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《电力电子技术》学习心得


《电力电子技术》关于新能源的利用
通过这学期十几周的学习,我对电力电子学有了简单地了解。采用半导体电力开关器件 构成各种开关电路,按一定的规律,周期性地,实时、适式的控制开关器件的通、断状态, 可以实现电子开关型电力变化和控制。 这种电力电子变换和控制, 被称为电力电子学或电力 电子技术。至于,什么事电力电子,强电与弱电的联系是什么,它有什么用途等等。这些都 将是我们这门课程的需要解决的主要问题和传达给我们的知识和要点, 通过这门课的学习我 们队这些问题都将会有一个比较深刻的理解和学习, 为我们以后的学习和工作都会有一定的 基础积累。这门课程虽说知识考查课,但是它的作用是非同寻常的,它帮助我们学习弱电的 学生们更好的理解和掌握我们本专业所需要学习和掌握的主要知识, 同时它又帮助我们加深 我们专业与强电专业的差别以及联系, 让我们在看到两种之间的差别的同时又让我们明白两 者之间的联系和交叉。 为我们的知识盲区划清界限, 同时也为我们的专业寻找了另一个出路 和用途为我们以后的学习方向和工作提供了一定的方向和出路。 所以说这门课程所提供我们 的不仅仅知识课本上的那一点点知识要点, 更可贵的事它为我们提供了许多我们在自己专业 上以及以后工作的道路上的方向。它就像一盏指明灯一样,虽只是星星点灯,但它却为我们 的前进方向指明了航行的方向, 起到的作用是非常巨大的。 这也就是为什么说虽说它只是一 门考查课但却非常重要的课程。 如今,关于电力电子有关新能源的利用的话题越来越热烈,有关新能源的利用有很大的 前景和客观的效益。 世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构 将逐步转变为以资源无限,清洁干净的可再生能源为主的多样性,复合型的能源结构。太阳 能作为一种新兴的绿色能源,以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点,正得到迅 速的推广应用。 随着太阳能光伏发电应用的发展, 太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能 源供应,而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外,并网发电逐渐成为太阳能光伏发电 的主要应用领域,太阳能光伏产业已经逐渐形成,并持续高速发展。 目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。 目前的研究主要集中在空间矢量 PWM 技术、 数 字锁相控制技术、数字 DSP 控制技术、最大功率点跟踪和孤岛检出技术,以及综合考虑以上 方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。 国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主, 并网系统则刚刚起步。 目前国内自主研制的并 网逆变器存在有系统运行不稳定,可靠性低的弱点;且保护措施不全,容易引起事故,与建 筑一体化等问题也没有得到很好考虑。 由于太阳能电池只能在白天光照条件下输出能量, 根据负载需要, 系统一般选用铅酸蓄 电池作为储能环节来提供夜间所需电力。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制 器组成。虚线框中部分即为系统控制部分的结构框图,一般由充电电路、放电电路和状态控 制电路 3 部分组成。
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系统各部分容量的选取配合,需要综合考虑成本、效率和可靠性。随着光伏产业的迅速 发展,太阳能电池的价格正在逐步下降,然而它仍是整个系统中最昂贵的部分。它的容量选 取影响着整个系统的成本。相比较而言,蓄电池价格较为低廉,因此可以选取相对较大容量 的蓄电池,尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。另外,在与负载容量配合时,应该考 虑到连续阴天的情况,对系统容量留出一定裕度。 与独立供电的光伏系统相比, 并网系统一般都没有储能环节, 直接由并网逆变器接太阳 能电池和电网。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是,在太阳能电池输出较大范围内变 化时, 能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电 流送入电网。太阳能电池输出的大范围变动,主要原因是白天日照强度的变化,范围在 200W/m2 到 1000W/m2 之间. 通过回顾在这门课程学习到的知识, 我们科一更加清楚的了解它的重要和作用。 