电力电子技术的应用课件

电力电子技术应用与发展

上海大学陈伯时电力电子技术应用与发展上海大学陈伯时1

电力电子学

PowerElectronics

（出现于20世纪60年代）

又名：*功率电子学

*电源处理

Powermanagement

电力电子学

PowerElect21974年，美国Newell提出：

电力电子学是由

电子学（器件、电路）

电力学（静止变换器、旋转电机）

控制理论（连续、离散）

三个学科交叉形成的。

现已与模拟电子学、数字电子学

并列成为三大电子学之一。

1974年，美国Newell提出：

电力电子学是由

电3电力电子的出现，在强电和弱电两大领域之间构筑了桥梁，为生产过程的自动化和信息化奠定了强有力的基础。电力电子的出现，在强电和弱电两大领域之间构筑了桥梁，为生产过41997－2010年电力电子应用的发展1997－2010年电力电子应用的发展5电力电子的应用领域1.各类电源系统，2.电气传动系统，3.电力系统。电力电子器件的发展推动了电力电子应用的更新和扩展。电力电子的应用领域1.各类电源系统，6（一）各类电源系统中

电力电子技术的应用输出恒频恒压电源，频率从0Hz（直流）到几兆Hz，容量从几瓦到几十兆瓦。*电解、电镀、……用的二极管或晶闸管整流电源*计算机、通信、电子仪器用的高频开关电源(P-Mosfet,IGBT)（一）各类电源系统中

7*不间断电源(UPS)*各类照明电源和节能灯*汽车电子电源系统*太阳能光伏电源*电焊机电源*核聚变反应堆大容量脉冲电源…………。*不间断电源(UPS)8各类电源用的电力电子变换器AC-DC变换二极管整流器晶闸管可控整流器DC-DC变换直流斩波器－降压(Buck)变换器升压(Boost)变换器桥式PWM变换器各类电源用的电力电子变换器AC-DC变换9各类电源用的电力电子变换器（续）DC-AC变换电压型PWM逆变器电流型逆变器多电平逆变器多重化逆变器各类电源用的电力电子变换器（续）DC-AC变换10（二）电气传动系统中

电力电子技术的应用直流传动——晶闸管可控整流器直流斩波器直流PWM变换器交流传动——交流调压器交-直-交变频器交-交变频器（二）电气传动系统中

电力电11现代可调电气传动的物质基础电力电子变换器微处理器：单片机、DSP、RISC数据通信：现场总线、无线总线、工业以太网现代可调电气传动的物质基础电力电子变换器12信息技术的进入

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－现场总线计算机技术进入PLC控制领域－基于PC的控制器以太网技术进入工业管理领域－工业网络系统

信息技术的进入

带来了自动化领域的三大变革

工业通讯技术进入13工业通讯技术的引入，改变了现场信号的连接方法——现场总线(FIELDBUS)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工业通讯技术的引入，改变了现场信号的连接方法——现场总线(F14点对点连接的缺点

以及对控制系统发展的限制不能满足大量现场数据的传输传输模拟量数据时，抗干扰性差只能构成封闭式控制系统，不能实现不同系统的数据交换大量的导线，安装复杂，调试困难增加工程的投资费用点对点连接的缺点

以及对控制系统发展的限制不能满足大量现场数15在工业控制系统中的信号的连接采用串联传输方法：现场总线在工业控制系统中的信号的连接采用串联传输方法：现场总线16串联传输的优点

为控制系统结构的发展提供了基础能满足大数量、不同类型现场数据的传输大大延长了传输的距离和扩展了系统分布的空间实现了传输数据数字化、各种仪表的智能化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减少工程投资费用，减少了安装、调试时间强大的在线诊断功能，减少停机时间，提高效率串联传输的优点

为控制系统结构的发展提供了基础能满足大数量、172001年的电气传动2001年的电气传动18全球电气传动市场趋势全球电气传动市场趋势19世界电气传动市场的发展2000‘($12.5B)2005‘($19.1B)世界电气传动市场的发展2000‘($12.5B)200520我国交流可调传动的发展1978-1984初创时期1985-1992应用发展，研究兴盛，大量引进，但国产变频器兴起又衰落。1993-1998市场经济逐步成长。1999-今市场直线增长，新企业发展壮大，外资产品本土化。我国交流可调传动的发展1978-1984初创时期21交流调压器M3~~TVC交流调压器M3~~TVC22交流调压器的应用*异步电动机软启动器*轻载降压节能运行*变压调速系统交流调压器的应用*异步电动机软启动器23电压型交-直-交变频器1M3~电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路~URUIR0R1R2RbVTbK电压型交-直-交变频器1M电压泵升电流温度电流单显示设定接口24交流PWM控制技术（1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；（2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；（3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制；（4）电压空间矢量控制（SVPWM控制），或称磁链轨迹跟踪控制。交流PWM控制技术（1）基于正弦波对三角波脉宽调制的25进线电抗器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，因此输入电流呈脉冲波形，必须进行滤波。进线电抗器二极管整流器虽然是全波整流装置，但由26谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。

