电气工程及其自动化电力电子技术在节约能源领域的应用

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1、 A 基础理论 B 应用研究 C 调查报告 D 其他本科生毕业论文（设计）电力电子技术在节约能源领域的应用二级学院：信息科学与技术学院专 业：电气工程及其自动化完成日期：2015年5月24日目录1 绪论11.1 研究背景和意义11.2 电力电子技术简介11.3 主要研究内容12 电力电子技术在电力系统的应用22.1 在发电环节的应用22.1.1 发电厂风机水泵的变频调速22.1.2 太阳能光伏发电控制系统22.1.3 水力和风力发电机的变速恒频励磁32.1.4 对发电机的静止励磁进行控制32.2 在输电环节的应用32.2.1 高压直流输电(HVDC)32.2.2 柔性交流输电(FACTS)42

2、.2.3 静止无功补偿器(SVG)52.2.4 有源电力滤波器62.3 在配电环节的应用72.4 小结83 电力电子技术在家用电器的应用83.1 变频技术的节能应用83.1.1 变频家电的节能原理83.1.2 交流变频调速83.1.3 直流调压调速93.2 开关电源的节能应用93.2.1 开关稳压电源的工作原理93.2.2 开关电源的节能优势103.2.3 开关电源的应用103.3 电力电子技术在照明中的节能应用103.3.1 照明节能综述103.3.2 推广使用节能灯进行节能113.3.3 利用电力电子及传感技术进行采光节能113.3.4 加大LED等节能新光源的研发113.4 电力电子技术

3、在推广绿色照明工程的作用113.5 小结124 电力电子技术在节能环保的应用124.1 电力电子节能的关键技术124.1.1 开关变频技术124.1.2 利用软开关提高电力电子装置的效率134.1.3 高频技术134.1.4 有源功率因数校正技术134.1.5 其他提高能源利用率的技术144.2 电力电子技术在节能中的应用144.3 电力电子技术在环保中的应用154.3.1 风力发电的环保效果154.3.2 太阳能发电的环保效果154.3.3 在其他新能源领域中的环保154.4 电力电子技术的节能的数据比较164.5 小结165 采用变频器实现调速节能175.1 变频器的调速及节能原理175.

4、1.1 变频器的调速原理175.1.2 变频器的节能原理175.2 变频器调速节能估算195.2.1 风机、泵类平方转矩负载的变频调速节能195.2.2 恒转矩负载的调速节能195.2.3 液力耦合器调速系统的节能205.2.4 变频调速节能效益11205.3 小结216 电力电子在风电场中的应用226.1 SVG/SVC装置在风电场的应用226.2 高压直流输电在风电场的应用226.3 电力电子在风电场并网、恒频恒速发电、变速恒频发电的应用226.3.1 在风电并网技术应用226.3.2 在恒频恒速发电系统的应用236.3.3 在变速恒频发电系统的应用236.4 不间断电源(UPS)在风电场

5、的应用246.5 小结247 总结25参考文献26附 录27附录A：某风电场一次电气主接线图27致谢电力电子技术在节约能源领域的应用摘 要: 本文从节约能源的角度出发，介绍了电力电子技术在电力系统、家用电器等领域的应用，阐述变频器和软开关的节能增效作用。通过数据比较，探讨电力电子技术在节能环保方面的应用以及在推广绿色照明工程等方面所起的作用。关键词：节能；绿色照明；电力电子技术；软开关；变频器The Application of Power Electronics Technology in the Area of Energy ConversationAbstract: This paper

6、 is anticipated to present the application of power electronics technology in power systems and household appliances. And to interpret the energy saving synergistic effect of inverter and soft switch. As compared with the data, this paper approaches the effect of the power electronics technology in

7、application of energy conversation and environmental protection as well as the promotion of green lighting engineering.Key Words: energy conversation; green lighting; power electronics technology; soft switch; inverter1 绪论1.1 研究背景和意义如今，能源紧缺已得到越来越多的关注，我国已经出台多项开发利用新能源的政策。在现有技术发展前提下，新能源电力取得了很大的业绩，但是如何使

8、其得到更大范围的应用，还有很多关键技术问题急需解决这就需要电子电力技术的各企业建立起达到世界先进水平的、创新能力强大的电力电子产业，为我国新能源事业的发展保驾护航，为社会经济的发展作出贡献，让科技发挥出服务人类的作用。当前，现代工业能源与电力相结合的越来越密切，电力正以清洁、稳定、利用率高以及适用范围广的众多优点，已在现代工业的各个方面得到广泛利用，电能已是现代工业的动力之源与能量之泉。据相关数据，近几年来，我国的工业用电总量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多发展中国家，工业用电还不够合理，特别是在用电效率低、浪费严重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低电能消耗对于解决能源问题意义重大，

9、而提高电源效率、降低电源消耗的根本途径就是运用现代化电力电子技术来提高效率，优化性能，还节约原材料。电力电子技术对世界的能源安全有着至关重要的作用1。1.2 电力电子技术简介电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，它是一项综合了控制、电力、电子等于一体的技术，它利用大功率电子器件对能量进行高效变换，控制其输出，从而为各种用电设备提供所需要的电源。它的核心是电能形式的转换，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。电能经过电力电子技术处理之后，不仅可以提高效率，优化性能，还节约原材料，因此在节约能源方面，电力电子技术有很大的发挥余