在第一 章电力电子变化和控制技术导论的学习中, 我了解了电力电子学科的形成、 四类基本的开关 型电力电子变换电路、 两种基本的控制方式 (相控和脉冲宽度调制控制) 两类应用领域 、 (电 力变换电源和电力补偿控制) ,以及电力电子变换器的基本特性。经过这一章的学习,我对 电力电子变换和控制技术有了一个全貌的认识。 接下来的一章里学习了各类半导体电力开关 器件的基本工作原理和静态特性。然后又学习了直流-直流(DC/DC) ,直流-交流(DC/AC) , 交流-直流(AC/DC) ,交流-交流(AC/AC)四类电力电子变换的工作原理和特性以及电力电 子变换器中的辅助元器件和系统, 还分析了开关器件的开通关断过程和各种缓冲器, 以及电 力电子变换电路的两类典型应用: 多级开关电路组合型交流、 直流电源和电力电子开关型电 力补偿、控制器等。 在这学期的学习中, 我们学习到了许多有用得知识和技巧, 同时我们在老师的指导下还 尝试了多种新的学习方法,例如分组学习并做 PPT 重点总结、自主学习后课堂讲解等,这些 方法都大大的调动了我们课下学习的积极性, 课前的预习也使我们上课时能更好的理解以及 吸收学科知识,更重要的是通过相关实验课的学习和积累加深了我们相关课程和知识的映 像, 也为我们的知识储备加深了更加深的一笔储备, 而且通过实践掌握了这门课的掌握的要 点,更是提升了我们处理和分析的能力,通过自己搭建电路,调试电路以及分析电路的实验 结果为我们进一步掌握电学知识的要点加深了更加有力的知识储备。 太阳能光伏发电是当今备受瞩目的热点之一,光伏产业正以年均增长量 40%的速率发 展。 太阳能光伏发电装置主要有光伏电池模块和逆变器构成。 光伏逆变器按是否采用隔离方 式,可分为工频隔离的光伏逆变器、高频隔离的光伏逆变器和非隔离光伏逆变器。工频变压 器隔离的光伏逆变器是目前较常用的结构, 具有安全性高, 可以防止逆变器输出的直流偏置 电流注入电网,但存在工频变压器体积大、笨重的问题。工频隔离的光伏逆变器效率约在 94%~96%之间。

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高频隔离的光伏逆变器一般通过前级 DC/DC 变换器实现高频隔离,如图 1(a)所示。它 具有高频隔离变压器体积小、 重量轻的特点。 隔离 DC/DC 变换器电路有全桥移相 DC/DC 变换 器,双正激 DC/DC 变换器等。由于引入隔离 DC/DC 变换器,将引起 3-4%效率损耗。高频隔 离的光伏逆变器整体效率在 93-95%。 非隔离的光伏逆变器具有功率密度高、整机效率高的特点。目前,非隔离光伏逆变器 效率已高达 98.8%。非隔离光伏逆变器又可分为单级结构、两级结构。单级结构中,光伏模 块的输出电压必须与电网电压相匹配, 因此单级结构对光伏阵列的额定电压等级有较苛刻的 要求, 但在大功率光伏系统中不成为问题。 两级结构中, 光伏模块的输出首先通过前级 DC/DC 变换器升压,再送入逆变器。两级结构对光伏模块的额定电压等级的要求比较宽松,因此在 小功率光伏系统中较受青睐。 非隔离光伏逆变器越来越得到广泛应用, 在欧洲约占 80%市场, 在日本约占 50%市场。 由于非隔离光伏逆变器中,光伏模块与电网之间没有电气隔离,需特殊考虑安全性问 题。图 2 为一个非隔离并网光伏逆变器示意图。图 2(a)所示,光伏电池硅片与接地框架之 间存在寄生电容。对于单晶体硅光伏电池,寄生电容约为 50~150nF/kWp,对于薄膜光伏电 [5] 池,约为 1μ F/kWp 。图 2(b)为考虑 PV 寄生电容光伏系统模型,Cpv 为光伏模块等效对地 寄生电容。逆变器PWM调制将在 Cpv 两端引起的高频电压,造成地电流。寄生电容 Cpv 的大小与光伏阵列的框架结构有关,光伏电池表面及间距、框架结构、天气条件、湿度、覆 盖于光伏阵列表面的尘埃。地电流对人造成安全隐患,也造成电磁干扰。因此,对于非隔离 光伏逆变并网系统, 需要抑制由光伏模块寄生电容引起的地电流问题。 地电流与光伏阵列输出端电压波动的幅度及频率密切相关, 即与逆变器拓扑及开关策略的 选择有关。地电流抑制有多种方法,主要有采用特殊的并网逆变拓扑和 PWM 调制方法、在交 流侧安装共模电抗器、有源地电流抑制电路。 我们都知道, 随着大功率半导体开关器件的发明和变流电路的进步和发展, 产生了利用 这类器件和电路实现电能变换与控制的技术——电力电子技术。 电力电子技术横跨电力、 电 子和控制三个领域, 是现代电子技术的基础之一, 是弱电子对强电力实现控制的桥梁和纽带, 已被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源和人民生活的各个领域,有着极其广阔的应 用前景,成为电气工程中的基础电子技术。 