电子教程：新能源转换与控制技术第2章电源变换和控制技术基础知识
电力电子技术及应用
电力电子技术及应用第一章电力电子技术的概述电力电子技术是指利用电子器件和电路技术，对电力进行变换、调节、控制和保护等处理的技术。
它既是电力系统的重要组成部分，又是电力工业中的核心技术之一。
电力电子技术是将电力与电子技术相结合的交叉学科，是研究电力驱动及其控制、电力变换及其调节等基础理论和应用技术，其主要应用领域包括电力系统、电力驱动、能量转换、新能源等。
第二章电力电子技术的基本理论电力电子技术的基本理论包括电力电子器件、电力电子电路、电力控制、电力调节等方面。
1. 电力电子器件电力电子器件是电力电路中的基础元件，包括晶闸管、功率晶体管、MOSFET管、IGBT管和二极管等。
其中晶闸管是最早被应用的电力电子器件，其功率比较大，但开关速度慢，一般用于直流电路中；功率晶体管、MOSFET管、IGBT管在开关速度和功率特性方面都得到了较大的提高，广泛应用于交流电路。
2. 电力电子电路电力电子电路是利用电力电子器件构成的一种特殊电路，主要包括直流-直流电路、直流-交流电路和交流-交流电路等。
直流-直流电路主要用于直流电源的升压、降压、变换和稳压等，是各种电力变换电路的核心部分；直流-交流电路主要用于交流电源的变换和调节，是各种交流电力驱动和照明装置的核心部分；交流-交流电路主要用于交流电动机的调速等。
3. 电力控制电力控制是指利用控制电路实现电力电子器件与电路的开关控制、脉宽调制、相位控制等，从而实现电力的调节和控制。
电力控制系统包括开关电源、逆变电源、直流调速、交流调速等，而控制策略主要包括脉宽调制、空间矢量调制等。
4. 电力调节电力调节是指通过电力电子技术对电力进行调节和变换。
其主要应用在变频调速、交流稳压、电动车充电等领域。
电力调节系统一般包括电源、滤波器、逆变器、负载等组成。
第三章电力电子技术的应用1. 电力系统电力电子技术在电力系统中广泛应用，主要包括无功补偿、市电汇流、直流输电等。
其中无功补偿系统是减小交流系统无功功率流的有效措施，可以提高电网的稳定性和可靠性，提高电力的使用率。
新能源电源变换技术 第1章 电力电子电源中的功率器件
内容
电力电子电源中的功率器件 ＤＣ－ＤＣ 变换器原理及应用 软开关技术 三相 ＡＣ－ＤＣ 整流电路及控制算法 逆变电源原理及应用
第一章 电力电子电源中的功率器件 功率电子器件概述 常见的功率开关器件 功率器件的驱动电路
1.1 功率电子器件概述
功率电子器件的发展方向：
电容效应：势垒电容、扩散电容
反向恢复特性：二极管在关断时刻，由于少数载流子存储效应，正向导通电流
IF不能立即消失，在短时间内存在反向（即由阴极到阳极）电流，这个时间称 作反向恢复时间。根据反向恢复时间的大小，可分为：普通二极管(trr较大， 适用于低频场合，如1kHz整流电路)；快速恢复二极管(trr < 5us，适用于高频 整流/斩波和逆变电路)；肖特基二极管(适用于50V以下低压高频型器件).