10、地。1.3 主要研究内容本文主要研究电力电子技术在电力系统、家用电器等领域的应用。通过数据比较，探讨电力电子技术如何在节能环保方面的应用。研究电力电子技术在采用软开关技术提高电力电子装置效率；采用变频器实现调速节能；电力电子技术在推广绿色照明工程等方面所起的作用以及电力电子在风电场中的应用。2 电力电子技术在电力系统的应用2.1 在发电环节的应用2.1.1 发电厂风机水泵的变频调速发电厂风机水泵的耗电量占整个发电设备耗电量的一半以上，且其运行的效率非常低。对发电厂风机水泵进行变频调速可以降低其耗电量，从而实现节能。风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负

11、荷状态。采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法，利用变频器内置PID调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的水压、风压，从而满足系统要求的压力。当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为51.2%，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40%，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功耗损2。2.1.2 太阳能光伏发电控制系统图2-1 太阳能光伏并网发电系统太阳能作为一种新能源，它是未来能源结构调整的方向和重要战略方式。大

12、功率太阳能发电，不管是并网还是独立系统，一般都要进行直流电向交流电的转换。因此，太阳能控制系统的核心是电力电子技术中的逆变器。由于太阳能电池仅仅在白天光照条件下才能输出能量，根据负载的需求，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能条件来提供夜间所需要的电力，所以独立供电的太阳能光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。系统控制部分通常由充电电路、放电电路和状态控制电路3部分组成。并网系统通常都没有储能环节，而是直接由并网逆变器接太阳能电池和电网，如图2-1，并网逆变器的基本功能都是一样的，那就是，在太阳能电池输出范围内变化时，能够始终以最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

13、送入电网。2.1.3 水力和风力发电机的变速恒频励磁水头的流量和压力决定了水力发电机的有效功率，机组的转速随着水头的变化幅度发生变化。风力发电的有效功率与风速之间是三次方正比的关系。对机组进行变速运行，可使风力发电获得最大有效功率。此外，对转子励磁电流的频率进行调整，可确保输出频率恒定。水力和风力发电机的变速恒频励磁技术的核心在于变频电源。在风力发电中，大量使用的是永磁直驱发电机和双馈异步发电机。在永磁直驱发电机中，通过大功率的变频器将发电机发出来的电转换成恒频恒压的高压交流电进行并网；在双馈异步发电机中，定子和转子均进行励磁发电，定子发出来的电直接通过35kV变压器并网，转子连接变频器再连接

14、电网。由转速可知，通过转子的机械转速与三相交流电流在转子表面产生的旋转磁场的转速(两者方向可以相同或相反)之和等于电网频率为50Hz的发电机的同步转速，即=，此时在发电机定子绕组中感应出频率为50Hz的交流电，从而实现变速恒频励磁发电。2.1.4 对发电机的静止励磁进行控制静止励磁具有造价低、结构简单和可靠性强等特点，采用的工具与解决方案是晶闸管整流自并励的方式，静止励磁在世界各大电力系统中被广泛应用。电力电子技术对大型发电机的改善，省去了励磁机，从而达到了快速调节的目的，为大型发电机的静止励磁控制创造了有利的条件，并获得了良好的效果1。2.2 在输电环节的应用2.2.1 高压直流输电(HVD

15、C)(1) 原理和典型结构原理：发电厂输出交流电，由变压器(换流变压器)将电压升高后送到晶闸管整流器，由晶闸管整流器将高压交流变为高压直流，经直流输电线路输送到电能的接受端。在受端电能又经过晶闸管逆变器由直流变回交流，再经变压器降压后配送到用户。(2) HVDC优点：高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点，是目前解决高电压大容量、长距离输电和异步联网的重要手段。直流输电架空线路的造价低、损耗小，不存在交流输电的稳定性问题，可以实现额定频率不同的电网的互联，易于实现地下或海底电缆输电，易于进行潮流控制，便于分级分期建设和增容扩建。更有利于系统控制。(3) HVDC节能原理：直流

16、输电线导体没有集肤效应，不受输电线路的感性和容性参数的限制。直流输电工程按照直流联络线可分为单级联络线、双极联络线、同极联络线和背靠背直流输电系统。双极HVDC系统图如图2-2所示。图2-2 双极HVDC 系统2.2.2 柔性交流输电(FACTS)柔性交流输电系统(FACTS )是综合利用现代电力电子技术、微电子技术、通讯技术和现代控制技术对电力系统的潮流和参数进行灵活快速调节控制，增加系统可控度与提高输电容量的交流输电系统。用于配电系统柔性交流输电技术为用户电力技术CPT。柔性交流输电技术是一种用于远距离输电的静态电力电子装置，核心是FACTS控制器。基于FACTS产品包括静止无功补偿器、静

