第十二章：电力电子技术应用实例
电力电子技术
图7.32 电压型交直交系统再生制动时的等值电路
38
电力电子技术 PWM整流器在可再生能源中的应用
– 可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水 力发电等）不可控 ，不能直接并入电网 。
– 太阳能发电并网系统
TD1 TD3 TD5
L C
Salor Array
VDC
Lf
Cf
TD4
TD6
TD2
图7.36 太阳能发电并网系统原理图
18
电力电子技术
其它方面的应用
• 常规电源：不停电电源、开关电源、微机及仪器 仪表电源、航空电源、通信电源等。 • 专用电源：电化学电源、蓄电池充电放电、电子 模拟负载、电解水电源、交流电子稳 压电源、脉冲功率电源等； • 新型能源：如太阳能电池，风力发电等； • 节能： 如利用变频器调节电动机转速
30
电力电子技术
三、整流电路基本工作原理
• 整流——交流到直流的变换
– 不控整流（二极管） – 相控整流（晶闸管） – PWM整流（IGBT）
31
电力电子技术
相控整流电路的一般结构
• 主电路: －交流电源：工频电网或整流变压器
－滤波器：为保证电流连续
－负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等 • 控制电路：模拟控制、数字控制、单片机、DSP
32
电力电子技术
单相桥式全控整流电路
• 工作原理（正半周）
ud
0 π
2 π
－ωt＝：发脉冲，T1T4导通
－ωt＝π：iT1=iT4=Id，T1T4仍然 导通，T2T3承受正电压
Ud
ωt
a
i2
u2 u2
i2 Id
u2
－ωt ＝π＋：T2T3导通，T1T4
电力电子技术第五版课件
PWM控制技术
采用脉宽调制（PWM）技术，通过改变脉冲宽度来控 制输出电压的大小，实现直流电压的连续调节。
直流斩波电路的分类与特点
分类
根据开关管的控制方式不同，直流斩波电 路可分为定频调宽式、定宽调频式和调宽 调频式三种类型。
输出电压稳定
采用PWM控制技术，输出电压稳定度高， 纹波小。
效率高
由于开关管工作在开关状态，导通压降小， 损耗低，因此效率高。
02
柔性交流输电（FACTS）
通过电力电子装置对交流输电系统的电压、电流、功率等参数进行快速、
灵活的控制，提高电力系统的稳定性和可靠性。
03
分布式发电与微电网
利用电力电子技术实现分布式电源的并网、控制和优化运行，构建高效、
可靠的微电网系统。
电力电子技术在交通运输中的应用
电动汽车驱动与控制
01
采用电力电子技术实现电动汽车的高效、安全驱动，提高电动
交流电力电子开关可用于电力系 统的无功补偿。通过控制晶闸管 的导通与关断，可以实现对无功 电流的连续调节，提高电力系统 的功率因数和稳定性。
电力电子技术的应用与案例分
07
析
电力电子技术在电力系统中的应用
01
高压直流输电（HVDC）
利用电力电子技术实现高效、稳定的直流电能传输，减少输电损耗，提
高输电效率。
特点
方波逆变电路简单、成本低，但输出波形质 量差；正弦波逆变电路输出波形质量好，但 成本高、技术复杂；准正弦波逆变电路介于 两者之间，具有一定的性价比。
逆变电路的应用实例
不间断电源（UPS） 在市电停电或电压不稳定时，UPS通过逆变电路将蓄电池 的直流电能转换为交流电能，为负载提供稳定的电源供应。
(2024年)电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧 ，提高学生的综合素质和能力。
36
08
电力电子技术应用案例
2024/3/26
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT ）技术、逆变器并网技术 、孤岛检测与保护技术等 。
2024/3/26
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/3/26
13
可控整流电路分析与应用
可控整流电路原理
可控整流电路通过控制触发角α的大小，实现对输出电压的调 节。
2024/3/26
可控整流电路应用
可控整流电路广泛应用于直流调速、电力拖动、电解、电镀 等领域。
14
滤波电路原理与设计方法
滤波电路原理
滤波电路是利用电容、电感等元件对交流电的频率特性进行滤波，从而得到平 滑的直流电的电路。
高性能器件选择
选用高性能的功率器件和驱动电路，提高电路的工作频率和可靠性。例如，选用低导通电阻和低栅极电荷的 MOSFET可以降低电路的导通损耗和开关损耗；选用高耐压和高电流的IGBT可以提高电路的带负载能力等 。
系统优化与热设计
对系统进行全面的优化和热设计，确保电路在高负载、高温等恶劣环境下仍能稳定可靠地工作。例如，采用 合理的散热结构和风扇控制策略可以降低电路的工作温度；采用模块化设计可以提高电路的维修性和可扩展 性等。