（3）高频功率器件： 如 MOSFET、快恢复二极管、肖特基二极管、SIT等
按导电载波的粒子
（1）多子器件： 如 MOSFET、肖特基二极管、SIT、JFET 等
（2）少子器件： 如 IGBT、 GTR、 GTO、快恢复二极管等
按是否可控
半控型：晶闸管
功率器件
门极可关断晶闸管(GTO)
全控型
双极性功率晶体管
1.3.2 隔离驱动电路
MOSFET及IGBT的驱动电路绝大部分采用光耦隔离。
开通过程的时间为零
关断过程的时间为零
1.1.2 开关器件的分类
按制作材料：Si功率器件、Ga功率器件、GaAs功率器件、SiC功率器件、GaN 功率器件及Diamond功率器件
按工作频率：
（1）低频功率器件： 如可控硅，普通二极管等；
（2）中频功率器件： 如 GTR、 IGBT、IGT/COMFET；
电力电子变换和控制技术(2017版)教学大纲
《电力电子变换和控制技术》课程教学大纲课程代码：060431007课程英文名称：Power Electronics课程总学时：40 讲课：40 实验：上机：0适用专业：电气工程及其自动化专业大纲编写（修订）时间：2017.11一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，是为进入专业课学习做准备的重要必修课程，是培养电力电子技术领域高级工程技术人才的一门主干课程。
本课程的教学目标和任务是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路（包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC）的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验实训技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标。
为发电厂电气部分、交直流调速控制系统、电力系统继电保护等后续课程打好基础。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握常用电力电子器件的性能。
2．掌握整流装置的基本原理、控制方法、设计计算等。
3．掌握逆变装置的基本原理、控制方法、设计计算等。
4．掌握PWM控制的基本原理。
5．掌握基本变流装置的调试方法。
6．了解电力电子技术的发展趋势。
7．为后续专业课打好基础。
8．了解软开关技术（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握常用电力电子器件和典型电力变换一般知识，四大类电力变换的结构特点、性能、控制方法、器件保护、应用等。
2.基本理论和方法：掌握常用电力电子器件的静态和动态特性以及器件参数的定义；掌握整流电路的结构分析以及整流电路的控制方法，主要指相位控制的整流电路；掌握逆变电路的结构分析以及逆变电路的控制方法，包括单相电压型逆变电路和单相电流型逆变电路；掌握斩波电路的结构分析以及斩波电路的控制方法，包括基本降压和升压斩波电路；掌握交流电力控制电路的结构分析以及交流电力控制电路的控制方法，包括交流调压和交流调功以及交流电子开关；掌握PWM控制技术；掌握电力电子器件的驱动和保护方法。
电力电子学_康勇_第1章电力电子变换和控制技术导论
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第 1 章电力电子变换和控制技术导论1 电力电子变换和控制技术导论1.1 电力电子学科的形成1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1.4 开关型电力电子变换器基本特性1.5 开关型电力电子变换器的应用领域课程学习要求1.1 电力电子学科的形成1.电力技术2.电子技术3.电力电子技术1.电力技术✓电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。
✓利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。
2.电子技术✓电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。
✓电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。
✓又称为信息电子技术或信息电子学。
(Power Electronics)3.电力电子技术✓也称为电力电子学。
✓利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。
✓是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。
✓电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲3.电力电子技术(Power Electronics)典型的电力电子系统框图1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义✓为了满足一定的生产工艺和流程的要求，供电电源的电压、频率甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。
✓将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电设备最佳工况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)的电能，再供负载使用，用电设备可以获得更好的技术特性和更大的经济效益。
1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1.电力变换的类型2.交流机组实现电力变换3.利用开关器件实现电力变换的基本原理1.电力变换的类型✓电源可分为两类：直流电（D.C），频率f=0交流电（A.C），频率f 0✓电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。
新能源电源变换技术总结
新能源电源变换技术总结
新能源电源变换技术是近年来电力行业发展的重要领域。
随着环保意识的增强和能源消耗的增加，新能源电源变换技术逐渐成为电力行业的主要研究方向，以满足市场需求和可持续发展的要求。
新能源电源变换技术是指将不同类型的电源转换为适合特定用途的电源的技术。