17、止调相机、统一潮流控制器、晶闸管可控串联补偿器、静止快速励磁器等。高压直流输电技术等用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送电的问题。电力电子技术是FACTS和CPT共同的技术基础2。表2-1 FACTS设备的种类及功能设备名称接入方式换流方式主要功能晶闸管控制移相器(TCPR)串联自然功控制、暂态稳定、电压稳定晶闸管控制串联电容器(TCSC)串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流晶闸管控制串联电抗器(TCSR)串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流晶闸管控制制动电阻器(TCBR)并联自然谐波抑制、暂态

18、稳定晶闸管控制电压限制器(TCVL)并联自然无功控制、电压控制、暂态稳定、电压稳定统一潮流控制器(UPFC)串联、并联强迫有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流2.2.3 静止无功补偿器(SVG)(1) 静止无功补偿器(SVG)的工作原理SVG是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。(a) 采用电压型桥式电路 (b) 采用电流型桥式电路图2-3 SVG的电路基本结

19、构图SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。采用电压型桥式电路的SVG如图2-3-a，直流侧采用的是电容，还需再串联上连接电抗器才能并入电网。采用电流型桥式电路的SVG如图2-3-b，直流侧采用的是电感，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器才能并入电网。(2) 静止无功补偿器(SVG)的作用：提高线路输电稳定性；维持受电端电压，加强系统电压稳定性；补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗；抑制电压波动和闪变；抑制三相不平衡(3) 静止无功补偿器(SVG)节能优势：减少线路损耗50%以上。就全国讲，线路损耗约占据12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功线损降

20、低50%60%，一年便可节电500亿度左右。相当于半个三峡工程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且投资极小，见效快。2.2.4 有源电力滤波器图2-4 并联型有源电力滤波器系统构成原理图有源电力滤波器的基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量，抵消谐波电流分量从而是流入电网的电流只含基波分量，其理论基础是瞬时无功功率理论。具有动态响应速度快、补偿功能多样化、补偿特性不受电网阻抗影响等特点，是抑制谐波的一个重要发展方向3。图2-4为其构成原理。有源电力滤波器包含指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个部

21、分，前者用来检测出补偿对象中的谐波和无功电流等分量，后者根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。其电路形式主要采用PWM变流器，图2-5为三相电压型PWM变流器。图2-5 三相电压型PWM 变流器2.3 在配电环节的应用在电力系统的配电网中，使用了电力电子技术去进行质量控制，以用户电力技术和FACTS技术为实现形式，控制配电频率、电压以及谐波等，使配电网能配送出高质量的电能。FACTS技术是通过在配电线路中增设电力电子装置，加强对与电压，电流和功率的可控性，调控电力传输能力的技术。用户电力技术解决的是配电系统中即时发生的需要马上解决的重要问题，主要负责配电系统在配电过程中的安

22、全性和稳定性，用于保证配电输电过程中电力能源的质量。而FACTS技术则更为倾向于配电系统中对于电能的输送能力和有效控制力。FACTS技术和用户电力技术都是针对配电系统开发出的新型电力电子技术，两者的构造和工作原理大致上相同。近些年，FACTS技术和用户电力技术在一定程度上己经逐步同步并合用，其中比较具有代表性的就是定制电力(DFACTS)技术4。表2-2 DFACTS设备的种类及功能设备名称接入方式换流方式主要功能静止无功补偿器(DSVC)并联自然抑制负荷所产生的无功静止同步补偿器(DSTATCOM)并联强迫抑制负荷所产生的高次谐波、不对称、无功和闪边等对系统的影响动态电压恢复器(DVR)串联

23、强迫抑制系统的电压波动、不平衡、高次谐波等对负荷的影响统一电能质量补偿器(UPQC)串联、并联强迫同时具备DSTATCOM和DVR的功能动态转换开关(SSTS)并联自然实现快速无弧投切，避免操作过电固态断路器(SSCB)串联自然实现快速无弧投切，避免操作过电2.4 小结电力电子技术在电力系统中的应用和发展对于电力系统的建设和发展起到了里程碑的作用。随着计算机技术和电力技术的不断发展，电力电子技术也在不断的吸收新的技术不断的发展。电力电子技术在电力系统发电、输电、配电中均有明显的经济效应和技术效应。对于提高电力的生产质量，减少生产成本和配送损耗，实现电力系统的经济效益，有着重要的作用。3 电力电

24、子技术在家用电器的应用3.1 变频技术的节能应用3.1.1 变频家电的节能原理家用电器如微波炉、空调器等，都有一些共同特点，就是它的工作状况要根据条件、环境等的不同不断地调节。传统家电采用的是起停调节的方式，即当系统达到目标(一般指温度)时，电动机便停止工作，随着条件的变化，脱离了目标所允许的范围，电动机又会重新投入工作。这种调节方式虽然简便易行、成本低廉，但频繁起动耗费大量电能。而变频家电采用的是一种连续调节的方式，即通过调节电动机的转速达到上述目的。实现电动机转速的调节方法，目前国内变频家电中使用的是交流变频调速和直流调压调速两种。所谓变频调速，就是通过改变供电电源的频率来改变电动机的转速