电力电子的诞生,上世纪五十年代未第一只晶闸管问世,电力电子技术开始登上现代电 气传动技术舞台,以此为基础开发的可控硅整流装置,是电气传动领域的一次革命,使电能 的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代。 这 标志着电力电子的诞生。 第一代电力电子器件,进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的 系列产品,它们是普通晶闸管不能自关断的半控型器件,被称为第一代电力电子器件。 第二代电力电子器件,随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电 子器件在容量和类型等方面得到了很大发展, 是电力电子技术的又一次飞跃, 先后研制出大 功率双极型晶体管(GTR),门极可关断晶闸管(GTO),功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电 力电子器件。

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第三代电力电子器件,以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表,开始向大容量高频率、响 应快、低损耗方向发展。 现代电力电子时代,八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已 经进入现代电力电子时代。 电力电子器件正朝着标准模块化、 智能化、 功率集成的方向发展。 在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。 功率半导体器件是电力电子电路的基础,通过学习掌握了多种电力电子器件的工作原 理、基本特性、主要参数等内容。其中包括功率二极管、大功率晶体管、晶闸管、场效应晶 体管、绝缘栅双极型晶体管等。 整流管是电力电子器件中结构最简单,应用最广泛的一种 器件。目前已形成普通型,快恢复型和肖特基型三大系列产品,电力整流管对改善各种电力 电子电路的性能,降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。 单相整流电路可分为单相半波电路和单相桥式电路。单相整流电流电路比较简单、成本 也低、控制方便,但输出电压波形差,谐波分量较大,使用场合受到限制。 多相整流电路以三相整流电路为主。三相整流电路也可分为三相半波和三相桥式电路。 三相整流电路输出直流电压波形较好,脉动小。因此它应用较广,尤其是三相桥式整流电路 在直流电机拖动系统中得到了广泛应用。多相整流电路通常在大功率整流装置中应用。 按照负载性质又可分为电阻性负载、电感性负载、反电动势负载和电容性负载。 a.阻性负载:负载为电阻时,输出电压波形与电流波形形状相同,移相控制角较大时,输出 电流会出现断续。 b.电感性负载:负载有电感和电阻,以电感为主时,由于电感有维持电流导通的能力,当电 感数值较大时,输出直流电流可连续而且基本保持不变。 c.反电势负载:即负载中有反电势存在。如蓄电池充电为反电势电阻性负载,直流电机拖动 系统为反电势电感性负载。反电势越大,晶闸管导通角越小。 d.电容性负载一般在变频器、不间断电源、开关电源等场合使用。 可控整流电路的工作原理、特性、电压电流波形以及电量间的数量关系与整流电路所带 负载的性质密切相关, 必须根据负载性质的不同分别进行讨论。 然而实际负载的情况是复杂 的,属于单一性质负载的情况是很少,往往是几种性质负载的综合,所以在分析时还要根据 具体情况进行详细区别讨论。在学习整流电路过程中,根据交流电源的电压波形、功率半导 体器件的通断状态和负载的性质,分析电路中各点的电压、电流波形,掌握整流电压和移相 控制的关系。掌握了电路中的电压、电流波形,也就掌握了电路的工作原理。 逆变: 在生产实际中除了需要将交流电转变为大小可调的直流电供给负载外, 常常还要 将直流电转换成交流电,即逆变过程。变流器工作在逆变状态时,如交流侧接至电网上,直 流电将被逆变成与电网同频的交流电并反馈回电网,因为电网有源,则称为有源逆变。有源 逆变是整流电路在特定条件下的工作状态, 其分析方法与整流状态时相同, 在直流电机拖动 系统中可通过有源逆变将直流电机的能量传送到电网。
