68411-电力电子技术 第12章_电力电子应用.pptx

0电力电子技术 Power Electronics电气精品教材丛书“十三五”江苏省高等学校重点教材工业和信息化部“十四五”规划教材第12章 电力电子技术的应用2023/12/162023/12/16南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/161目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.1.1 交流变频调速系统 12.1.2 感应加热电源 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/163交流变频调速系统交流变频调速系统电力传动系统的调速n基于晶闸管的直流调速系统n 需要定期检修维护。n电动机的转速和容量也受到换向能力的限制。n换向火花问题使其对安装和使用环境也提出了一定的要求。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164交流变频调速系统交流变频调速系统电力传动系统的调速n交流调速系统n 不仅克服了直流调速系统的缺点，而且在调速精度、范围和速度等性能指标方面可以媲美甚至超越直流调速系统。交流电机转速控制改变电机极对数改变供电电源频率（变频调速）改变转差率南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/165交流变频调速系统交流变频调速系统交流调速系统n变频调速n 结构简单、成本低，但交流侧功率因数较低。n 工程中需要在中间直流母线上并联一个泵升电压限制电路采用不控整流的变频器前级 二极管不控整流电路后级 三相桥式逆变器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/166交流变频调速系统交流变频调速系统交流调速系统n变频调速n 具备输入功率因数校正功能，可有效减小变频器对电源系统的谐波影响。n 能将负载再生能量回馈至交流电源，实现电动机的四象限运行。采用PWM整流的变频器前级 PWM整流电路后级 三相桥式逆变器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/167 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.1.1 交流变频调速系统 12.1.2 感应加热电源 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/168感应加热电源感应加热电源感应加热系统n基本原理感应加热原理图交流电源高频交流电直流电整流电路逆变电路感应线圈传输南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/169感应加热电源感应加热电源感应加热系统n感应加热电源拓扑I在负载侧添加补偿电容，构成谐振回路，对无功分量进行补偿。串联谐振式全桥逆变电路及其理想输出电压电流波形负载谐振回路串联谐振式并联谐振式电压型逆变器电流型逆变器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1610感应加热电源感应加热电源感应加热系统n感应加热电源拓扑II负载谐振回路串联谐振式并联谐振式电压型逆变器电流型逆变器并联谐振式全桥逆变电路及其理想输出电压电流波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1611目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1612 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.2.1 高压直流输电 12.2.2 静止无功补偿 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1613高压直流输电高压直流输电n概要介绍 将三相交流电通过晶闸管相控整流器或者PWM整流器转换成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端并通过DC-AC逆变器重新转换成交流电的输电方式。换流器晶闸管换流器全控器件换流器电网换相换流器LCC南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1614高压直流输电高压直流输电nLCC-HVDC系统典型结构n LCC-HVDC系统的典型结构：送端换流站、受端换流站、直流输电线、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、无功补偿装置及控制保护设备等组成。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1615电力电子器件技术的成熟带动输电技术的发展n电压源型换流器的柔性直流输电技术基于电压源型换流器的柔性直流输电（Voltage Source Converter based HVDC，VSC-HVDC）技术已开始广泛应用于新能源并网及远距离输电等领域。采用了可关断功率半导体器件和高频调制技术。高压直流输电高压直流输电南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1616高压直流输电高压直流输电n电压源型换流器的柔性直流输电技术具有很多优点：没有无功补偿问题；不存在换相失败问题；可以为无源系统供电；可同时独立调节有功功率和无功功率；谐波含量低；适合构成多端直流系统等。VSC-HVDC基本结构图存在设备成本高、容量相对较小、损耗相对偏高等不足南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1617 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.2.1 高压直流输电 12.2.2 静止无功补偿 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1618静止无功补偿静止无功补偿静止无功发生器（SVG）n工作原理In 用于抑制公共连结点不平衡电压或提升新能源发电系统的低电压穿越能力，是无功补偿装置的重要发展方向。