例如，将太阳能或风能等可再生能源转化为交流电，以供电力系统使用。
新能源电源变换技术的发展，为可再生能源的利用提供了强有力的支持。
新能源电源变换技术的应用范围非常广泛。
不仅可以用于太阳能和风能等可再生能源的利用，还可以用于直流电的变换，以及交流电的变换。
此外，在电动车、航空航天、电子产品等领域，新能源电源变换技术也有着广泛的应用。
第三，新能源电源变换技术的发展趋势是向智能化、高效化、轻量化和可靠性方向发展。
随着科技的不断发展，新能源电源变换技术也在不断地升级和改进。
例如，采用数字信号处理技术，可以提高变换器的控制精度和可靠性。
采用高频开关技术，可以减小变换器的体积和重量，提高变换器的效率。
新能源电源变换技术的发展离不开政策和市场的支持。
政府部门应加大对新能源电源变换技术的投入和支持，鼓励企业加大研发投入，提高技术水平，推动新能源电源变换技术的应用和发展。
同时，市
场需求也是新能源电源变换技术发展的重要推动力，市场需求的增加将促进新能源电源变换技术的应用和发展。
新能源电源变换技术是电力行业发展的重要领域，具有广泛的应用前景和发展潜力。
在未来的发展中，新能源电源变换技术将不断地升级和改进，以适应市场需求和可持续发展的要求。
新能源转换与控制技术
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第1章 新能源转换与控制技术导论
3
2.1 电力电子器件及应用
◆电力电子器件的概念和特征 ◆电力电子器件的分类 ◆ 不可控器件——电力二极管 ◆半控型器件——晶闸管 ◆电力场效应晶体管——电力MOSFET ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT
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第1章 新能源转换与控制技术导论
4
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四大基本变化电路
• AC-DC变换电路 • DC-DC变换电路 • DC-AC变换电路 • AC-AC变换电路
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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2.2 AC—DC变换电路
交流――直流变换器（AC ―DC Converter）的功能是将交流电变换成直流电， 又称为整流器。
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◆电力电子及其特性 ◆电力电子器件的分类 ◆几种典型的电力电子器件
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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电力电子及其特性
• 电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器
件。
• 电力电子器件所具有的主要特征为：
①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。 ②电力电子器件往往工作在开关状态； ③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。
2.1.1电力电子器件的概念和特征
◆电力技术（电力设备、电力网络） ◆ 电子技术（电子器件、电子电路） ◆ 控制技术（连续、离散）
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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《新能源工学基础》课件
、风能、现代生物质能、氢能、地热能、海洋能和小水电等。新 能源是今后最具发展前景的能源。但是开发新能源也会遇到“瓶 颈”，许多新能源在开发过程中遇到了各种困难，要想以新能源 逐步代替传统能源，需要长期探索，还有很长的路要走。
基础知识 光辐射描述及诸参数求解、太阳能发电、太阳
能光伏电站与投资方案设计
风能与风功率、风力发电、风力发电数值仿真 与虚实结合技术
水电站与水轮机、水轮机理论与特性、水电站 水轮机选型、水轮机组选型设计、水轮机的虚 实结合与数值仿真 生物质利用、地源热泵与地源能利用、温差热 电技术与温差热电制冷技术简介、核能利用基 础简介 实验室现场演示实验：流体力学基础、热工学 基础、光伏发电、风力发电、发电设备物联网 及控制等
25/0120/
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电力系统成员及作用
发电厂产生电能。发电有多种方式，如风能、太阳能、化 石燃料、水能、核能等。变电站的任务是汇集电源、变换电压 、分配电能。输电网负责电能输送，电流沿着高压输电线路流 动，将电能输送至各个方向。配电站在电力系统中与用户相连 并向用户分配电能。杆上变压器再次降低电压以供用户使用。 用户群，也可视为电力系统中广大用户使用的各种电气设备。
25/0120/
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可再生能源
按照是否可以再生，能源可以分为可再生及非再生能源。可 再生能源是指在自然界中可以不断得到补充或能在较短周期内再 产生，取之不尽、用之不竭的能源，如太阳能、风能、水能、生 物质能、地热能、海洋能等。煤炭、石油、天然气、核能等，它 们经过亿万年形成而在短期内无法恢复再生，用掉一点便少一点 ，对于这些能源的清洁高效利用显得十分重要，受到重视。
新能源电力变换与控制技术
新能源电力变换与控制技术嘿，咱今儿个就来聊聊这新能源电力变换与控制技术。
你说这电啊，那可真是咱生活中离不开的宝贝呀！就好像是我们身体里流淌的血液一样重要。
新能源电力变换，这可不是什么简单的事儿。
你想想看，那些新能源，像太阳能啦、风能啦，它们可不是那么乖乖听话的，得通过各种技术手段把它们变成我们能直接用的电。
这就好比是把一堆乱七八糟的食材，通过大厨的精心烹饪，变成一道道美味佳肴。
控制技术呢，那就像是个厉害的指挥官。
它得指挥着这些电能乖乖地按照我们的要求去流动，去工作。