2024/3/26
功率场效应晶体管（Power MOSFE…
阐述Power MOSFET和IGBT的结构、特点以及在电力电子电路中的 广泛应用。
11
03
整流与滤波技术
2024/3/26
电力电子技术应用与成功案例
电力电子技术的应用范围以及成功事例电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技包含信息电子技术和电力电子技术两大分支。
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术办理问题为主的传统电力电子学 ,向以高频技术办理问题为主的现代电力电子学方向转变。
电力电子技术开端于五十年月末六十年月初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促使了电力电子技术在很多新领域的应用。
八十年月末期和九十年月早期发展起来的、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,表示传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
下文是从电力电子技术的应用范围以及成功事例两个方面来介绍电力电子技术一：电力电子技术的应用范围1.1 电力有源滤波器传统的沟通 -直流 (AC-DC) 变换器在投运时 ,将向电网注入大批的谐波电流 ,惹起谐波消耗和扰乱,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”, 比如 ,不行控整流加电容滤波时 ,网侧三次谐波含量可达 (70~80)%, 网侧功率因数仅有 0.5~0.6 。
电力有源滤波器是一种能够动向克制谐波的新式电力电子装置 ,能战胜传统 LC 滤波器的不足 ,是一种很有发展前程的谐波克制手段。
滤波器由桥式开关功率变换器和详细控制电路构成。
与传统开关电源的差别是 :(l)不单反应输出电压 ,还反应输入均匀电流 ;1.2 不中断电源 (UPS)不中断电源 (UPS) 是计算机、通讯系统以及要求供应不可以中止场合所一定的一种高靠谱、高性能的电源。
沟通市电输入经整流器变为直流,一部分能量给蓄电池组充电 ,另一部分能量经逆变器变为沟通 ,经变换开关送到负载。
为了在逆变器故障时还可以向负载供应能量 ,另一路备用电源经过电源变换开关来实现。
现代 UPS 广泛了采纳脉宽调制技术和功率 M0SFET 、 IGBT 等现代电力电子器件 ,电源的噪声得以降低 ,而效率和靠谱性得以提升。
电力电子技术应用实例MATLAB仿真
目录摘要 (1)关键词 (1)1.引言 (1)2.单相半波可控整流电路 (1)2.1实验目的 (1)2.2实验原理 (1)2.3实验仿真 (2)3.单相桥式全控整流电路 (8)3.1实验目的 (8)3.2实验原理 (8)3.3实验仿真 (9)4.三相半波可控整流电路 (10)4.1实验目的 (10)4.2实验原理 (11)4.3实验仿真 (12)5. 三相半波有源逆变电路 (14)5.1实验目的 (14)5.2实验原理 (14)5.3实验仿真 (15)6.三相桥式半控整流电路 (17)6.1 实验目的 (17)6.2实验原理 (17)`6.3 实验仿真 (17)7.小结 (19)致谢 (19)电力电子技术应用实例的MATLAB 仿真摘 要 本文是用MATLAB/SIMULINK 实现电力电子有关电路的计算机仿真的毕业设计。
论文给出了单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控整流电路的实验原理图、 MATLAB 系统模型图、及仿真结果图。
实验过程和结果都表明：MATLAB 在电力电子有关电路计算机仿真上的应用是十分广泛的。
尤其是电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）使得电力系统的仿真更加方便。
关键词 MATLAB SIMULINK PSB 电力电子相关电路1.引言MATLAB 是由Math Works 公司出版发行的数学计算软件，为了准确建立系统模型和进行仿真分析，Math Works 在MATLAB 中提供了系统模型图形输入与仿真工具一SIMULINK 。
其有两个明显功能：仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所系统的模型，然后可直接对系统仿真。
这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变得十分容易。
[4][2]在1998年，MathWoIks 推出了电力系统仿真的电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）。
电力电子技术的应用(ppt68页).pptx
