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1、,电力电子技术Power 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,第一节 电力电子技术概述,1 什么是电力电子技术2 电力电子技术的发展史3 电力电子技术的应用领域4 习题,1 什么是电力电子技术,1.1 电力电子与信息电子1.2 两大分支1.3 与其他学科的关系1.4 地位和未来,1.1 电力电子与信息电子,信息电子技术信息处理电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。,电力电子技术电力变换,1.1 电力电子与信息电子,电力电子技术使用电力电子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。IEEE给出电力电子技
2、术的定义：Power electronics is the technology associated with the efficient conversion,control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form.,当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。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。电力电子技术变换的“电力”
3、，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。,1.2 两大分支,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 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。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技术的基础，理论基础是半导体物理。,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 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 变流技术。,变流技术,1.3 与相关学科的关系,电力电子学(Power Electro
4、nics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,图1 描述电力电子学的倒三角形,1.3 与相关学科的关系,都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、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。二者同根同源。,与电子学（信息电子学）的关系,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
5、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一个分支。,与电力学（电气工程）的关系,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,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 为未来科学技术的两大支柱。计算机 人脑 电力电子技术 消化系统和循环系统 电力电子运动控制 肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因
6、此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。,2 电力电子技术的发展史,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科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来,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。,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),电力电子技术发展方向,集成化模块化智能化高频化不断提高装置效率不断拓展电压应用范围,3 电力电子技术的应用,一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输
7、电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置,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）一般工业,3 电力电子技术的应用,2）交通运输,3 电力电子技术的应用,3）电力系统,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,3 电力电子技术的应用,4）电子装置用电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,3 电力电子技术的应用,5）家用电器,3 电力电子技术的应用,6）其他,大型计算机的UPS,航天技术,新型能源,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，激发人们
8、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，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。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，因此它也被称为是节能技术。,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。,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,2023/10/26,26,美国智能电
9、网发展里程碑,2001,2003,2004,DOE与 NETL合作发起了“现代电网(MGI)”研究,The Modern Grid Initiative:a Vision for the modern grid.Mar.2007.NETL,2005,2009,2030,EPRI开始“Intelligrid”(智能电网）研究,布什总统要求美国能源部（DOE）致力于电网现代化，DOE发布“Grid 2030”,DOE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,奥巴马将智能电网提升为美国国家战略,年份,2023/10
10、/26,27,欧洲智能电网发展里程碑,成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛”,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,2005,2006,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,（3）The SDDStrategicDeploymentDocument,（1）European Smartagrids Technology Platform：Vision and Strategy for Europes Electricity Networks of the Future 欧洲智能电网技术平台：欧洲未来电
11、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,2023/10/26,28,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。,2023/10/26,29,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
12、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。,2023/10/26,30,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。,2023/10/26,31,智能电网的定义,2023/10/26,32,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
13、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。,实现智能电网的关键技术,实现智能电网的关键技术智能计量技术传感与通信技术分析与辅助决策技术 可视化展现与操作,2023/10/26,33,智能电网的构成与作用,2023/10/26,34,大功率电力电子技术在智能电网中的应用,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,第37页,风力发电原理,2.1 风力发电,2.1 风力发电,风力发电原理图,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
14、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。,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。,2.2 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。,41,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100mil
15、e100mile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.,42,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
16、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。,大规模光伏并网系统,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。,3 电力电子在输电环节的应用,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
17、阀试验工程在瑞典建成。,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。,3.3 柔性交流输电
18、（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）,现有的FACTS设备,4 电力电子在配电环节的应用,1988年 美国的博士提出“用户电力技术”(Custom Power Technology)，又称为DFCTS。,DFACTS设备,智能万用变压器,智能万用变压器（IUT
19、），由多级逆变器组成。,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。,第55页,大规模储能技术发展现状,第56页,各种储能技术及应用特点,第57页,
20、各种储能技术及应用特点,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。,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
21、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,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。,谢谢！祝大家国庆快乐！,
