现代电力电子技术(研究生课件)

现代电力电子变流技术
第一讲 电力电子技术概论
一、电力电子技术的涵义和任务
电力电子技术的研究范围和研究内容： • 电力电子器件及功率集成电路 • 电力电子变流技术
新型电源 、节能及新能源利用、军用和太空等特种应用中的电力电子 变流技术；电力电子变流器智能化技术；电力电子系统中的控制和计 算机仿真、建模等。
• 电力电子应用技术
超大功率变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力 牵引、舰船推进中的应用；电力电子系统信息与网络化；电力电子系 统故障分析和可靠性；复杂电力电子系统稳定性和适应性等。
• 电力电子系统集成
电力电子模块标准化；单流电路
1、一个开关的变流电路
uAB
A o B
(a )
uR
t
o
t
(b )
(c)
uR
o
t
uAB
o
t
uR
o
t
T
2T
3T
4T
(d)
(e)
(f )
2、单相桥式变流电路
uAB
i
K1 K2
uPQ
t
E
P
o
t
A B
K3 K4
o
uPQ
Q
uAB
o
t
o
(b )
t
(a )
(c)
3、三相桥式变流电路
P
K1 K3 K5
电力电子技术的发展方向 电力电子系统集成、标准化、模块化（包括：变流器的模块化、智能化、 标准化、电力电子芯片系统、多芯片封装模块、电力电子系统集成理论 和集成稳定性等）
三、开关变流的概念
电力电子器件——开关 电力电子电路——开关变流电路 变流原理——通过开关对变换前的电压（或电流）的分段截取，重新 组合为希望的电压（或电流）——分时分段切片组合
• 电力电子变流技术的发展：
电力电子变流技术主要实现四大基本变换： AC/DC、 DC/DC 、 DC/AC 、 AC/AC( 同频、变频） 对电力电子装置的性能追求： 高效、高能量密度、高精度、快速响应、宽调节范围、低谐波失真、 低成本 电力电子变流技术发展的三个阶段： 1、应用二极管、晶闸管，采用不控或半控强迫换流技术； 2、应用自关断器件（GTO、BJT、MOSFET、IGBT等），普遍采用 PWM控制技术； 3、采用软开关，功率因数校正、消除谐波，考虑电磁兼容性、扩大 电压、电流、功率范围，全数字控制。（现代变流技术）
输电：高压直流输电系统（包括海上风力发电岸上轻型高压直流输
电装置等）、灵活交流输电系统（包括静止无功补偿器、静 止无功发生器和潮流调节器等） 配电：有源电力滤波器、静止无功发生器、动态电压补偿器、电力 调节器、电子短路限流保护器等 4、电力牵引和电机驱动 电力传动系统主要由电动机、电源装置、控制系统组成，电源装置 就是电力电子变流器。 5、电源技术 开关电源、UPS电源、工业感应加热电源、直流电源（工业电解、 电镀电源、蓄电池充电电源、直流焊机电源等）、交流电源（交流 稳压电源、交流调压电源、恒压恒频电源）、特种电源（高压电 源、高压脉冲电源） 6、现代国防和前沿科学研究
二、电力电子的发展与展望
电力电子器件的发展： 20世纪50年代晶闸管问世是电力电子技术开始的标志，之后电力电子技术的 发展历史可划分为3个阶段： 1、1950---1960年，摇篮期，电力电子器件的关键技术得以完善。 2、1970---1980年末，成长期，主要电力电子器件（MOSFET、IGBT、GTO 等）迅速发展，基本满足了功率变换对电力电子器件的要求。 3、1990年初至今，成熟期，基于硅材料的电压全控型器件和智能型集成功率 模块技术得以完善和发展。 现代电力电子器件的发展方向： 新的器件结构、宽能带间隙的半导体器件、微电子与功率电子的结合、多芯 片封装智能功率模块。
A B C
K4 K6 K2
uA
o
uB uC
t
Q
(a )
(b )
开关变流电路的开关模式 1、相位控制 2、斩波控制
四、电力电子的主要应用 传统产业：电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等 高新产业：航天、激光、通信、机器人等 能源的高效利用 应用例 1、可再生能源发电 风能、太阳能、生物能、地热能等转化为电能并接入电网时必须 应用电力电子技术进行调整和控制 2、分布式发电 3、电能质量控制 电力电子技术在电力系统中的应用。 发电：发电机励磁装置、电厂用电故障监测及保护装置、串补装 置、风力发电用永磁发电机变频调速装置、超大功率逆变 并网系统
五、目前电力电子技术在我国的发展、应用现状和存在的问题
我国电力电子技术的开发和研究已有50年的历史，已经取得了长足 进步，但与国外先进水平的差距还比较大。特别是关系到国民经济命脉 和国家安全的若干关键领域中的核心技术，差距更大。我国国民经济各 部门虽然引进了不少国外先进技术，且国产化率近70%，但核心技术和 关键部件很少。 各领域所涉及到的关键技术包括： 大功率变流技术； 电力电子及其系统控制技术； 大功率逆变器并网技术； 大功率全控电力电子器件； 电力电子全数字控制技术
• 变流器的电路拓扑 常规的电路结构：单相桥、三相桥等 在研的电路拓扑：应用于各种特定场合的组合拓扑（包括多电平拓扑） • 变流器的控制模式 常规控制模式：PWM、SPWM、SVPWM 针对应用对象的各种控制方法： 交流电机的矢量控制、直接转矩控制 有源滤波的瞬时无功功率理论、单周期控制理论等 现代控制理论（模糊控制、变结构控制、智能控制、神经网络控制 等）的应用 最新研究方向： 电力电子装置分布式系统控制，包括适合电力电子电路控制网络的 专用硬件和软件的研究 未来将受到关注的控制手段：非线性控制、网络控制