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当前,电力电子作为节能、 自动化、 智能化、 机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、 硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。现代电力电子技术的发展方向,是从以低频 技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转 变。 电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺改进, 已成为世界各国工业自动化控制和 机电一体化领域竞争最激烈的阵地, 各个发达国家均在这一领域注入极大的人力, 物力和财 力,使之进入高科技行业, 就电力电子技术的理论研究而言,目前日本、美国及法国、 荷兰、 丹麦等西欧国家可以说是齐头并进, 在这些国家先进的电力电子技术不断开发完善, 促进电 力电子技术向着高频化迈进,实现用电设备的高效节能,为真正实现工控设备的小型化,轻 量化, 智能化奠定了重要的技术基础, 也为电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。 而我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比, 仍有较大的差距, 要发 展和创新我国电力电子技术,并形成产业化规模,就必须走有中国特色的产学创新之路,即 牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路 本人对这门课程开始就是心怀重视态度对待它, 奈何一看教学模式竟然是考查, 然后又 见到旁边那么多的同学都是采取消极的态度, 所以本人的态度也是一落千丈, 至此就是心情 好时就听老师讲, 心情不好抑或是有其他比较有趣的事情的时候就干自己的事情去了, 虽然 偶尔也会忌惮于老师的发威而艰难的将眼睛往黑板上挪, 但心中始终想的是自己的事情 (呵 呵,在此对老师说句 sorry) ,好了,废话不扯了,还是说正事吧,以下就是我本人对电力 电子的一些想法和理解以及从网上了解的相关应用, 当然这些仅仅只是从我听了课的那几次 课来介绍,其他没有介绍的请见谅(原因就不多说了哈)。 首先解释一下,什么是电力电子技术。书本上如是说:电力电子技术就是应用于电力领 域的电子技术。 我理解是, 就是强电模块的电力和弱电模块的电子相结合从而形成的一门新 兴技术,主要是由电力学,电子学以及控制理论三个学科相互交叉相互补充而成的,已经成 为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课程 (可惜, 本校由于课程改革竟然 把本课程放到大四来开, 而且还是考查, 这就导致本校学生对电力电子技术这门课程的不重 视以及对相关技术术语的迷茫不懂,这是一个亟待改进的问题) 。然后就是介绍一些相关的 但是比较重要的电力电子器件。首先是种类:其中器件的典型代表就是晶闸管,谈到晶闸管 必须讨论一下这原件的两个主要功能:整流和续流。 我只介绍关于整流方面的相关类容(原因就不多说哈) 。经过我的听课,整流电路是电 路中保证稳定的一个必要因素, 也是不可缺少的因素, 由于可控元件的不同导致导通角和关 断角都会不一样,至于工作原理,波形以及管压降就请自行查阅相关书本。整流电路中存在 几种特殊的状态依次是:逆变(有源/无源) ;整流以及无环流(可能由于对术语不熟悉的原 因,某些字不是很精确,请见谅) 。整流电路又可以分为几种类型分别是:单相半波整流电 路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流、电路三相半波可 控整流电路、三相桥式全控整流电路 ,其中整流电路的负载又有以下三种:电阻、阻感、
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反电势。 下面仅仅附上最简单的单相半波可控整流电路的电路原理图, 其他相关波形请查阅 书本。 除了整流电路之外,比较重要的电力电子概念就是斩波电路,斩波,顾名思义就是将波 形斩断,做到输出可调,其中的直流斩波电路又有升压和降压两种。牵涉到的相关参数有平 均电压、电流的计算、占空比等等。本课程中对于复合/多重多相斩波电路不作要求。整流 电路和斩波电路之外还有逆变电路。 所谓逆变电路就是将直流转变为交流的相关电路, 同时 要区别无源逆变电路和有源逆变电路的异同点,逆变电路的基本工作原理、主要用途、换流 方式具体细节参照书本,逆变电路中可以分为电压型逆变电路、电流型逆变电路。具体电路 图由于篇幅限制不在此介绍。当然对于某个电路我们要能够区别这是整流电路还是逆变电 路,关键就是看电流是有直流变为交流还是由交流变为直流,前者我们称为逆变,后者称为 整流。 谈完这些,最后不能落下的就是 PWM 控制技术,由于本人对这个不是很了解,一下只是 简单介绍一下相关事情,PWM 控制的基本原理是面积等效原理,而 SPWM 波形——脉冲宽度 按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。PWM 控制方法有计算法、调制法 和跟踪法等 三种方法。当然我们也必须知道单极性和双极性 PWM 调制有什么区别以及了解特定谐波消 去法的原理。 以上只是按照书本上的大概内容讲述了一下我所了解到的知识点, 下面我将主要从电力 电子技术在各个领域尤其是电力系统领域的应用,当然,限于本人的水平,我只能粗浅的谈 谈大致的应用,详细的以及相关原理应用请读者自行查询相关书籍。 