第一讲-电力电子技术概述及其在智能电网中的应用简介PPT课件.ppt
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电气工程讲坛电气工程讲坛电力电子技术电力电子技术Power ElectronicsPower Electronics同济大学张文豪第一讲电力电子技术概述及其在智能电网中的应用简介 2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛第一节 电力电子技术概述1 1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术2 2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史3 3 电力电子技术的应用领域电力电子技术的应用领域4 4 习题习题2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1 什么是电力电子技术1.1 1.1 电力电子与信息电子电力电子与信息电子1.2 1.2 两大分支两大分支1.3 1.3 与其他学科的关系与其他学科的关系1.4 1.4 地位和未来地位和未来2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.1 电力电子与信息电子信息电子技术信息电子技术信息电子技术信息电子技术————信息处理信息处理 电子技术一般即指信息 电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包电子技术，广义而言，也包括电力电子技术括电力电子技术模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术————电力变换电力变换 电气工程讲坛电气工程讲坛1.1 电力电子与信息电子电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术————使用电力电子使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术，即应用于电力领域的电子技术。
术IEEEIEEE给出电力电子技术的定义：给出电力电子技术的定义：•Power electronics is the Power electronics is the technology associated with technology associated with the efficient conversion, the efficient conversion, control and conditioning of control and conditioning of electric power by static electric power by static means from its available means from its available input form into the desired input form into the desired electrical output form.electrical output form.•当今世界电力能源的使用约占总能源的40%40%而电能中有而电能中有40%40%需需要经过电力电子设备的变换才能要经过电力电子设备的变换才能被使用。
被使用目前电力电子器件均用半导体制目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件成，故也称电力半导体器件电力电子技术变换的电力电子技术变换的“ “电力电力” ”，，可大到数百可大到数百MWMW甚至甚至GWGW，也可，也可小到数小到数WW甚至甚至mWmW级 电气工程讲坛电气工程讲坛1.2 两大分支 变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术和电力电子系统的技术 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论电力电子技术的核心，理论基础是电路理论 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电电力力电电子子技技术术的的基基础础，，理理论论基基础础是是半半导导体体物理2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.2 两大分支 电力——交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。
电力变换四大类电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类 进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为 变流技术变流技术逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流 输出 输入 变流技术变流技术变流技术变流技术2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 与相关学科的关系电力电子学电力电子学电力电子学电力电子学 (Power (Power Electronics)Electronics)名称名称6060年代出年代出现19741974年，美国的年，美国的W. W. NewellNewell用图用图1 1的倒三角形的倒三角形对电力电子学进行了描对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受述，被全世界普遍接受电力电力电子学电子学电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、离散 电路、器件静止器、旋转电机图1 描述电力电子学的倒三角形 电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 与相关学科的关系都分为都分为器件器件和和应用应用两大分支。
两大分支器件器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术的材料、工艺基本相同，采用微电子技术应用应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；作在放大状态； 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态二者同根同源二者同根同源 与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电 静止无功补偿高压直流输电 静止无功补偿电力机车牵引 交直流电力传动电力机车牵引 交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支一个分支。
与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.3 与相关学科的关系控制理论广泛用于电力电子系统中电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的接口； 控制理论是这种接口的有力纽带电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术 与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛1.4 地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的为未来科学技术的两大支柱两大支柱计算机计算机 人脑人脑 电力电子技术电力电子技术 消化系统和循环系统消化系统和循环系统 电力电子＋运动控制 电力电子＋运动控制 肌肉和四肢肌肉和四肢电力电子技术是电力电子技术是电能变换技术电能变换技术, ,是把是把粗电粗电变为变为精电精电的技术，的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源， 因此，电力电子技术将青春永驻。