25、，以实现节能和提高效率。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系。3.1.2 交流变频调速三相异步电动机的转速与交流电的频率有关，这种电动机是靠定子绕组中三相交流电的相位差形成旋转磁场，并通过电磁感应来带动转子旋转的。而旋转磁场的转速(又称同步转速)n=60f/p，式中，f为交流电的频率，p为旋转磁极的极对数。每种异步电机磁极对数都是固定不变的。因此，只有改变供电频率，才能改变电动机的转速。变频调速的条件是驱动电机必须是三相异步电动机，而家用电源均为单相交流电，不是三相电源，需将单相交流电通过整流滤波变成直流电，然后经逆变器将直流电逆变成可调频的三相交流电源，再来变频

26、调速驱动三相异步电动机。工作过程虽繁琐了点，但由于三相异步电动机特别是鼠笼式三相异步电动机具有结构简单、牢固、制造容易、运行环境不受限制、免维修等优点，加之大功率，可控电子器件以及包括GTO、GTR、IGBT、MOSFET等新型电子器件的开发、改进和完善，还有新一代智能功率模块0的诞生，彻底改变了过去交流电机调速难、调速性能差的状况。目前，许多厂家所生产的变频空调器大都属于这一类5。3.1.3 直流调压调速传统的直流电动机由于电刷与换向器表面的换向片滑动接触，产生机械磨损和电火花，因此，使用一段时间后，换向器表面氧化，光洁度下降，使换向器与电刷之间的接触电阻增大、温升增大、容易损坏，需要经常拆

27、卸保养，很不适合家用电器免维修的准则，尤其不适用于电冰箱、空调器制冷系统。直流永磁无刷电动机是80年代后的新产品，由于用电子换向装置取代了电刷换向器装置，消除了电刷换向器的缺点，因此大大提高了电动机的使用寿命，成为家用直流调速电机的最佳选择。通过以上分析，不难看出，直流调速只经过一次电压转换，所以能源损耗比变频调速小。最近一些技术实力雄厚的制造商正在推出这种家用电器5。3.2 开关电源的节能应用3.2.1 开关稳压电源的工作原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功

28、率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小)功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。 脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。图3-1 开关电源伯特图3.2.2 开关电源的节能优势(1) 体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的2030

29、%。(2) 功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转 化效率高，一般为6070%，而线性电电源只有3040%。3.2.3 开关电源的应用开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等，这些电源功率通常仅有几十W几百W；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几W；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数kW数百kW；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。开关电源还可以

30、用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十一几百kW；在X光机、微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。3.3 电力电子技术在照明中的节能应用3.3.1 照明节能综述电力电子技术有着非常优秀的节能作用，在节约能源、保护全球环境的共识下，世界各国正抓紧实施的“绿色照明工程(Green Lights Program)”给了电力电子技术提供了一个更好的发展机遇和更宽广的发展平台。在世界电力的使用结构中，照明用电占据了较大的比例。据统计，美国、日本和欧洲等发达国家的照明用电约占总用电量的20%。而中国照明用电在整个用电中的比例约为12%左右，预计201

31、5年照明用电需要7000亿度以上。而照明节能有着非常大的潜力可挖，电力电子技术在这方面正是英雄有用武之地。象我国，按“绿色照明工程”的规划，如果在照明设备方面广泛采用现代电力电子技术，可节约电能20%以上，约可节电1400亿度，其效果相当于建一座“照明节电的三峡电力工程”。3.3.2 推广使用节能灯进行节能目前随着国家绿色照明工程的推进，节能灯的市场份额一天天大起来。节能灯的节能主要是依靠采用了电力电子元件IGBT的电子式镇流器，首先通过整流器将工频交流电变成直流电，再依靠逆变器将直流电变为20到50 KHz的交流电。与传统电感式荧光灯相比，电子镇流器式荧光灯系统的效率提高了18%到25%。目

32、前，集成化的电子镇流器驱动电路己走向市场，我国微电子行业首家上市公司上海贝岭生产的BL8301就是一款可驱动由IGBT组成的半桥的专用集成块6。3.3.3 利用电力电子及传感技术进行采光节能可能有很多场所上班时即将所有的灯都打开，直到下班无人时才关掉，即便是在阳光明媚的大白天也是这样，其实这里面利用采光节能大有文章可做。采用变频技术和整流技术我们己能方便地实现对气体放电光源和热辐射光源的调光，在白天阳光充足的时候依靠传感技术确定所需人工照明的照度，利用电力电子设备将光源调到所需的功率。你要知道浦东机场候机大厅的光源功率便高达684KW，所以说这里面的节能潜力是不可小视的6。3.3.4 加大LE