Ce n] 2U 2
三峡大学电气与新能源学院
(10-9)
10
10.1.2 工作于有源逆变状态时
a 增大方向
增大方向
逆变电流断续时电动机的机械特 性，与整流时十分相似：
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。
纵观控制角 a变化时，机械特性得
变化。
ia
ib
ic
O
wt
图10-1 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形
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4
10.1.1 工作于整流状态时
此时，整流电路直流电压的平衡方程为
U d EM R Id U
（10-1）
式中，
R
RB
RM
3X B
2
。
EM 为电动机的反电动势
RId 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
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2
10.1 晶闸管直流电动机系统·引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
置带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装置的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
率由于内阻不一定相同而稍有差异。
a1<a2<a3
a3
调节a 角，即可调节电动机的转速。 O
Id
图10-2 三相半波电流连续时以
三峡大学电气与新能源学院
电流表示的电动机机械特性
6
10.1.1 工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
电力电子的技术应用与成功案例
电力电子技术的应用范畴以及成功案例电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
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。
电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。
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。
下文是从电力电子技术的应用范畴以及成功案例两个方面来介绍电力电子技术一：电力电子技术的应用范畴1.1 电力有源滤波器传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC 滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。
滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。
与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;1.2 不间断电源(UPS)不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。
交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。
为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。
微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
电力电子技术的实际应用(读书笔记)
电力电子技术的实际应用摘要随着科技的飞速进步，时代的高速发展，电力电子技术作为一个新兴的学科诞生并被迅速应用于电力电子领域中，已在国民经济中发挥着巨大作用，已对输变电系统性能将产生巨大影响。
目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。
电力电子技术是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，其发展在优化电能使用、改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业、扩大电网规模和功能等方面起到了重要作用。
本文将重点介绍电力电子技术在电理网络中的应用。
关键字：电力电子技术、输配电系统、晶闸管、电力网络。
在电气工程领域，电力电子技术作为一个新兴的学科，因其在电力领域中起到的巨大作用，越来越受到重视。
随着晶闸管等电力器件的发明并被应用于电力领域，正式标志着电力电子技术被应用于电力系统，其在全球电力领域的发展中，有着里程碑的意义。
