《智能控制與電力電子》課件

《智能控制與電力電子》本課程將深入探討智能控制和電力電子技術(shù)的融合，介紹電力電子器件、變換器、控制方法以及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。課程簡介課程目標幫助學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的基本原理，了解智能控制在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，并培養(yǎng)學(xué)生解決電力電子系統(tǒng)相關(guān)問題的能力。課程內(nèi)容涵蓋電力電子器件、變換器、控制方法、開關(guān)電源、電機驅(qū)動、可再生能源、電動汽車、HVDC、柔性交流輸電以及未來電力電子技術(shù)發(fā)展方向。學(xué)習(xí)目標1了解電力電子器件的工作原理掌握各種電力電子器件的特性和應(yīng)用，包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。2掌握電力電子變換器的工作原理了解不同類型電力電子變換器的拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法和應(yīng)用場景，例如直流-直流變換器、直流-交流變換器、交流-交流變換器。3掌握智能控制在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用了解智能控制方法在開關(guān)電源、電機驅(qū)動、電力系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，包括PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。4掌握電力電子技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用了解電力電子技術(shù)在可再生能源、電動汽車、HVDC、柔性交流輸電等領(lǐng)域的應(yīng)用場景。課程大綱1電力電子器件概述、二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等2電力電子變換器直流-直流變換器、直流-交流變換器、交流-交流變換器3開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法、應(yīng)用4電機驅(qū)動交流電機、直流電機、步進電機、伺服電機5可再生能源應(yīng)用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統(tǒng)6電動汽車應(yīng)用電機驅(qū)動、電池管理、充電基礎(chǔ)設(shè)施7HVDC技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)、控制方法、應(yīng)用8柔性交流輸電技術(shù)FACTS設(shè)備、無功補償、電壓控制9電力電子前沿技術(shù)新型功率半導(dǎo)體器件、新型變換器拓撲、新型控制算法電力電子器件二極管單向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體器件，用于整流、保護電路、信號處理等。晶閘管可控開關(guān)器件，用于交流電源控制、電機調(diào)速、功率調(diào)節(jié)等。MOSFET電壓控制型場效應(yīng)晶體管，具有快速開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、電機驅(qū)動等。IGBT絕緣柵雙極型晶體管，結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點，具有高電流、高電壓、高效率和快速開關(guān)速度，是目前電力電子應(yīng)用中常用的功率器件。電力電子變換器直流-直流變換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流電壓，用于電源轉(zhuǎn)換、電池充電、電壓調(diào)節(jié)等。直流-交流變換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，用于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車驅(qū)動等。交流-交流變換器將交流電壓轉(zhuǎn)換為不同頻率或電壓的交流電壓，用于電力系統(tǒng)中電壓和頻率控制，以及提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性。變換器運行原理1開關(guān)控制通過開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制電壓和電流。2能量轉(zhuǎn)換通過開關(guān)控制，將能量從一個電路轉(zhuǎn)移到另一個電路。3輸出調(diào)節(jié)通過控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。功率半導(dǎo)體器件二極管單向?qū)?，整流、保護晶閘管可控開關(guān)，交流控制、電機調(diào)速MOSFET電壓控制，開關(guān)電源、電機驅(qū)動IGBT高電流、高電壓，電力電子應(yīng)用開關(guān)電源拓撲1降壓型將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，適用于筆記本電腦、手機等。2升壓型將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓，適用于LED照明、無線充電等。3降壓-升壓型可實現(xiàn)電壓升降，適用于需要靈活電壓轉(zhuǎn)換的場合。4反向型用于隔離輸入和輸出電路，適用于高壓應(yīng)用場景。開關(guān)電源控制方法1PWM控制脈沖寬度調(diào)制，通過控制脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。2數(shù)字控制采用數(shù)字信號處理器(DSP)進行控制，可實現(xiàn)更精確的控制和靈活的調(diào)節(jié)。3反饋控制通過檢測輸出電壓并與參考電壓比較，自動調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通時間，保證輸出電壓穩(wěn)定。交流電機拓撲結(jié)構(gòu)三相異步電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家用電器等領(lǐng)域。同步電機具有高效率、高功率因數(shù)、高精度等特點，應(yīng)用于伺服系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。永磁同步電機具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動汽車、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。交流電機控制策略矢量控制通過控制電機磁場和轉(zhuǎn)子電流，實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能的控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接控制電機的轉(zhuǎn)矩，具有快速響應(yīng)和高效率的特點?；？刂撇捎没？刂品椒?，具有魯棒性強、抗干擾能力強的特點。