33、D等节能新光源的研发无极荧光灯，微波硫灯，LED(发光二极管光源)灯，太阳能灯等很有发展前途的新光源其核心都是采用了现代的电力电子技术。节能效果好，未来有望有照明舞台上大显身手。其中LED灯可与太阳能电池一起构成一个小照明系统。所以有人估计4到6年后，白光LED灯有可能完全取代白炽灯和荧光灯6。3.4 电力电子技术在推广绿色照明工程的作用进入21世纪以来，我国照明用电的年增长率都保持在20%以上，但是我国照明用电的结构中普通白炽灯仍占有极大的比例。与美国相比，虽然我国灯的数量是日本的3.2倍，但消耗的电力却是日本的6.8倍，而灯的平均光效率则只有日本的1/4。因此，推广绿色照明在我国是非常必要

34、的。利用电力电子技术发展绿色照明是一个非常有效的重要手段。在我国，按“绿色照明工程”的规划，如果在照明设备方面广泛采用现代电力电子技术，可节约电能20%以上，约可节电1000亿度，其效果相当于建一座“照明节电的三峡电力工程”。电力电子技术在绿色照明中的作用分别有：(1) 电力电子技术为绿色照明工程提供了节能光源；(2) 电力电子技术为绿色照明工程提供了节能灯具；(3) 电力电子技术为绿色照明工程提供了节能照明电器；(4) 电力电子技术为绿色照明工程提供了节能照明设计；实施绿色照明不仅能够节省电力，更重要的是减少环境污染和能源消耗，提高能源的利用效率。实现绿色照明的方法：一是改造光源，二是改进电

35、路。这两个方法通过电力电子技术均得到了解决。3.5 小结随着电力电子技术的发展，电力电子技术应用在家用电器中的可行性越来越大，应用也越来越广，将会兴起一股节能家用电器的研发潮以及使用潮。绿色照明的发展，完全得益于电力电子技术的应用，随着电力电子技术的飞速发展，各种电子元器件成本的降低，照明电路的功能会更加完善，绿色照明不久将成为现实。4 电力电子技术在节能环保的应用4.1 电力电子节能的关键技术4.1.1 开关变频技术开关变频技术是针对固定的工频而采取的高效节能措施。工频可谓发电的最佳频率，但它并不是所有用电设备的最佳频率，因而导致许多设备长期处于低效率、低功率因数运行的现状。交流电动机在传统

36、的模式运行时，运行效率只有60%左右，功率因数仅为0.7左右。电力行业中的变频技术改造，可在很大程度上提高用电效率，降低用电率，降低线损，减少污染物的排放量，提供持续、可靠、优质的电能。据统计，早期开关电源刚设计出的时候其效率有65%70%，而现在其效率可以达到更高，小功率开关电源的效率可达到80%85%，在通信电源中甚至可达到93%，而在开关电源之前的线性电源的工作效率只有30%40%。开关技术使电源效率翻了两番。4.1.2 利用软开关提高电力电子装置的效率通过开关电源可以节约电能，但是开关在开通到关断和从关断到开通的过程中引起的开关损耗随带也引起了能耗，如何再把这些能耗降低，那就要采用软开

37、关技术。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时， 使器件关断(或电压为零时，使器件开通)，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。通过降低开关损耗，可以更有效的通过开关技术提高电源利用效率，从而达到节能的目的。软开关技术因其优越性，成为降低开关损耗、提高系统效率、改善电磁干扰、提高系统可靠性的一个重要手段，是电力电子技术领域的研究热点，受到越来越多的关注。当开关管电流过零时，使开关管关

38、断；开关管电压过零时，使开关管导通。从而使开关管关断和导通时损耗为零，实现了开关电源高频化的设计，提高了电源效率9。电力电子装置中采用软开关技术后，开关频率不受开关损耗的限制，提高了开关器件的工作频率，减少了开关器件的散热体积，提高了开关器件工作的可靠性和效率。与硬开关相比，软开关充电模块的开关损耗降低了40%，整机效率提高到94% 96%，功率开关器件承受的电应力较小，功率开关器件的可靠性得到了提高。由于电压变化率(dv/dt)及电流变化率(di/dt)的减小，使充电模块的电磁干扰明显降低，提高了电磁兼容性能10。4.1.3 高频技术变频可以提高电源的利用率，基于变频，如果把频率再提高，那么

39、对于能源和材料的的利用将更加的充分。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比，所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz时，用电设备的体积重量大约下降至工频设计的5%10%。根据这一原理，对传统行业的电镀、电解、电加工、充电等各种电源进行改造，不仅其主要材料可以节约90%或更高，还可节电30%或更多。因此采用高频技术，还可更进一步的提高电能的利用率，而相对于变频之前，其效果将更为明显。4.1.4 有源功率因数校正技术功率因数，是指任意二端网络两端电压U与其中电流I之间的位相差的余弦。有功功率的计算公式为：P=Scos图4-1 功率三角形可见，电

40、路中的有功功率P，不仅取决于视在功率S的大小，还与功率因数有关。所以如果提高了功率因数，那么输出的有功功率就越大，同时无功功率将越小，说明电能被充分利用了。使用电力电子技术提高功率因数，将有效的提高电能的利用率。4.1.5 其他提高能源利用率的技术使用电力电子实现节能的手段有很多种，除了以上这些外，还可以开发新型磁性元件，开发新型变压器，开发智能电源(比如可以使设备进行自动待机省电的电源)等等，这些方法都可以有效的实现能源的高效利用，达到节能的目的。4.2 电力电子技术在节能中的应用(1) 电动机节能运行变频调速节电：根据负载特性改变电机转速，达到节电效果。通过调速达到节能的负载主要有：风机、

