《電力電子變流技術(shù)（第二版）》 課件 緒論

電力電子變流技術(shù)（第二版）1緒論2電力電子技術(shù)的應(yīng)用在人們的生活中隨處可見，如調(diào)光臺(tái)燈、變頻空調(diào)、電動(dòng)車以及動(dòng)車組（見圖0-1）等，這些設(shè)備都用到了電力電子技術(shù)。那么，什么是電力電子技術(shù)？主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域呢？圖0-1各種用到電力電子技術(shù)的設(shè)備a）調(diào)光臺(tái)燈b）變頻空調(diào)c）電動(dòng)車d）動(dòng)車組一、電力電子技術(shù)簡介3電力電子技術(shù)是電子技術(shù)的分支，電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)。其中，信息電子技術(shù)主要用于信息處理，包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)；電力電子技術(shù)則主要用于電力領(lǐng)域，包括電力電子器件制造技術(shù)和電力電子變流技術(shù)，如圖0-2所示。本教材主要講授電力電子變流技術(shù)——電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)。圖0-2電子技術(shù)組成一、電力電子技術(shù)簡介4電力電子變流技術(shù)是研究使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，是介于電力、電子和控制之間的交叉學(xué)科，目前已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，在電力、工業(yè)、交通、航空航天等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。電源有直流電和交流電兩種類型。公共電網(wǎng)提供的一般是交流電，蓄電池和干電池等提供的一般是直流電。這些電源往往不能直接滿足用戶的使用要求，而是需要進(jìn)行變換和控制。在電力電子變流技術(shù)中，通常將交流電變直流電稱為整流，將直流電變交流電稱為逆變。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展5電力電子技術(shù)始于20世紀(jì)50年代末至60年代初硅整流器件的出現(xiàn)，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，硅整流器件的出現(xiàn)促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末至90年代初，隨著以電力金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表，集高頻高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)時(shí)代，即從以低頻技術(shù)處理為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展6大功率的工業(yè)用電一般由工頻50Hz的交流發(fā)電機(jī)提供，但是其中大約會(huì)有20%的電能是以直流形式消耗，其中典型的是電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等）和直流傳動(dòng)（軋鋼、造紙等）三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，因此在20世紀(jì)60年代和70年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)應(yīng)用得以大發(fā)展。目前全國許多硅整流器半導(dǎo)體制造廠商都是當(dāng)時(shí)建立的。1.整流器時(shí)代二、電力電子技術(shù)的發(fā)展720世紀(jì)70年代世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了能源危機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是將直流電逆變?yōu)?～100Hz的交流電，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，用晶閘管、電力晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）實(shí)現(xiàn)大功率逆變成為當(dāng)時(shí)電力電子變流技術(shù)的主要應(yīng)用手段。不過，雖然當(dāng)時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限于中低頻范圍內(nèi)。2.逆變器時(shí)代二、電力電子技術(shù)的發(fā)展8進(jìn)入20世紀(jì)80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，集成電路的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型電力電子器件，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。首先是電力MOSFET的問世，促進(jìn)了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后IGBT的出現(xiàn)，又為中大型功率電源向高頻發(fā)展帶來了機(jī)遇。電力MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1995年底，電力MOSFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上各占一半份額，而隨著IGBT的問世，用IGBT取代GTR在電力電子領(lǐng)域已成趨勢(shì)。新型電力電子器件的發(fā)展不僅使交流電機(jī)變頻調(diào)速有了更高的頻率，性能更加完善可靠，同時(shí)也為用電設(shè)備的高效節(jié)能、小型輕量化、機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。3.變頻器時(shí)代三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用9電力電子技術(shù)在工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、新能源、家用電器等各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。1.電力電子技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，隨著電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)相媲美，這也促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)、變頻技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的大量應(yīng)用，甚至逐步取代了直流調(diào)速。例如，電化學(xué)工業(yè)中電鍍、電解大量使用的直流電源，就是采用電力電子技術(shù)獲得的整流電源，如圖0-3所示。圖0-3各種變頻器和電化學(xué)工業(yè)中使用的整流電源實(shí)物外形a）富士變頻器b）電鍍整流機(jī)c）電解制氫電源三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用102.電力電子技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用電力電子技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛。例如，在電氣化鐵道中，電力機(jī)車的直流機(jī)車采用整流裝置、交流機(jī)車采用變頻裝置，尤其在磁懸浮列車中電力電子技術(shù)更是關(guān)鍵技術(shù)，如圖0-4所示。此外，還有航空和航海，飛機(jī)、船舶需要使用各種不同要求的電源，也都離不開電力電子技術(shù)。圖0-4電力機(jī)車和磁懸浮列車實(shí)物外形a）電力機(jī)車b）磁懸浮列車三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用113.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前，在所有能源中，電能約占40%，而電能中60%以上都經(jīng)歷過至少一次電力電子裝置處理，其中55%以上用于電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，20%用于照明。據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測(cè)，今后會(huì)有95%的電能需要經(jīng)過電力電子技術(shù)處理，也就是說工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備，有95%與電力電子技術(shù)有關(guān)。如果電力電子技術(shù)運(yùn)用得好，人類至少可以節(jié)約1/3的能源。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用123.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用直流輸電具有輸電距離遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)性能好、過電壓幅值低、線路損耗小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)距離、大功率輸電，其送電端的整流器和受電端的逆變器都采用了晶閘管變流裝置，如圖0-5a所示。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電系統(tǒng)也是通過大功率電力電子器件構(gòu)成的裝置來控制調(diào)節(jié)交流電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從而進(jìn)一步優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提高交流電力系統(tǒng)線路的輸電能力，以獲得最高的安全度和最低的輸電成本，如圖0-5b所示。圖0-5電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用示例a）高壓直流裝置b）柔性交流輸電三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用134.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（1）在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用風(fēng)能是不能儲(chǔ)存的能源，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，MW級(jí)雙饋式風(fēng)電機(jī)組變流器、MW級(jí)直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組變流器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)等都體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的應(yīng)用。其采用電力電子變流裝置實(shí)現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供無功控制，利用靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）支持交流風(fēng)電輸電的無功補(bǔ)償，在電壓源換流器（VSC）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電直流輸電。正是由于電力電子技術(shù)的應(yīng)用，才實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力電能的儲(chǔ)存與變送，如圖0-6所示。圖0-6風(fēng)力發(fā)電裝置三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用144.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（2）在太陽能發(fā)電中的應(yīng)用太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。目前在太陽能的開發(fā)利用中，使用最多的是太陽能光電技術(shù)、太陽能光熱技術(shù)和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，如圖0-7所示。圖0-7太陽能發(fā)電三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用154.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光電技術(shù)是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在蓄電池中，用電時(shí)，電能在放電控制器控制下釋放出來。目前主流的太陽能電池是硅太陽電池，它分單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池。整個(gè)光電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池負(fù)載和控制器組成。太陽能光熱技術(shù)是利用光學(xué)系統(tǒng)把太陽輻射能聚集起來給水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后通過汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來發(fā)電。與光伏發(fā)電相比，其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行成本低，在溫室大棚和太陽能熱水器等領(lǐng)域運(yùn)用比較廣泛。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用164.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能光伏逆變器把太陽能電池板獲得的原始低壓直流電變換為所需的交流電，然后直接供負(fù)載使用或饋入市電。由于太陽能電池板獲得的電流、電壓和功率大小受很多因素影響并不穩(wěn)定，因此要想獲得可靠能直接使用的電能，必須用電力電子器件對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電進(jìn)行升壓、變換等處理。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用17電力電子技術(shù)廣泛用于各類家用電器，與我們的生活十分貼近，如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、計(jì)算機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等，這些家用電器都利用了電力電子技術(shù)來控制其工作過程。從電力電子技術(shù)的應(yīng)用，我們可以看到，這是一門存在于我們身邊的技術(shù)，同時(shí)也