因此，电力电子技术将青春永驻 一门崭新的技术，一门崭新的技术，2121世纪仍将以迅猛的速度发展世纪仍将以迅猛的速度发展2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2 电力电子技术的发展史历史是人类社会的一面镜子历史是人类社会的一面镜子 分析过去、现在有助于把握未来 分析过去、现在有助于把握未来科学史是科学家的一面镜子科学史是科学家的一面镜子 了了解解一一门门学学科科的的过过去去、、现现在在有有助助于把握未来于把握未来2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的晶闸管问世，(“公元元年”) IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛电力电子技术发展方向集成化集成化模块化模块化智能化智能化高频化高频化不断提高装置效率不断提高装置效率不断拓展电压应用范围不断拓展电压应用范围2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用一般工业一般工业：： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输交通运输：： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统电力系统：： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源电子装置电源：： 为信息电子装置提供动力为信息电子装置提供动力家用电器家用电器：： “ “节能灯节能灯” ”、变频空调、变频空调其他其他：： UPSUPS、、 航天飞行器、新能源、发电装置航天飞行器、新能源、发电装置2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1 1）一般工业）一般工业2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用2）交通运输）交通运输2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用3））电力系统电力系统SVCSVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用4））电子装置用电源电子装置用电源程控交换机电子装置电子装置微型计算机2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用5 5）家用电器）家用电器2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用6 6）其他）其他大型计算机的UPS航天技术航天技术新型能源2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。
们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术电源技术电源技术电源技术电力电子技术对节省电能有重要意义特别在大型电力电子技术对节省电能有重要意义特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是明电源等方面，因此它也被称为是节能技术节能技术节能技术节能技术2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛4 习 题1. 什么是电力电子技术? 它有几个组成部分? 电力电子技术的基础与核心分别是什么？2. 变流电路有哪几种形式，各自功能是什么？3. 简述电力电子技术的主要应用领域2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛第二节 电力电子技术在智能电网中的应用及原理 1、智能电网的发展概况 2、发电环节 3、输电环节 4、配电环节 5、储能技术 6、结语2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛美国智能电网发展里程碑200120032004ØDOE与NETL合作发起了“现代电网(MGI)”研究,TheModernGridInitiative:aVisionforthemoderngrid.Mar.2007.NETL200520092030ØEPRI开始“Intelligrid”(智能电网）研究Ø布什总统要求美国能源部（DOE）致力于电网现代化，DOE发布“Grid2030”ØDOE启动电网智能化(GridWise）项目之后，研究机构、信息服务商和设备制造商与电力企业合作，纷纷推出自己的智能电网方案和实践Ø奥巴马将智能电网提升为美国国家战略年份年份国外智能电网研究概况国外智能电网研究概况2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛欧洲智能电网发展里程碑Ø成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛”Ø提出智能电网愿景，制定（1）《欧洲未来电网的远景和策略》（2）《战略性研究议程》《战略部署文件》报告20052006各国开展自己的智能电网建设探索,应对21世纪的各种挑战和机遇年份年份国外智能电网研究概况国外智能电网研究概况（（3））The SDDStrategicDeploymentDocument（1）European Smartagrids Technology Platform ：Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future 欧洲智能电网技术平台：欧洲未来电网的远景和策略（2）Strategic Research Agenda for Europes Electricity Network of the future 欧洲未来电网的战略研究议程战略部署文件2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能电网的定义•美国电科院（EPRI）的定义： 由多个自动化的输电和配电系统构成，以协调、有效和可靠的方式运作。
快速响应电力市场和企业需求；利用现代通信技术，实现实时、安全和灵活的信息流，为用户提供可靠、经济的电力服务；具有快速诊断、消除故障的自愈功能2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能电网的定义•欧洲技术论坛的定义： 智能电网集创新工具和技术、产品与服务于一体，利用高级感应、通信和控制技术，为客服的终端装置及设备提供发电、输电和配电一条龙服务，它实现了与客户的双向交换，从而提供更多信息选择、更大的能量输出、更高的需求参与率及能源效率2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能电网的定义•IBM提出的智能电网解决方案： 一是通过传感器提高电力设备的数字化程度；二是建立数据的整合体系和收集体系；三是提高数据分析、优化运行和管理的能力2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能电网的定义§我们对智能电网的定义： 我国坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化为特征，包含电力系统各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛实现智能电网的关键技术实现智能电网的关键技术实现智能电网的关键技术Ø智能计量技术Ø传感与通信技术Ø分析与辅助决策技术 Ø可视化展现与操作2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能电网的构成与作用2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛大功率电力电子技术在智能电网中的应用2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2 电力电子在发电环节的应用•大规模风力发电•太阳能发电•发电厂风机水泵的变频调速2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛• 风力发电原理2.1 风力发电2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2.1 风力发电风力发电原理图2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛双馈感应发电机系统双馈感应发电机系统•双馈风电机组的定子直接接入电网，转子通过部分功率变频器接入电网，根据风力机转速的变化，在转子中通以变频交流的励磁电流，实现发电机组的有功和无功的解耦控制，使风电机组具有变速运行的特性，提高风电机组的风能转换效率。