三相电压型SVG基本电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1619静止无功补偿静止无功补偿静止无功发生器（SVG）n工作原理IIn 与传统SVC相比，SVG的调节速度更快，运行范围更宽，可以减少补偿电流中的谐波含量。更为重要的是，大大缩减了装置的体积和成本。单相电压型SVG基本电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1620静止无功补偿静止无功补偿静止无功发生器（SVG）n工作原理IIn 通过控制SVG的输出电流，使其超前或者滞后电网电压90，就可以控制SVG所承担的无功功率的性质和大小n 具体实现时，既可以通过控制SVG输出电压的幅值和相位来间接控制输出电流，也可以对输出电流进行直接控制。单相SVG的等效电路及工作原理示意图南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1621目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1622 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.3.1 电动汽车驱动与充电 12.3.2 飞机电源系统 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1623电动汽车驱动与充电电动汽车驱动与充电n结构原理电动汽车核心部件电池组电机电机控制器“三电”系统南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1624电动汽车驱动与充电电动汽车驱动与充电n充电装置n 车载充电机安装在汽车内部，额定功率相对较小，充电速度较慢；n 非车载的直流充电桩额定功率较大，输入电源为三相交流电，输出为直流电，直接接入电动汽车的直流母线，为动力电池充电，充电速度较快。单相车载充电机主电路结构图。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1625 12.3 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3.1 电动汽车驱动与充电 12.3.2 飞机电源系统南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1626飞机电源系统飞机电源系统变频交流电源系统n结构原理飞机电源系统中大量的使用了各类电力电子装置，各类机载电子设备或用电负荷中也会集成大量的专用电力电子变换器。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1627目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1628 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.4.1 光伏发电 12.4.2 风力发电南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1629光伏发电光伏发电n集中式光伏发电系统集中式光伏发电系统将大量的光伏组件先串联到较高的电压等级，再通过二极管并联到一定的容量后通过一台集中式逆变器接入并网。一般用于日照均匀的厂房、荒漠电站、地面电站等大型光伏发电系统中。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1630光伏发电光伏发电n集中式并网逆变器集中式并网逆变器因功率等级较大，功率器件通常采用IGBT，电路拓扑结构通常采用单级式并网逆变电路。电能只经过一级电路变换，效率高，但存在系统抗局部阴影能力差、单个光伏阵列利用率低、维护困难等问题。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1631光伏发电光伏发电n组串式光伏发电系统组串式光伏发电系统基于模块化概念的设计，多片光伏电池组件根据逆变器额定输入电压要求串联成一个组串，通过组串式逆变器接入电网，通常用于光伏建筑或者屋顶电站等中小功率光伏发电系统。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1632光伏发电光伏发电n主功率拓扑通常采用DC-DC与DC-AC串联的两级功率结构，前级DC-DC完成升压变换以及光伏电池的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制，后级DC-AC逆变器则负责中间直流母线电压的控制以及并网逆变。组串式逆变器功率容量一般不超过50kW。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1633 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.4.1 光伏发电 12.4.2 风力发电南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1634风力发电风力发电变速恒频机组n基于双馈感应发电机的风力发电机组n 较低的成本和设计难度，转速较高，点击体积重量小；n 存在大功率高转速场合下需要定期检修，维护工作量大，可靠性受限等不足南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1635风力发电风力发电n基于全功率电力电子变流器的风力发电机组 通常采用多极永磁（或电励磁）同步发电机，系统整体的运行效率和可靠性都显著提高。但也存在发电机体积大、造价高，全功率变流装置成本高等不足。变速恒频机组南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1636目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1637 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.5.1 数据中心供电系统 12.5.2 不间断供电电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1638数据中心供电系统数据中心供电系统n交流供电架构交流电网电压首先要经过一级交流不间断供电电源。