解决这个问题的办法：（1）采用有源滤波和无功补偿装置；（2）开发“绿色”电力电子变换器。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。谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视27“绿色”变频器常压：双PWM变压变频器(380V)PWM整流＋PWM逆变矩阵式变频器中压：三电平双PWM变压变频器（3～10kV)单元串联多电平变频器“绿色”变频器常压：双PWM变压变频器28电

磁

兼

容

性——EMC

(ElectromagneticCompatibility)

在有限的空间、时间和频谱的范围内，各种电气设备能够共存，而没有引起性能下降的相互干扰。电磁兼容性——EMC

(Electromagneti29

EMC=EMI+EMS

EMI(ElectromagneticInterference)——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。EMS(ElectromagneticSusceptibility)——电气产品具有抵抗外界电磁干扰的能力。

EMC=EMI+EMS

EMI(Electromag30EMI传导（谐波、脉冲电压、电流脉冲）辐射（近场、远场）

EMI传导（谐波、脉冲电压、电流脉冲）31电磁干扰抑制技术

差模和共模干扰抑制

PCB板结构的优化

干扰反相消除随机PWM电磁干扰抑制技术差模和共模干扰抑制32产品设计前，研究电磁干扰的机理，建立各种电力电子器件和变换器电路的高频模型，以便进行仿真。样机制成后，完善EMI测试,保证产品的电磁兼容性。产品设计前，研究电磁干扰33传动技术发展趋势智能型传动控制系統Chip－IPMHYBRIDIPMIPEMASIPMWire-Link电缆Optical-FibreLink光缆FieldBus现场总线V/FControlAuto-Tuning自整定Sensor-lessControl无传感器控制Field-OrientedControl磁场定向控制Self-Diagnosis自诊断传动技术发展趋势Chip－IPMHYBRIDIPMIPEMA34高性能传动控制技术的演变

19932000

20052010

通用传动控制技术高性能传动

与一体化控制技術智能控制与電力電子系统集成智能控制与电力电子系统集成高性能传动控制技术的演变35(三）电力系统中

电力电子技术的应用中国电力系统现状(到2002年底)：发电装机容量达3.53亿kW,其中，水电：8455万kW，火电：2.64亿kW,核电：370万kW,风电：发电量完成16400亿kWh,其中，水电：2710亿kWh，火电：13420亿kWh,核电：250亿kWh风电：

(三）电力系统中

电力电子技术的应用中国电36中国电力系统现状（续１）到2002年底：35kV及以上线路总长度：806500km其中，500kV线路：34939km330kV线路：9723km220kV线路：141889km中国电力系统现状（续１）到2002年底：37中国电力系统现状（续２）已形成7个跨省区域电网：东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝5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）电力体制改革:２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５个发电公司中国电力系统现状（续２）已形成7个跨省区域电网：东北、华北、38中国电力系统现状（续3）“西电东送，南北互供，全国联网”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。中国电力系统现状（续3）“西电东送，南北互供，全国联网”39西电东送的3条通道*南通道：云(南)电、贵(州)电东送广东；*中通道：川电、三峡东送华中、华东；

金沙江水电送华中、华东；*北通道：‘三西(蒙西、山西、陕西)’火电、西北水电送华北、京津唐。到2020年，三条通道西电东送的总容量将超过1亿kW。西电东送的3条通道*南通道：云(南)电、贵(州)电东送广东；40远距离输电、大范围联网

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。远距离输电、大范围联网

的电力系统面临的问题和要求

安全可靠41问题和要求（续）备用设备少。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，避免发电机失步、受电端电压崩溃、异步机停转、线路连锁跳闸、大面积停电。问题和要求（续）备用设备少。42

在电力系统中引入不同类型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问题。在电力系统中引入不同类型43电力系统中的电力电子装置一、远距离高压直流输电二、电力电子补偿控制器三、输电线和电网的有功、无功潮流控制四、电力系统故障后的应急处理控制五、电能的快速存取电力系统中的电力电子装置一、远距离高压直流输电44直流输电(HVDC)的优势

线路造价低，功耗小。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。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），而且更快速灵活，容易进行潮流控制。直流输电(HVDC)的优势