要是没有它呀，那电可就像没头苍蝇一样乱撞啦！咱平常家里用的电，可都是经过了一系列复杂的过程才来到我们身边的。
从发电站出来，经过长长的电线，再通过各种变电设备，最后才能进入我们的家里。
这其中的每一步都离不开新能源电力变换与控制技术呀！你说要是没有这些技术，那我们的生活会变成啥样呢？晚上没有明亮的灯光，夏天没有凉爽的空调，冬天没有温暖的暖气。
哎呀，那可真是不敢想象啊！就拿太阳能来说吧，太阳那么大的能量，要是不能好好利用起来，那多可惜呀！通过新能源电力变换技术，我们就能把太阳能变成电能，给我们的生活带来便利。
而且控制技术还能让这些电能更稳定、更安全地为我们服务呢！再想想那些大型的工厂、企业，要是没有先进的新能源电力变换与控制技术，他们的生产效率能高吗？肯定不行呀！所以说，这技术可真是太重要啦！咱国家现在对新能源的发展那可是相当重视的呀！为啥呢？因为这不仅关系到我们每个人的生活，还关系到国家的未来发展呢！有了这些技术，我们就能更好地利用新能源，减少对传统能源的依赖，还能保护环境呢！你看现在马路上跑的那些电动汽车，不也是靠新能源电力变换与控制技术才能跑得那么欢快嘛！这技术让我们的出行变得更加环保、更加便捷。
所以说呀，新能源电力变换与控制技术就是我们生活中的大功臣！我们可得好好珍惜它，让它为我们的生活创造更多的美好。
总之，新能源电力变换与控制技术可太重要啦！它就像是一个神奇的魔法，让我们的生活变得更加丰富多彩。
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VD 1 VD3 VD5
f
VD 1 VD 3 VD 5
负 载
Lf
负 载
Cf
Uo
Uo
VD4 VD 6 VD 2
VD 4 VD 6 VD 2
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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b、晶闸管整流电路――相控整流
表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式
名称 输出电压型 输出电流型
单 相 半 波
VT
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（2）主要参数
漏极电压UDS 漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（10～15V），漏源间的导通电阻。 栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|>20V时将导致绝缘层击穿。 极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂商提供的是漏源极短 路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。 Ciss= CGS+ CGD （2-1） （2-2） Crss=CGD Coss=CDS+CGD （2-3）
Lf
VT
Cf
负 载
Lf
u1
u2
VD
Uo
u1
u2
VD
负 载
Uo
单 相 全 波
VT1
Lf
u1
u21 u22
VD
Cf
负 载
VT 1
Uo
Lf
VT2
u
1
u21 u22
VD
负 载
Uo
VT 2
单相 桥式 半控
VT1 VT3
Lf
VT 1 VT3
VD C f
负 载
Uo
f
u1
u2
VD2 VD 4
u1
u2
VD 2 VD4
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c、PWM整流电路――斩波整流
负 载
Uo
VD2
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续表2-1
单 相 桥 式
Lf VD 1 VD3 Cf VD2 VD 4
负 载
Lf VD1 VD2
负 载
uin
Uo
U in
Uo
VD3
VD4
三 相 半 波
VD1 VD2 VD3 Cf
载
Lf
负
VD1 VD2 Lf
负 载
Uo
VD3
Uo
三 相 桥 式
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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2.1 电力电子器件及应用
◆
电力电子器件的概念和特征 ◆电力电子器件的分类 ◆ 不可控器件——电力二极管 ◆半控型器件——晶闸管 ◆电力场效应晶体管——电力MOSFET ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT
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现代电力电子的应用
◆电力电子变换与控制技术（以四大变换展开） ◆谐波抑制与功率因素校正技术 ◆电力电子技术的典型应用案列
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电力电子变换与控制系统
1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及其组合构成的主电路拓 扑。 2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检 测、保护、驱动等组成。
三相 桥式 半控
VT 1 VT3 VT 5
Cf
f
VT 1 VT3 VT5 Lf
负 载
Uo
C
负 载
Uo
VD4 VD6 VD2
三相 桥式 全控
Cf
负 载
VT1 VT 3 VT5 L f
VT 1 VT 3 VT5 Lf
负 载
Uo
Uo
VT 4 VT 6 VT 2
VT 4VT 6 VT 2
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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a、二极管整流电路――不控整流
表2-1 常用二极管整流器的主要形式
名称 输出电压型 输出电流型
单 相 半 波
VD1
Lf VD 2 Cf
负 载
VD1
Uo
Uin
Lf
负 载
u in
VD 2
Uo
单 相 全 波
Lf
Lf
uin
VD1 VD2
Cf
载
负
VD 1
Uin