该电源需要经过两次电压转换，先将电网的交流电压整流得到中间直流电压，直流电压上挂接储能装置，用于电网掉电时的不间断供电。中间直流电压再经过一级逆变器，输出交流电压。由于电能转换环节较多，转换效率通常在80%以下。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1639数据中心供电系统数据中心供电系统n48V直流供电架构n 整体效率更高，母线电压低，安全性好，且真正实现了不间断供电。n 功率越大，导通损耗也越大，故一般适用于中小功率的场合。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1640数据中心供电系统数据中心供电系统n高压直流供电架构n 高压直流母线架构具有更高的效率。n 国内采用的高压直流母线的电压等级是240V或336V。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1641 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.5.1 数据中心供电系统 12.5.2 不间断供电电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1642n后备式UPS电源n 后备式UPS电源的逆变器并联连接在市电与负载之间，通常作为备用电源使用，其单机输出功率通常在0.252kVA左右。n 结构简单，价格低廉。n 对电网的畸变和干扰无抑制作用，供电间断时间偏长。不间断供电电源不间断供电电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1643n在线互动式UPS电源不间断供电电源不间断供电电源较高的可靠性、较高的转换效率、较低的维护和维修费用。输入市电正常？是整流否逆变给电池充电给负载供电南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1644n在线式UPS电源n 具备三种工作模式状态：1）正常工作模式；2）电池供电模式；3）故障/维修旁路工作模式。n 采用了串行全功率变换结构，因而对电网的畸变和干扰具有很好的抑制作用，其产品具备性能好、电压稳定度与频率稳定度高、功能强、具有热备份和并联冗余功能等优点。不间断供电电源不间断供电电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1645目录目录 12.1 电力电子技术在一般工业生产中的应用 12.2 电力电子技术在电力系统中的应用 12.3 电力电子技术在交通运输中的应用 12.4 电力电子技术在新能源发电中的应用 12.5 电力电子技术在信息技术领域的应用 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1646 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用 12.6.1 LED照明 12.6.2 电子电器电源适配器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1647LEDLED照明照明n概要介绍n 发光二极管（Light Emitting Diode，LED）作为新一代电光源，具有无污染、高可靠、长寿命、节能高效等优势，已被广泛用于照明领域，逐渐取代了白炽灯、荧光灯和高压钠灯等传统用电光源。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1648LEDLED照明照明n两级式结构n 两级式LED电源前级为PFC变换器，后级为DC-DC变换器。前级PFC变换器可以采用Boost、Buck-Boost等电路拓扑n 结构简单、输入电流脉动小，使用较为普遍，适合于对性能要求高、价格不敏感的中大功率应用场合LED照明AC-DC驱动电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1649LEDLED照明照明n单级式结构n 最经典的单级式拓扑是反激电路，在一些无PFC要求的小功率场合使用最为普遍。n 只有一级功率单元，元器件少，结构简单。n 适用于体积要求严格，成本低，性能要求不高的中小功率应用场合。LED照明AC-DC驱动电源南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1650 12.6 电力电子技术在电子电器产品中的应用 12.6.1 LED照明 12.6.2 电子电器电源适配器南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1651n额定功率在75W以下的电源适配器n 单级式AC-DC电源适配器广泛用于75W以下的各类电源适配器，仅靠一级变换电路就实现了输入功率因数校正和输出电压调节的功能，结构上比两级式简单，功率器件数量也少。电子电器电源适配器电子电器电源适配器功率超过75W时效率还满足要求吗?南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1652n额定功率在75W以上的电源适配器n 因此实际产品中，功率超过75W之后更多的会采用两级式结构。两级式结构由前级PFC和后级DC-DC组成，前后级功能相互独立，可以分开进行优化设计电子电器电源适配器电子电器电源适配器n 由于电源适配器通常需要满足全电压范围（85Vac265Vac）输入，较宽的输入电压范围使得变换器的优化设计困难，无源器件的体积重量不易减小，效率上反而会低于两级式结构。南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1653n额定功率在75W以上的电源适配器电子电器电源适配器电子电器电源适配器前级为Boost PFC电路，后级为半桥LLC谐振变换器。对于低压大电流输出场合，为了减小副边二极管的损耗，提高变换效率，常采用同步整流技术，即将二极管用MOSFET代替。两级式电源适配器