直流電機系統(tǒng)直流電機結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、汽車、家用電器等領(lǐng)域。直流電機控制通過控制電機的勵磁電流和電樞電流，實現(xiàn)電機速度和轉(zhuǎn)矩的控制。步進電機驅(qū)動伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1控制器接收控制信號，計算控制量，并發(fā)出控制指令。2驅(qū)動器將控制指令轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動信號，驅(qū)動電機。3電機執(zhí)行控制指令，實現(xiàn)機械運動。4位置傳感器反饋實際位置信息，用于閉環(huán)控制。伺服系統(tǒng)控制方法PID控制比例、積分、微分控制，實現(xiàn)精確的跟蹤控制。自適應(yīng)控制根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化，自動調(diào)整控制參數(shù)，提高控制性能。模糊控制利用模糊邏輯，實現(xiàn)對非線性系統(tǒng)的控制。電力電子在可再生能源中的應(yīng)用光伏發(fā)電電力電子變換器用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，并實現(xiàn)并網(wǎng)運行。風(fēng)力發(fā)電電力電子變換器用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并實現(xiàn)并網(wǎng)運行。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1分布式電源包括光伏、風(fēng)力、儲能等。2能量管理系統(tǒng)負責(zé)協(xié)調(diào)各個電源的運行，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。3電力電子變換器實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、并網(wǎng)運行、電壓控制等。4負載包括居民用戶、工業(yè)企業(yè)等。微電網(wǎng)控制策略1中央控制由中央控制器負責(zé)協(xié)調(diào)各個電源和負載。2分布式控制各個電源和負載都具有獨立的控制功能，實現(xiàn)局部優(yōu)化。3混合控制結(jié)合中央控制和分布式控制，實現(xiàn)全局優(yōu)化和局部自治。單相并網(wǎng)逆變器1電壓控制通過控制輸出電壓幅值和相位，實現(xiàn)與電網(wǎng)同步。2電流控制通過控制輸出電流，實現(xiàn)功率控制和無功補償。3保護功能包括過流保護、過壓保護、短路保護等。三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)控制實現(xiàn)與電網(wǎng)同步，并提供無功補償。功率控制控制輸出功率，實現(xiàn)能量傳輸。電力電子在電動汽車中的應(yīng)用電機驅(qū)動系統(tǒng)電力電子變換器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電機。電池管理系統(tǒng)電力電子變換器用于電池充電、放電管理，以及電池安全保護。充電基礎(chǔ)設(shè)施電力電子變換器用于交流充電和直流快充，實現(xiàn)安全可靠的充電。電動機驅(qū)動系統(tǒng)電機控制器接收駕駛員指令，并計算出電機控制信號。電力電子變換器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電機。電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動車輪。電池管理系統(tǒng)電池監(jiān)控監(jiān)控電池組電壓、電流、溫度等參數(shù)，確保電池安全運行。電池均衡均衡電池組中各電池的電量，延長電池壽命。電池保護提供過流保護、過壓保護、過溫保護等，防止電池損壞。充電基礎(chǔ)設(shè)施1交流充電樁使用普通交流電進行充電，充電速度較慢。2直流快充樁使用高壓直流電進行充電，充電速度更快。3無線充電樁通過無線電磁感應(yīng)進行充電，無需連接充電線。電力電子在HVDC中的應(yīng)用HVDC系統(tǒng)利用電力電子技術(shù)，實現(xiàn)直流輸電，提高電力傳輸效率和可靠性。HVDC系統(tǒng)優(yōu)勢輸電損耗低、占地少、環(huán)境影響小、控制靈活等優(yōu)點。HVDC系統(tǒng)拓撲兩端直流輸電最常見的HVDC系統(tǒng)拓撲，用于連接兩個交流電網(wǎng)。多端直流輸電用于連接多個交流電網(wǎng)，提高電網(wǎng)的靈活性和可靠性。HVDC系統(tǒng)控制1電壓控制控制直流電壓，保證直流輸電的穩(wěn)定性。2電流控制控制直流電流，實現(xiàn)功率控制和無功補償。3保護功能包括過流保護、過壓保護、短路保護等，確保系統(tǒng)安全運行。電力電子在柔性交流輸電中的應(yīng)用FACTS設(shè)備利用電力電子技術(shù)，實現(xiàn)對交流輸電系統(tǒng)的控制，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。FACTS設(shè)備功能主要用于電壓控制、無功補償、功率控制等。FACTS設(shè)備分類1靜止無功補償裝置用于補償電網(wǎng)無功功率，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。2動態(tài)無功補償裝置快速調(diào)節(jié)無功功率，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。3靜止同步補償器用于提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。4靜止同步串聯(lián)補償器用于提高系統(tǒng)功率傳輸能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。靜止無功補償裝置1SVC靜止無功補償器，通過控制電容器或電抗器的接入，實現(xiàn)無功功率補償。2STATCOM靜止同步補償器，通過控制電壓源逆變器，實現(xiàn)無功功率補償。3TSC可控串聯(lián)電容器，通過控制電容器的接入，實現(xiàn)無功功率補償。動態(tài)無功補償裝置1FACTS設(shè)備利用電力電子技術(shù)，實現(xiàn)對交流輸電系統(tǒng)的控制，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。2FACTS設(shè)備功能主要用于電壓控制、無功補償、功率控制等。電力電子前沿技術(shù)新型功率半導(dǎo)體器件例如SiC、GaN器件，具有更高的效率、更快的開關(guān)速度和更高的工作溫度。新型變換器拓撲例如多電平變換器，可以實現(xiàn)更高的電壓和更低的諧波失真。新型控制算法例如模型預(yù)測控制、人工智能控制，可以實現(xiàn)更智能的控制和更高效的運行。新型功率半導(dǎo)體器件碳化硅(SiC)具有更高的禁帶寬度、更高的擊穿電壓、更高的熱導(dǎo)率，可以提高器件效率和功率密度。氮化鎵(GaN)具有更高的電子遷移率，可以實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更高的工作頻率。新型變換器拓撲多電平變換器通過多個電平的組合，可以實現(xiàn)更高的電壓和更低的諧波失真。矩陣變換器具有更高的功率密度和更靈活的控制。諧振變換器