线路造价低，功耗小。45直流输电的优势（续）HVDC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，改善振荡品质。在长距离输电中，直流输电和交流输电比较时有一个“等价经济距离”，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500－700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，等价经济距离将缩短到100公里。直流输电的优势（续）HVDC的快速控制能力可提高相邻交流系统46国内现建直流输电系统葛洲坝－上海1990年±500kV/1.2kA120万kW1045km天生桥－广州2001年±500kV/1.8kA180万kW约1000km三峡-常州2002年±500kV/3kA300万kW约1000km三峡-广州2004年±500kV/3kA300万kW约1000km贵州-广州2004年±500kV/3kA300万kW约1000km国内现建直流输电系统葛洲坝－上海1990年±500kV47电力电子补偿控制器功能：补偿与控制电力系统中的电压、电流、阻抗，用以补偿无功和抑制谐波，从而提高发电、输电、配电等设备的利用率，减少备用设备，使电力系统的运行更经济安全，控制更灵活有效。电力电子补偿控制器功能：补偿与控制电力系统中的电压、电流、阻481.并联电抗补偿控制器①晶闸管投切并联电容器TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)1.并联电抗补偿控制器①晶闸管投切并联电容器TSC(T49②晶闸管投切并联电抗器TSR

(ThyristorSwitchedReactor)③晶闸管控制并联电抗器TCR

(ThyristorControlledReactor)②晶闸管投切并联电抗器TSR(Thyristor502.晶闸管控制并联制动电阻TCBR

(ThyristorControlledBrakingRsistor)

2.晶闸管控制并联制动电阻TCBR

(Thyris513.

静止同步(无功)补偿器SSC或STATCOM(StaticSynchronousCompensator)

或称静止无功发生器SVG(StaticVarGenerator)3.静止同步(无功)补偿器SSC或STATCOM(S524.静止同步发电机SSG(Static

SynchronousGenerator)

实为有直流电源供电的电压型PWM逆变器输出或吸收有功功率P和无功功率Q，P、Q可双向流动。SSG是带储能装置的STATCOM。4.静止同步发电机SSG(Static

535.有源电力滤波器APF

(ActivePowerFilter)

A.并联型电力有源滤波器PAPF（ParallelActivePowerFilter）或谐波电流补偿器HCC（HarmonicCurrentCompensator）B.串联型电力有源滤波器SAPF（SeriesActivePowerFilter）或谐波电压补偿器HVC（HarmonicVoltageCompensator）5.有源电力滤波器APF

(ActivePower54超导磁能储存器SMES

（SuperconductorMegneticEnergyStorage）

或称“超导能量管理系统”SEMS（SuperconductorEnergyManagementSystem)电压型PWM双向（四象限）变流器两象限直流斩波器（T7、T8、D7、D8）超导磁能储存器SMES

（SuperconductorM55静止型快速励磁系统

SES

（StaticExcitationSystem）

快速调控发电机励磁电流，调控发电机电压。静止型快速励磁系统SES

（StaticExcitati56静止同步串联电压补偿器SSSC

（StaticSynchronousSeriesCompensator）静止同步串联电压补偿器SSSC

（StaticSynch57统一潮流控制器UPFC

（UnifiedPowerFlowController）

由一台STATCOM和一台SSSC通过直流侧耦合在一起，构成双变流器电力电子系统，但这时SSSC可产生任意数值和相位的串联补偿电压，而STATCOM可输出任意数值和相位的电压、电流，输出至电网的P、Q大小和方向可控。统一潮流控制器UPFC

（UnifiedPowerF58UPFCUPFC59通用用户电力调节器UCPC

(UniversalCustomPowerConditioner)或统一能量质量调节器UPQC

通用用户电力调节器UCPC

(UniversalCust60小结

1.在交流输电中引入TSSC、TCSC等设备，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，潮流控制、电压控制更灵活，因而形成柔性交流输电系统FACTS(FlexibleA.C.Trans-missionSystem)(1986)，开创了电力电子技术在电力系统中应用的新阶段。小结

1.在交流输电中引入TSSC、TCSC等设备，612.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、直流电力电子系统可以套用一个名词：“柔性电力系统FEPS(FlexibleElectricPowerSystem)”。2.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623.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面积停电事故。3.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63（四）电力电子器件的发展（四）电力电子器件的发展64现已广泛应用的可控器件全控型器件：电力场效应晶体管

(P-MOSFET)绝缘栅双极晶体管(IGBT)半控型器件：晶闸管(SCR，Thyristor)现已广泛应用的可控器件全控型器件：65全控型器件向高压、大电流方向发展提高IGBT的电压等级——3300V，6000V从GTO到IGCT(集成门极换流晶闸管)(IntegratedGate-commutatedThyristor)从IGBT到IEGT(注入增强栅晶体管)(InjectionEnhancedGateTransistor)全控型器件向高压、大电流方向发展提高IGBT的电压等级——366P-MOSFET的特点P-MOSFET属于单极型器件，其优点是:1.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；2.通态电阻具有正温度系数，并联运行时有自均流特性。但其耐压低，当电压在300V以上时通态电阻大，只适于在小功率范围内工作。P-MOSFET的特点P-MOSFET属于单极型器件，其优67P-MOSFET的新进展

1.CoolMOS——通态电阻只有常规MOS管的1/10左右，工作电压可以提高到1200V。2.超低通态电阻MOSFET管——可用于新型汽车电源(36～42V)和计算机电源(1V，甚至更低