电力电子技术在工业企业电能质量的控制(z).doc

上海海事职业技术学院机电工程系毕业专题电力电子技术在工业企业电能质量的控制电能在人类活动中的作用:电能是指以电的各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换。日常生活中使用的电能主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、热能（火力发电）、原子能（原子能发电）、风能（风力发电）、化学能（电池）及光能（光电池、太阳能电池等）等。电能也可转换成其他所需能量形式。它可以有线或无线的形式做远距离的传输。电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。电力电子技术的概要:电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。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的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子技术的应用:一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置电力电子技术的重要作用:(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。在工业企业中的一些运用:由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将成为未来世界各国最主要的发电形式。电力电子技术是分布式发电技术的三大关键技术之一，在分布式发电中有极其广泛的应用。简要介绍了电力电子技术在能量传递、提高电能质量、系统储能等方面的应用。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统存在的一些弊端，使得电力系统显得既“笨拙”又“脆弱”。目前，大电网与分布式电网的结合，被世界许多能源和电力专家公认是节省投资，降低能耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。此外，现在世界各国都在提倡“绿色环保”，而我国电力系统的发电对环境造成了很大的破坏，采用分布式发电，充分利用各地丰富的“清洁能源”，这对于我国可持续发展的战略具有重大意义。 近年来国外，特别是以美国和日本为代表，对新型分布式发电技术的研究已取得了突破性的进展，而且有望在电能生产中占有越来越大的比重。我国对分布式发电的研究较晚，现在还没有形成很成熟的技术，但是，分布式发电是未来电力市场的发展趋势，因此，要加紧开展对分布式发电的研究和探索，其中的一个重要方面就是要将电力电子技术应用到分布式发电中。电能质量在近几年已经成为广大供用电各方日益关注的问题，特别是对于电子制造业、各类设备的生产厂、纺织业、食品业、造纸业、化工业、冶金业等行业中，拥有大量的非常敏感的电气设备。在工业中使用的装置和设备，包括微处理控制装置和电气装置，它们除了对断电外，对各种类型的电力扰动也是很敏感的。导致这些对电能质量关注的原因在于对不同工业种类的电能质量变化和扰动特性的测量上。电能质量对工业生产过程的运行非常重要。电能质量扰动经常由于各种电器设备和系统内部和外部不同设备的相互，而变得复杂。了解这些扰动的起因是避免质量恶化的途径。有许多种能提供所需要电能质量水平的办法，应先择最简单，最经济的方法，前提是能真正发现引起扰动的原因。诊断电能质量扰动的是第一步，同时选择好的电能质量测量分析仪又是保证做好的扰动诊断的关健，它可以直接指出问题，或者至少接近问题的可能性。然后就可以开始开发有效的处理故障的策略。电力电子技术在电能传递中的应用：1.微型汽轮机发电系统：由于汽轮机运行的速度很高，可以达到80kr/min，而且交流发电机具有很高的频率，不能直接连接到交流电网上，这中间需要一个直流环节。图1简明扼要地描述了电力电子设备在微型汽轮发电机系统能量变换中的应用。交流发电机发出的电能经过整流后被送到直流电容上，然后经过有源DC/AC逆变后将电能送入电网。2.风能发电系统：风轮机既可以恒定速度运行也可以变速度运行，所以，它既可以与同步电机相连也可以与异步电机相连。由于操作简单和经济性，与异步机相连的方式被广泛使用。图2描绘的是一个异步发电机系统，首先经过整流，然后经过有源逆变与交流电网相连。3.光电系统：光电系统进行能量变换的通用方法是，通过有源DC/AC逆变器，将存储在光电池中的直流能量变换为与电网同步的交流电压。图3清楚简要地描绘了这一流程。这里的三相逆变器采用IGBT类型的功率管。4.燃料电池系统： 燃料电池产生的直流电压经过有源DC/AC逆变器变为交流电压，其变换过程和光电系统相似，图4描绘了这一变换流程。 直流输电与交流输电相比有许多优势，所以，在以上几种发电类型中，电能的传送都是采用直流输电的形式，但是，大电网以及人们生活、生产需要的是稳定频率的交流电，而由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量变换和传递中起到了极其关键的作用。电力电子在提高电能质量中的应用：分布式发电系统是一个新型的发电模式，尚有不完善的地方，其中电能质量问题越发显得严重。任何由于谐波、瞬态、电压凹陷和扰动引起的偏离都会导致电能质量问题。尽管电能质量对居民生活来说没有太大的影响，但是对工业生产和公司工作却有巨大的影响。片刻电能的丢失和陷落都会导致工业生产质量的下降，甚至出现废品；导致信息产业的信息丢失，这样就会造成难以估计的损失。未来是一个数字化的社会，对电能质量的要求将会越来越高。结论:电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。 微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用； 具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将复合型、模块化； 从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化； 从应用看，MPS电力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有发展前景的器件。今后研制工作的重点将是进一步改善MPS的软反向恢复特性，提高IGBT和MCT的开关频率和额定容量，研制智能MOSFET和IGBT模块，发展功率集成电