41、水泵、油泵等。改善功率因数节电：交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行。轻载调压节电：当电动机处于轻载运行时，若适当调节电动机定子的端电压，就会降低电动机的励磁电流，从而降低铁耗和从电网吸收的无功功率。(2) 无功功率的补偿动态无功功率补偿的节能来自两个方面：谐波电流流人电网，在变压器漏抗和线路电阻上产生压降，造成网压畸变。畸变的网压将产生高次谐波电流，使负载产生额外的损耗，这种现象被称为谐波的负载损耗。无功电流在供配电系统中流动，产生与视在电流平方成正比的供配电损耗。(3) 高效节能照明高效节能灯是指发光效率较高的电光源。近几年我国推广的节能灯有：稀土荧光灯、金属

42、卤化物灯、高压钠灯、双绞丝型的白炽灯等。稀土荧光灯是国内居民家庭、商店、宾馆、饭店等场所重点推广的光源7。4.3 电力电子技术在环保中的应用社会的发展离不开能源，经济的进步也与能源的使用息息相关。能源支撑着社会经济的发展。我国能源生产总量和消费总量均排在全球前三位。新能源因其具有清洁、少污染或无污染、蕴藏量大的特点越来越受到人们的重视。由于我国现阶段以煤炭为主要使用资源，煤炭资源占到所有能源的67%，石油约占22%，而美国能源消耗中，煤炭只占约12%，我国煤炭的能源消耗率大大超出了美国及欧洲发达国家，所以我国废气污染的排放也一直排在全球首位。当前，我国启动了发展新能源的战略规划与部署14。太阳

43、能、水能、风能、生物质能、热泵、绿色建筑等成为了节能环保的关键领域。特别是风力发电以及太阳能发电，成为促进环保减排的领头羊。4.3.1 风力发电的环保效果近几年来，全球风电机组容量每年的增长率都在35%左右。截止2014年底，我国风电并网容量已达到9637万千瓦。2014年风电上网电量1534亿千瓦时，相当于减少火力发电厂每年4909万吨煤的消耗，相当于减少排放13058万吨二氧化碳、49万吨二氧化硫、43万吨氮氧化物以及大量粉尘和废渣。极大的减少对大气的排放和污染以及水资源的消耗。4.3.2 太阳能发电的环保效果国家能源局日前公布的数据显示，2014年我国光伏发电累计并网装机容量2805万千

44、瓦，同比增长60%，其中，光伏电站2338万千瓦，分布式467万千瓦。2014年光伏年发电量约250亿千瓦时，相当于减少火力发电厂每年800万吨煤的消耗，相当于减少排放2128万吨二氧化碳、8万吨二氧化硫、7万吨氮氧化物以及大量粉尘和废渣，极大的减少对大气的排放和污染以及水资源的消耗。4.3.3 在其他新能源领域中的环保电力电子技术的环保作用除了在风力发电和太阳能发电以外，在其他新能源领域均有应用。如新能源汽车、地热发电、生物能发电、抽水蓄能发电、超导储能、超级电容储能、低谷电储能等。新能源汽车指的是纯电动汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等高效储能汽车。这些新能源的发展和普及将会极大地改善大气环

45、境污染状况，是未来节能环保的发展趋势。4.4 电力电子技术的节能的数据比较通过表4-1的分析我们可以知道，电力电子技术可以达到高效节能的目的，具有非常高的实用性，应用范围非常的广，每个用电产品几乎都可以牵涉到电力电子技术。这表示在一个相当长的时期内，我国国民经济的发展和巨大的用户市场对电力电子技术具有巨大的、持久的需求，这就意味着我国电力电子产业面临着良好的发展机遇和前景8。表4-1 常见电力电子技术节能项目节能数据比较常见项目传统技术利用电力电子技术节能效果发电机传统发电设备经电力电子技术改造发电设备平均单台节电率20%；节电量达500亿千瓦时，相当于全国总发电量1/10；风机和水泵传统挡板

46、或阀门节流方式采用GTR等功率集成器件的交流高效调速装置耗电量比传统的节流方式要少30%左右。我国风机和水泵总耗电量占全国发电量的30%以上，其中70%靠调节挡板或阀门变流量运行。如有1/3改造为调速运行，即可节电150亿千瓦时。电驱动型车辆调速运行传统的电阻器直流高效调速方式的载波调波装置节电20%；如将GTO载波技术推广到全国，则可节电1030亿千瓦时。照明工频电感镇流器高频镇流器节电20%；我国照明用电占全国总发电量的8。0%以上，如能改造2/3，则可节电130亿千瓦时。电焊机电工频交流和直流电焊机逆变器电焊机若使工频电炉高频化。则效率将由50%提高到70%以上；此，整机效率只有50%左