异步电机变频调速系统、 混合动力汽车、 不间断电源(UPS) 、电池充电器、 感应加热炉、 变速恒频风力发电等相关设备都是应用了有关的电力电子技术, 而电力电子在电力系统中的 应用则是可以细分很多方面,简单的说光伏发电接口超导储能、有源电力滤波器(APF) 、静 止无功补偿 (SVC)静止无功发生器 、 (SVG)高压直流输电 、 (HVDC)灵活交流输电系统 、 (FACTS) , 由于本人在本学期同时选修了电力系统经济技术讲座, 在这课程当中, 老师着重介绍的柔性 发电技术同样是电力电子技术的重要应用方面。比如说高压直流输电(HVDC) 、静止无功补 偿 (SVC) 静止无功发生器 、 (SVG) 有源电力滤波器 、 (APF) 晶闸管控制串联电容装置 、 (TCSC、 CSC、ASC) 、次同步振荡阻尼器(SCR) 、晶闸管控制相角调节器(TCPAR、PST) 、静止调相机 (STACON) 、晶闸管控制动态制动器(TCDB) 、统一潮流控制器(UPFC) 。 在这里我们介绍的已经够多了,我的理解,所谓电力电子技术,简单的说就是强电与弱 电的结合,其中既有强电的知识要点,同时也有弱电的许多内容,这门学科是强电与弱电的 最好的结合的事例。 原本强弱电本不分家的, 在这里我们可以清楚的看到强电与弱电的相互 联系,对比分析以及两者之间的差别,正所谓万事万物本都相互联系,没有什么事物是绝对 的独立的。 通过学习这门课程, 教会我们在对待任何事物的时候都应该怀抱一个发散及联想 的思维模式, 学会去看待不同事物之间的差别以及联系对我们发现事物的本质和掌握更深的 知识有着非常重要的作用和效果。
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从 1957 年第一台风力发电装置产生到现在,风力发电系统已经从传统的恒速恒频风力 发电系统发展到现在的变速恒频风力发电系统, 出现的主要结构如图 3 所示。 基于普通异步 电机的恒速恒频风力发电系统,其结构简单,设计成熟,在现在的风电场上还广泛应用,但 需额外安装无功补偿装置,存在机械应力大等缺点。变速恒频结构类型,基于调节绕线电机 转子侧电阻来实现小范围转速的调节,其调速范围是同步转速以上 0-10%。现在风电场的主 流机型变速恒频双馈风力发电系统。 该系统转子侧通过变流器与电网相连, 变流器容量为发 电容量的 30%,定子侧直接与电网相连。定子和转子都可以向电网输送能量。可以工作在同 步转速的±30%的范围之内。在并网发电时都能够实现最大功率点跟踪控制,有效的提高了 风能利用率。 同时能够对定子侧的有功功率和无功功率实现独立控制, 在电网产生电压跌落 故障时可以给电网提供无功支撑。 变速恒频直驱风力发电系统, 代表了风力发电系统未来的 发展方向, 这种结构显著的优点是可以简化齿轮箱或者取消齿轮箱, 因此能够显著减少机械 故障。也可以方便实现无功支撑。过去,电网故障时一般采取风力发电装置脱离电网进行保 护的方案, 但随着风电发电容量的比重日益增长, 这种处理方法可能造成电力系统故障的扩 大,危害电力系统的安全运行。针对这种情况,德国、丹麦等一些风电发展成熟的国家都出 台了风电并网的规范,要求风力发电装置在电网电压跌落时,具有电网无功支撑功能,即低 电压穿越(LVRT)。图 4 为德国 E-ON 低电压穿越的要求,阴影部分为要求提供无功支撑,而 且每跌落 1%电网电压,需要提供额定电流 2%的无功电流,直到提供 100%无功电流。ABB、 GE 等制造的双馈变流器具备低电压穿越功能。 随着近期国家新能源振兴规划的提出, 风电装机容量在未来将大幅度增长, 将在全国电 力容量中占有可观的比重, 因此我国也必要制定风电低电压穿越规范。 低电压穿越技术的研 究开发已引起国内同行的重视。 在整个双馈风力发电中, 从电力电子领域提高整机效率的环节主要有两个方面: 通过对 双馈电机的优化控制,减小电机的损耗,进而实现整体效率的提高;通过对变流器结构的优 化选择, 使用高效率的变流器拓扑结构来提高整机的效率。 目前风电大功率变流器装置中一 般采用比较成熟的两电平六开关背靠背变流器, 通过研究多电平技术和软开关技术在提高变 流器效率方面也有很重要的意义。 目前风电装置主流采用 690V 等级,该电压等级严重落后风电装置的大容化的快速发展 的步伐。造成电缆的材料耗费、损耗的增加。图 5 是采用三电平 BTB 变流器 5MW 风电装置。 最后我再次也希望通过这篇总结来表达自己对知道老师的感谢之情,谢谢您的不懈努 力和耐心指导, 才使得我再这次的实验过程中收获的这么多, 也正式您的不吝教诲才使得我 们在这次实验中学习和收获了许多的有用的知识和技巧, 我相信在以后的学习或者工作中一 定有其用武之地。过多的感谢无以言表,万分感激,至此敬礼!

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