2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛风轮机直接驱动的同步发电机系统风轮机直接驱动的同步发电机系统•基于永磁同步发电机的变速风电机组通过全功率变频器接入电网，由于变频器的解耦控制，使变速同步风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控制系统和控制策略2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2.2 2.2 太阳光发电太阳光发电•光伏电池是利用某些半导体物质在太阳光的照射条件下，在p型和n型晶结两端产生电动势，将光能直接转化成电能的装置2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛太阳能光伏发电的优点太阳能光伏发电的优点•太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100mile×100mile的巨型光伏电站，所发电力可以满足全美国的用电需要. •太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击.•太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失.•太阳能不用燃料，运行成本很小.•太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单.•太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源.2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛太阳能光伏发电并网系统•光伏发电由光伏阵列、控制器、逆变器、蓄电池组等部分组成。
•光伏阵列所发的电力为直流电，除特殊用电负荷外，均需通过逆变器将直流电变换为交流电•并网光伏发电系统主要以电流源形式并网，其输出电流的相位跟踪电网电压相位变化，同时调整输出电流幅值大小，使光伏发电系统注入电网的功率最大为了弥补光伏发电功率的波动，还需要通过控制器实现蓄电池组的双向充放电控制，以保证向负荷实现平稳供电2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛大规模光伏并网系统2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛2.3 发电厂风机水泵的变频调速•发电厂的厂用电平均为8%，其中风机水泵耗电量约占辅机设备总耗电量的65%，且运行效率低•在发电厂的节能降耗中，主要死采用低压或高压变频器，实现风机水泵的变频调速，可以达到节能30%的效果2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3 电力电子在输电环节的应用2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3.1 高压直流输电（HVDC）•优点：–输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等–远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网•应用•1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3.2 基于电压源换流器（VSC）的柔性直流输电•电压源（Voltage Sourced Converter, VSC) 和柔性直流输电（HVDC）•以VSC和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）技术为基础，采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题，大幅度简化设备，降低电价，可用于孤岛供电、城市配电网增容改造、交流系统间互联和大规模风力发电场并网等。
应用 世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的柔性直流输电工业试验工程于1997年投入运行2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛3.3 柔性交流输电（FACTS）•FACTS概念提出于80年代后期•利用电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平•应用•SVC 通过晶闸管控制电容器组的投切来调节输出无功的大小、设备结构简单、控制方便、成本较低•STATCOM（美国/日本/中国）•TCSC（德国/美国）UPFC（美国）2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛现有的FACTS设备2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛4 电力电子在配电环节的应用•1988年 美国的N.G.Hingorani博士提出“用户电力技术”(Custom Power Technology)，又称为DFCTS2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛DFACTS设备2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛智能万用变压器智能万用变压器（IUT），由多级逆变器组成改善系统运行效益、消除危险的液体介质（变压器油），减小重量尺寸、内置传感器实现远方通讯，远程监控等。
2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛5 储能技术•可再生能源发电大规模接入电网，随机性和波动性对电网调度和安全稳定提出严峻挑战•要求电网具有较强的调节能力，大规模集中式储能技术和V2G等分布式储能技术储能技术已被视为电网运行过程中的重要组成部分系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛大规模储能技术发展现状2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛各种储能技术及应用特点2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛各种储能技术及应用特点2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛V2G技术（Vehicle to Grid）电动汽车——大规模车在电池的分布式储能系统•在电价低廉时充电，当电网需要时将电池中储存的电能反馈给电网•通过实时电价和智能电表来实现智能充放电管理应用我国出台了新能源汽车发展规划，每购置一台电动汽车可以获国家财政3000元补贴。
正在研究充电站系里标准奥运会充电站、世博会充电站、世博园V2G示范项目2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛6 结语•提升电网资源，优化配置能力–FACTS技术在现有设备不做重大改动的条件下可以充分发挥电网的输电能力，有效缓解我国能源和负荷分布不均的矛盾•提高电网安全稳定运行水平–FACTS和DFACTS相对于传统输配电方案具有更快的响应速度、更好的可控性和更强的控制功能，为实现智能输电网的快速、连续、灵活控制提供了最有效的手段•提高清洁能源并网运行控制能力–风力发电和光伏发电并网百年六七具有软并网、软解列、有功与无功解耦控制和电能质量控制等多重功能，大规模集中式储能和V2G式分布式储能为消纳更多的可再生能源提供了保障2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛•提高电网服务能力–保障不同特征电力用户可以可靠接入和方便使用电能，通过低压变流器和低成本储能相结合，实现电能在分布式发电单元和电网之间的双向流动，用户可以低储高卖，获取一定经济效益•城市配电网增容改造–VSC-HVDC采用地埋式电缆，不影响市容，不产生电磁干扰，适合长距离电力传输，可能成为未来城市增容的最佳方案2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛谢谢！祝大家国庆快乐！2021/8/31 电气工程讲坛电气工程讲坛部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！ 。