47、右。高频振荡器若用静电感应晶体管(SIT)代替电子管，微观节电30%40% ，宏观节电量达10亿千瓦时左右电网输配电无配备无功补偿装置配备无功补偿装置全国配电变压器若有70%配装无功补偿自控装置则可节电l00亿千瓦时4.5 小结本章从电力电子技术在节能方面的技术以及节能效果去阐述电力电子技术在节能环保的可行性和有效性。随着电力电子理论的不断更新完善，新型电力半导体器件的不断发现，以及更具有高效节能性质的电路拓扑的不断出现，电力电子技术未来还有非常大的发展空间，这个行业也必将进一步得到发展，必将节省更多的能源，为国民经济服务，成为国民经济中的一个重要产业。电力电子技术及其产业的进一步创新发展，必

48、将为大幅度节约电能、降低材料消耗和提高生产效率提供重要手段，为现代生产和现代生活带来深远影响。5 采用变频器实现调速节能5.1 变频器的调速及节能原理5.1.1 变频器的调速原理异步电动机的同步调速，即旋转磁场的转速为，而异步电动机的轴转速为式中，n为同步转速； f为定子频率；p为磁极对数；S为异步电动机的转差率。可见，异步电动机的调速方法有3种；通过改变电动机的极对数p来改变转速，这种调速方法是有级差的，不能达到无级凋速，不适用于火电厂风机和水泵等辅机运行转速的调节。改变转差率s，这种调速方法虽然能达到无级调速，但主要应用在小容量电动机调速上，并存在故障率高，整体效率低的缺点，不适用于火电厂

49、大容量电动机调速。改变定子频率，可以改变异步电动机的转速。根据公式，当p和s确定后，电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速n，从而实现变频调速。变频器所运用的调速方法就是改变定子频率进行调速。5.1.2 变频器的节能原理变频器的节能原理可分为：变频调速节能、提高功率因数节能、软启动节能。(1) 变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开

50、度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电整流为直流电。再通过逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路，变频器本身也要耗电(约额定功率的35%)。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有2030W，相当于一盏长明灯。变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一、大功率并且为风机/

51、泵类负载；第二、装置本身具有节电功能(软件支持)；这是体现节电效果的前提条件。除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能，就是夸大或是商业炒作，一定要注意使用场合和使用条件才好正确应用。(2) 提高功率因数节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。(3) 软启动节能电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大

52、，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。变频器可实现电机软启动、补偿功率因素、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。5.2 变频器调速节能估算5.2.1 风机、泵类平方转矩负载的变频调速节能采用电动机变频调速来调节流量，比用挡板、阀门之类来调节，可节电20%50%。生产中，对风机、水泵常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大。如果

53、用变频器对风机，泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，管路阻尼最小，能耗也大为减少。节能量可用GB12497三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即：对风机、泵类，采用挡板调节流量对应电机输入功率与流量Q之间的关系为：(5-1)式中：额定流量时电机输入功率KW；额定流量。若流量的调节范围在(0.51) ，则节电率为： (5-2)从式(1)分析，节流调节，则的比值是小于1，其的比值比更小，与0.55的乘积仍小于0.55，即流量调节后，电机的负载变小了，消耗的功率也比额定功率小了。当挡板或阀门全关时，电机消耗的功率最少，最小等于0.45；(2)式则表明采用

54、变频调速后，电机消耗的功率与实际流量和额定力量比值的三次方成正比，即再与采用挡板调节流量对应电机输入功率相减后再除以，得电机在节流调节消耗功率的基础上计算的节能率。用相似性原理Pn3计算节能时，也应先计算原系统节流调节时消耗的电能，再与变频调速消耗的电能减，这正是(5-2)式的表示式。因此，要准确的计算节能，还需使用(5-1)式计算节流时消耗的电能11。5.2.2 恒转矩负载的调速节能对恒转负载有 (5-3)电机的输入功率与转速的一次方成正比，采用变频调速后节省的功率可由下式计算：(5-4)节电率： (5-5)可见，节省的功率与系统调速前后的速差成正比，速差越大，节能越显著。恒转矩负载变频调速

55、一般都用于满足工艺需要的调速，不用变频调速就得采用其他方式调速，如调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速等。由于这些调速是耗能的低效调速方式，使用高效调速方式的变频调速后，可节省因调速消耗的转差功率，节能率也是很可观的11。5.2.3 液力耦合器调速系统的节能液力祸合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量。液力祸合器有调速型和限矩型之分，前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动，系统中的液力祸合器在电机起动时起缓冲作用。由于液力祸合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：(5-6)其效率也是正比于输出转速，输出最大转速时效率理论值为95%。

56、当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此时损耗功率与转差损耗成正比增加，即(5-7)同样，用(7)式可计算将液力祸合器调速改造为变频调速后的节能量11。5.2.4 变频调速节能效益11一般电动机节能途径：一是提高电动机本身效率达到长期高效运行，主要用于恒速机械；二是提高电动机转速的控制精度，使其在最节能的转速下运行。变频调速是风机、水泵节能的最佳方案。根据流体理论，离心式风机、水泵的轴功率是转速的三次方函数关系。当转速降低后，其消耗功率会大幅下降，例如50%转速时，轴机械功率仅为12.5%。变频调速器效率因数高，而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳，应作为首选

