，由于操作引起设备(包括断路器本身)的损坏也可大大减少1.3.2 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)它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 采用DC-AC变换器输出串入线路的结构的动态电压恢复器DVR如图1.5所示：DVR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
13、 1.3.3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 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）1.3.3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、
14、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型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。以下介绍几类主要风力发电系统恒速恒频风力发电系统：u变速恒频风力发电系统u变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 早期的风力发电机组主要采用以笼型异步发电机为主的恒速恒频运行方式其基本结构如图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 为了限制并网冲击，可以采
15、用软启动器进行入网控制，而软启动器就是一种电力电子变换器（AC-AC）变换器 1.3.3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 变速恒频风力发电系统变速恒频风力发电系统 由于恒速恒频风力发电系统的发电机转速固定，因此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，另外异步风力机组输出的功率因数较低，一般需要电容器组进行无功补偿 为最大限度的利用风能，提高风力发电机组性能，变速恒频风力发电机组得到了快速发展并成为风力发电的主流 在变速恒频风力发电系统中，由于风力机可在大范围的风速变化时保持高效
16、运行，因此高性能的电力电子变换装置必不可少 1.3.3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 目前，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 其中异步双馈系统结构如图1.8a所示：异步双馈系统由于可采用较小功率（30%风机功率）的电力电子变换器目前已成为变速恒频风力发电的主流1.3.3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 其中感应发电机的全功率风力发电系统（有齿轮箱）的结构如图1.8b所示：在变速恒频风力发电系统中的电力电子
17、变换器大都采用了发电机侧变换器与电网侧变换器“背靠背”的运行模式 图1.8 变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电力电子技术在可再生能源发电系统中 的应用的应用 其中永磁同步直驱风力发电系统（无齿轮箱）的结构如图1.8c所示：永磁同步直驱全功率系统由于采用高效发电机并且省略了齿轮箱因而是变速恒频风力发电系统的发展方向 图1.8 变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
18、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1.3.3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 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1.3.4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
19、应用 图1.11 微电网基本结构图 微电网微电网 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 1.3.5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 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
20、系统结构1.3.5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 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 1.3.6 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 交流电动机运行节
21、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：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 就是采用适当的电力电子投切装置(如晶闸管投切电容器（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 u轻载调压节电轻载调压节电 就是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，这样就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
22、电动机的节电运行1.3.6 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 如图1.13所示是高频无极灯的电力电子电路结构1.3.6 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 变频调速节能应用变频调速节能应用u变风量空调控制变风量空调控制 是通过利用送风电机的变频调速改变送入各房间的风量来满足房间负荷的变化，使整个空调系统可以随着负荷的变化调节总送风量，从而达到
23、节电运行效果 u油田高压注水泵系统的变水量控制油田高压注水泵系统的变水量控制 油田注水是中国很多油田保持原油高产稳产的重要有效措施，采用中电压(310kV)、中大功率变频调速装置对油田注水泵用电动机实行变转速调节，实现注水泵变水量控制，起到非常有效节能的效果u 城市供水系统的流量控制城市供水系统的流量控制 城市大型水厂采用交流调速技术是节电的重要措施，利用变频调速器对水泵电机进行调速，即根据实际用水需求调节水量，则能在保证恒压供水的同时实现了供水系统的节能运行1.3.6 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1.14 静止无功补偿器(SVC)典型结构 静止无功补偿器静止无功补偿
24、器(SVC)它是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 SVC可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器TSC晶闸管投切电抗器（TSR）或晶闸管控制电抗器(TCR)基于晶闸管控制电抗器(TCR)的SVC结构如图14所示：静止无功发生器静止无功发生器 静止无功发生器静止无功发生器SVG指由自换相的电力电子桥式变流器来进行动态无功指由自换相的电力电子桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。补偿的装置。SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。
25、采用电压型桥式电路的采用电压型桥式电路的SVG如图如图10-40a，直流侧采用的是，直流侧采用的是电容电容，还需，还需再串联上连接再串联上连接电抗器电抗器才能并入电网。才能并入电网。采用电流型桥式电路的采用电流型桥式电路的SVG如图如图10-40b，直流侧采用的是，直流侧采用的是电感电感，还需，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器电容器才能并入电网。才能并入电网。图图10-40 SVG的电路基本结构图的电路基本结构图a）采用电压型桥式电路）采用电压型桥式电路 b）采用电流型桥式电路）采用电流型桥式电路SVG（采用电压型桥式电路）的工作原理（采用电压
26、型桥式电路）的工作原理 由于运行效率的原因迄今投入由于运行效率的原因迄今投入实用的实用的SVG大都采用电压型桥式电大都采用电压型桥式电路。路。SVG可以等效地被视为可以等效地被视为幅值和幅值和相位均可以控制的一个与电网同频相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源率的交流电压源，通过交流电抗器，通过交流电抗器连接到电网上。连接到电网上。设电网电压和设电网电压和SVG输出的交流输出的交流电压分别用相量电压分别用相量 和和 表示，改变表示，改变 的幅值及其相对于的幅值及其相对于 的相位，就可的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控以改变连接电抗上的电压，从而控制制SVG从电网吸收电流的相位和幅
27、从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了值，也就控制了SVG吸收无功功率吸收无功功率的性质和大小。的性质和大小。图图10-41 SVG等效电路及工作原理等效电路及工作原理 a）单相等效电路单相等效电路 b）工作相量图工作相量图 VSVIVIVS1.3.6 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 电力有源滤波器（电力有源滤波器（APF）传统的交流直流(AC-DC)变换器在投运时将向电网注入大量的谐波电流，弓l起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓“电力公害”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 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理图图10-42 有源电力滤波器的基本原理和典型电流波形有源电力滤波器的基本原理和典型电流波形图图10-43 有源电力滤波器的变流电路有源电力滤波器的变流电路并联型并联型