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要 有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效 应晶体管(P-MOS)等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第1章 新能源转换与控制技术导论
反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即 转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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2、半控型器件――晶闸管
优点：晶闸管可以承受的 电压、电流在功率半导体 中均为最高，具有价格便 宜、工作可靠的优点，尽 管其开关频率较低，但在 大功率、低频电力电子装 置中仍占主导地位。
VD
负 载
Uo
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续表2-2
单相 桥式 全控
VT1 VT 3
Lf
负 载 Uo
VT 1 VT3
Cf
Lf
u1
u2
u1
u2
VT 2 VT4
VT 2 VT4
负 载
Uo
三 相 半 波
VT1 VT2
Lf
负 载
VT1 VT 2 VT3
Uo
Lf
负 载
VT 3 C f
Uo
◆
电力电子及其特性 ◆电力电子器件的分类 ◆几种典型的电力电子器件
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电力电子及其特性
电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器 件。 电力电子器件所具有的主要特征为：
①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。 ②电力电子器件往往工作在开关状态； ③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。
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4、绝缘栅双极型晶体管――IGBT （1）基本特性：
静态特性与P-MOSFET类似； UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）； UGE足够大（一般为5~15V），IGBT进入导通状态（通态）， 当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC>0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高
图2-2 晶闸管电路符号及伏安（V－A）特性
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第1章 新能源转换与控制技术导论
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（1）基本特性：
电流触发特性：当晶闸管A－K极间承受正向电压时，如果G－K极间流过正向触发电 流，就会使晶闸管导通。 单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导 通。 半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触 发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A－K极间 施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。
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（2）主要参数
额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和 URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。 正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加 在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM） 的 90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。 通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40℃和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。 维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。
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四大基本变化电路
AC-DC变换电路 DC-DC变换电路 DC-AC变换电路 AC-AC变换电路
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2.2 AC—DC变换电路
交流――直流变换器（AC ―DC Converter）的功能是将交流电变换成直流电， 又称为整流器。
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电力电子器件的分类
1、按可控性分类 （1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件 。如：功率二极管 （Power Diode）。
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（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子 器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶闸管等 复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复 阻断。