57、方案12。(1) 风机、水泵采用变频器调速控制。采用变频器调节电动机的转速调节流量，电动机消耗的功率会呈三次方下降，节能效果非常明显。节电率由原来的系统裕量多少和系统运行状况所决定，一般节电率可达30%以上。具有无需水塔、高位水箱，无二次污染，投资小，高效节能等特点。(2) 工业锅炉风机采用变频器调速控制。采用变频器调速控制后，将风门挡板调节至最大，使引风机和送风机联锁控制，提高系统自动化程度，且可以大幅度降低功率消耗，一般节电率在40%以上。(3) 中央空调系统采用变频器调速节能。采用变频器同时控制多台水泵，能对多点温湿度进行检测及集中监控，实现最佳舒适度控制。系统运行高效节能，一般节电率可

58、达到30%60%。(4) 空压机采用变频器调速控制。采用变频器能同时控制多台空压机，可避免电动机空载运行，无需专人值守，实现自动恒压供气，一般节电率可达30%以上13。(5) 注塑机采用变频调速控制。采用通用变频器对油泵进行控制，可对应每个步骤输出相应的功率，从而显著降低电能消耗，一般节电率为30%60%。(6) 行车电动机变频器调速控制。采用通用变频器控制，具有电动机起动电流小、无大电流冲击、转矩大、起动平稳、无级调速、可靠性高、节电显著等特点。(7) 输送带采用变频器调速控制。输送带一般运行在速度较低的低频段(515Hz)，连续运行时间较长时易发生电动机发热、电磁噪声大等现象，宜采用齿轮变

59、速箱变速的变频器调速控制。5.3 小结交流变频调速技术是目前世界上技术先进、性能可靠的交流调速方式，它以优异的性能、明显的节能效果、显著的经济效益迅猛地发展着，成为工业驱动的中坚力量。目前变频器虽然在技术和价格上还存在一定难题，但是随着电力电子技术和变频调速技术的不断发展，变频技术及变频装置都会有很大的发展，交流变频调速技术在发电厂的应用也将更为广泛，这一技术的推广应用将为火力发电厂在节能降耗、提高经济效益、提高上网电价的竞争力方面发挥巨大的作用。6 电力电子在风电场中的应用6.1 SVG/SVC装置在风电场的应用在风电场中，应电网公司要求，需要将功率因数调节到某一参数方可并网，此时就需要运用

60、到静止无功补偿装置，也就是SVC或SVG。与传统SVC相比较，SVG装置具有更优越的性能特点。分别有：SVG的运行范围比传统SVC大；SVG的调节速度更快，而且可大大减少补偿电流中谐波的含量；SVG装置的体积和成本比SVC的大大缩小；SVG可在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率；SVG价格目前仍比SVC高得多。因此，考虑到成本问题，风电场大部分使用SVC装置进行无功补偿。在电网要求较高时，方会使用SVG装置。6.2 高压直流输电在风电场的应用目前，高压直流输电(HVDC)在风电场中的应用主要在海上风电场输电上。由于海风风电场相比较陆上风电场而言，条件更为恶劣和复杂，而且输电距离较长，考虑

61、成本以及经济上等因素，HVDC技术主要使用在海上风电上，对于容量较大、离岸距离较长的海上风电场则采用HVDC输电方式比较经济。采用HVDC进行海上风电场并网可以不受传输距离的限制，可隔离线路两端的网络，减小故障之间的相互影响，控制传输线路的潮流，提高电缆的输送效率，风电场的发电频率可以大范围变化。目前，对于采用HVDC进行海上风电场并网的研究不多，更缺乏工程实践。6.3 电力电子在风电场并网、恒频恒速发电、变速恒频发电的应用风力发电是除水力发电之外可再生能源发电技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电技术。风能是不能储存能源，将风能转换成电能并输送到电网主要依靠电力电子装置。目前，电力电

62、子在风电场的应用主要有风电并网技术、恒速恒频发电和变速恒频发电。6.3.1 在风电并网技术应用在风电场中，并网的方式主要有两种，分别是直接并网和通过电力电子变频器并网。直接并网风机一般采用异步发电机，在并网瞬间会产生较大的冲击电流。因此，一般在直接并网系统中采用软并网装置，即在异步发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管，并网后由一个接触器的动合触头将其短接。通过电力电子变频器并网系统利用电力电子变频器将发电机发出的电能进行处理，产生出恒压恒频的电能进行升压压并网。6.3.2 在恒频恒速发电系统的应用图6-1 恒速恒频风力发电系统结构图恒速恒频发电系统一般采用的是普通异步发电机，采用直接并网的方式，这种风电机组的发电机正常运行在超同步状态时转差率为负值，电机工作在发电机状态时转差率的可变范围很小，风速变化时发电机转速基本不变，所以称之为恒速恒频风电机组，其基本结构如图6-1所示。恒速恒频发电系统一般很少采用电力电子变换器装置，正常运行时无法对电压进行控制，发出的电能也随风