电力电子技术主要应用于电力领域中的电力系统中。
电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
其功能就是产生电能，再经输电系统、变电系统和配电系统将电能供应到用户。
为了实现此功能，电力电子技术的应用起到了举足轻重的作用。
保证了用户能够获得安全、经济、优质的电能。
电力电子技术最初应用到电力领域的历史最早是在20世纪50年代利用不可控器件二极管构成的整流器来替代直流发电机对同步发电机进行励磁调节。
随后出现的利用半控器件晶闸管构成的可控整流器更是为发电机的励磁提供里一个快捷有效的控制手段，从根本上改变了发电机的动态和静态性能，有效的改善了系统的稳定性。
在当前大范围使用的电力系统中，通常都是以固定的电压和频率来向用户提供交流电能的（例如我国使用220V、50Hz的交流电），但是最终的用户需要的电能可能形式会有着各式各样的差别，可能是不同频率的交流电、可能是同频率但电压不同的交流电也可能是直流电等等、如果这些要由普通的常规电力系统器件来完成，例如使用变频器，变压器和整流器等，这就需要大量的此类设备，且还要根据不同用户的要求而使用不同的器件，这是很不经济的，也不可能实现。
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62
图8-3
电阻制动工况简化主电路
1M~4M牵引电动机 ；1L~4L主极绕组；47R~50R制动电阻； 91KC~100KC 线路接触器；83R~84R主接地继电器限流电阻； 127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK 牵引电机隔离开关。
二、 SS4改进型电力机车主电路
71
1、与SS4的主要不同 点：
一、 SS4型电力机车牵引变流器
输出电压波形
用三段桥整流电路实现 四段桥的整流效果，可 以提高功率因数，但由 于整流器的负载为感性 负载，在II←→III段 的开关式转换过程中必 然会引起操作过电压， 加之逻辑转换控制所带 来的系统的复杂性，使 系统的可靠性降低。
绕组
段数
I
1 4
II
III
1 4
IV
控制原理：
将给定的中间环节电压Udc*和实际的中间环节电 压Udc相比较，其误差经过PI调节，得到的输出电流 幅值的指令Io*，Io*与正弦表值相乘，就得到交变的 输出电流指令io*，再将它与实际的输出电流比较后 ，通过电流跟踪控制的方法控制逆变器的四个IGBT 的导通与关断。
* U dc +
P I
独立运行光伏发电系统的结构框图
交流负载
用电网作 为储能单元
太阳电池
逆变器
电网
图8-16 并网型光伏发电系统的结构框图
一个小功率的并网型光伏发电装置实例
（额定功率为200W） 一、主电路
+
L
Uin
C
L
220V/50Hz
-
图8-17
光伏发电并网装置的主电路
二、控制电路框图
a2
D3
70 JZ
T5
11PK
12KM
21PK
22 KM
① 采用三段不等分 半控桥整流电路；
② 采用有级分路磁 场削弱； ③ 采用加馈电阻制 动以提高制动性能。
x2
D4 T1
T6 T3
75 R
1M
M
2M
M
a1 b1 x1
D1
76 R
15 R 14 R
T4 D2 T2
16 R
1L
2L
18 KM 17 KM
目前在市场上后备式和在线式电源同样受到用户的欢迎。
2、按输出波形可分为：方波输出和正弦波输出 3、按功率等级可分为： 小型UPS电源 输出功率： 中型UPS电源 输出功率： 大型UPS电源 输出功率： 输入输出方式
0.5～10 kVA 10～50 kVA
50～300 kVA
大型： 三相输入/三相输出方式 中小型：单相输入/单相输出方式。
39 GK
49 GK
1L
2L
3L
91KC
x5
4L
99 JZ
82
图8-5
机车加馈电阻制动工况简化电路图
1M~4M牵引电动机 ；1L~4L主极绕组；13R~43R制动电阻；91KC~92KC、12KC~22KC 线路接触器； 193R~194R主接地继电器限流电阻；97JD~98JD主接地继电器；19GK~49GK 牵引电机隔离开关，11 ~21PK平波电抗器 。
加馈电阻制动的主要优点是可以扩大制动范围， 在理论上可将最大制动力延伸至速度为零。
§12.2 交流传动互馈试验台
随着对大功率交流传动系统的研究、开发和生产 ，对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流 器控制系统、以至机车的全车控制均需有功率相当 的试验检测设备，也就是说，需要功能齐全、控制 灵活的交流传动试验台。
T 直流发电机 四象 限变 流器 逆变器
～
M ~
交流牵
G _
R
图8-6 “能量消耗式”交流传动试验台
引电机
特点：耗能大； 不能进行恒转矩起动试验； 转速受限制； 配电容量较大。
能量反馈式（株洲电力机车研究所）
直流发电机 T 四象
T M G ~
～
限变 流器
逆变器
M ~
交流牵 引电机
G -
直流电动机
第2转向架
M M
a1 b1 x1
D1
T1
1M ~ 2 M
3M ~ 4 M
13 R
23 R
D2
95GK
T2
T4
72
96GK
195 R
97 JD
193 R
44 R
196 R
194 R
92KC
14 R
24 R
34R
197 C
191R
19 GK
198C 98 JD
192 R
110 V
a5
29 GK
110 V
SG3525——PWM控制器；TMS320F240——数字信号处理器 作用：①对光伏板最大功率点的跟踪(MPPT) ②输出功率的调节
太 阳 电池板 DC/DC 变换器 DC/AC 逆变器 电 感 滤 波 电 网
Uin
SG3525
U in
Ud
on/off
驱 动 电 路
电流电压 检 测
io
TMS320F240
93KC 94KC
b3 x3
1M ~ 4M
M M M M
T2
T4 T5
a2 32
34
1L
2L
3L
4L
14 JZ
a4
13 JZ
x
x2
164
D4
前转向架供电单元
T6
113 GK 114 GK 111 GK 112 GK
x4
161
52
62
后转向架供电单元
3、整流调压电 路：四段经济半 控桥整流电路。
127
DJ
128 DJ
图8-1
110 V SS4型电力机车简化主电路（牵引工况，一单元）
1-受电弓；3-主变压器；4-主断路器；5-主放电器；6-高压互感器； 1M~4M牵引电动机 ；79R~80R负载电阻；1L~4L主极绕组；31~34-过压吸 收电路；91KC~94KC线路接触器；161~164-接地电刷；11JZ~14JZ-主整流 器；127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK牵引电机隔离开关。 17PK~20PK主平波电抗器
I 0*
i 0* + sint
P
+ + us
PWM 生成
PWM 输出
U dc
i0
三角波
图8-20
DSP对逆变器输出电流的控制
六、实验波形
图8-21 逆变器输出端的电压、电流波形 电压 (100V/div)，电流 (1A/div)
§12.4 不停电电源（UPS）
一、不停电电源的用途 电力用户对电网的可靠性及电源质量的要求越来 越高，通讯系统、重要部门的管理系统，连续生产 设备以及中、大型计算机等不允许有3～5ms的供电 中断。 普通电网电压存在的问题
UPS的基本结构是整流充电装置+逆变装置，它由 整流电路、贮能元件、逆变电路和静态开关几个部 分组成。
具有并机式 开关的UPS
基本 UPS
具有静止转换 开关的UPS
三、不停电电源的分类 1、按工作方式可分为：后备式UPS和在线式UPS
后备式UPS：在市电正常时，由市电直接向负载 提供电源。当市电供电中断时，蓄电池才对逆变器 供电并由逆变器对负载提供交流电源。 在线式UPS：平时是由交流电—整流—逆变器方 式对负载提供电源的。只有当逆变器工作不正常时 ，由控制电路发出信号去控制切换开关，转换成市 电供电。当逆变器恢复正常后，UPS又重新切换到 由逆变器对负载供电。
1 4 1 4 1 2
a1
b1
1 4 1 4
b1
x1
a2
x2
1 2 1 2 3 4
整流电压 U d
1 4
1
U d 波形
晶闸管
T3、T4移相，
T1、T2移相
T1、T2移相， T5、T6满开放
T3、T4移相， T1、 T2、T5、T6满开放
T1、T2满开放
控制方式
顺序移相
开关控制
顺序移相
图8-2
不对称四段经济半控桥的控制方式
三种典型的小型UPS电源的主要性能及参数
四、不停电电源需解决的问题 为了实现优质、可靠的要求，UPS需要解决的技术问 题主要有以下几个方面 ： 1、UPS整流器----既有整流功能，又须保持蓄电池 组在额定电平状态，因此又具充电器功能；
2、UPS逆变器----稳频、稳压、低谐波；
3、同步控制----应使逆变器的输出电压与市电或备 用电源 之间保持并联运行的条件，即实现UPS 电源与市电或备用电源相序一致，频率相同， 电压相等或相近；
8、试验机组
整流机组 100kVA PWM整流器两组 二重化运行 输入电压：380V 输出电压：750V/1500V
8、试验机组
变流器两组
容量：500kVA
8、试验机组
牵引电机 JD106S型异步牵引 电机
(200km/h动车组)
额定功率：300kW
8、试验机组
整流器实验波形
变压器原边电压、电流 功率因数近似为1 谐波含量小 突加负载时直流电压、 原边电流
SS4型电力机车牵引
变流器供电系统 一、 SS4型电力机车牵引变流器
1
25kV 50Hz
1、牵引供电方 式：转向架独 立供电方式。 2、牵引电路
51
61
T3
4
5
a1 31 b1 x1 D2 D3 D1 T1
17PK 18PK