东南大学自动化电力电子第一次实验报告.docx

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东南大学自动化电力电子第一次实验报告

实验报告

课程名称：

电力电子实验

实验名称：

电力电子第一次实验

院（系）：

自动化专业：

自动化

姓名：

学号：

实验室：

动力楼实验组别：

同组人员：

实验时间：

2015

评定成绩：

审阅教师：

一、概述

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。

具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。

电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，主要用于电力变换。

电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。

半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。

电力电子技术的应用十分广泛，下面将简单总结它在以下六个方面的应用：

智能电网方面、电力牵引方面、电动汽车、电动自行车方面、充电桩方面以及光伏发电方面。

二、电力电子在智能电网中的应用

随着经济的不断进步以及信息技术、科技水平的不断提高，智能电网对于自身应对干扰、波动时的反应能力、适应能力的要求也在不断提高。

因此，电力电子技术在智能电网中得到了广泛的应用。

先进电力电子装置作为重要的系统调控手段，可以用来调节输配电网的潮流分配，增强网架结构，抑制电网故障的传播，并提升电网在各种故障下的“自愈”能力。

在此基础上，对于新能源的开发及利用，节能减排的要求才能更好的实施。

而电力电子中有四种技术在智能电网中得到了应用，分别是FACTS技术、直流输电技术、电能质量技术以及能量转换技术。

1.FACTS技术在智能电网中的应用

FACTS技术是指以电力电子设备为基础，结合现代控制技术来实现对原有交流输电系统参数及网络结构的快速灵活控制，从而达到大幅提高线路的输送能力和增强系统稳定性、可靠性的目的。

FACTS技术包括静止无功补偿器（staticvarcompen-sator，SVC）、可控串补（thyristorcontrolledseriescompensator，TCSC）技术等。

其中SVC是一种典型的灵活交流输电装置,电路图如图2.1所示，它可以调节系统电压，保持电压稳定；控制无功潮流，增加输送能力；为直流换流器提供无功功率；提高系统的静态和暂态稳定性；加强对系统低频振荡的阻尼。

而TCSC技术原理图如图2.2所示，可看出改电路可以有效阻尼系统低频振荡、抑制次同步谐振、优化系统运行方式和降低输电损耗。

图2.1静止无功补偿器（staticvarcompen-sator，SVC）电路图

图2.2可控串补（thyristorcontrolledseriescompensator，TCSC）原理图

2.直流输电在智能电网中的应用

HVDC（高压直流输电）是ABB50多年前开发的一项技术，可有效提高远距离输电的效率。

由于直流电不产生振荡，因此直流输电的电能损失较少。

在直流输电系统中，交流电在换流站被转换为直流电，然后通过架空线缆传输至接收点。

在接收点，另一个换流站将直流电转换为交流电并接入交流电网。

柔性直流输电技术，即基于电压源换流器的高压直流输电（VoltageSourceConverterbasedHighVoltageDirectCurrentTransmission，VSC-HVDC），柔性直流输电系统示意图如图2.3所示，其原理为，通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。

这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。

图2.4即柔性直流输电技术中改变功角差的情况。

图2.3柔性直流输电系统示意图

图2.4柔性直流输电改变功角差过程

3.电能质量技术在智能电网中的应用

电能质量的评估在智能电网中具有重大意义。

电能质量检测技术有很多要求，譬如能够检测滤除的谐波、要补偿的无功或要平衡的不对称值等。

这就依赖于电力电子技术的发展。

4.能量转换技术在智能电网的应用

电力系统早已不局限于火力发电，而是介入了更多的新能源，譬如太阳能光伏发电、风力发电等。

因此，如何将自然能源转换为电能也是电力电子范畴中的一个重要问题。

能量转换技术在智能电网中发挥了很大作用。

三、DSP、FPGA在城轨列车电力牵引中的应用

牵引控制系统是城轨列车电力牵引系统的核心，主要负责完成列车通信、车辆控制和电机控制及其扩展功能。

其系统原理框图如图3.1所示。

图3.1城轨列车电力牵引系统原理框图

可以看出，电力牵引控制系统接受外部控制信号，再由传感器得到运行的速度等信息，通过计算得到电机转子的电压幅值、频率等，作为输出控制电机的运行状态，通过PWM调至算法，驱动IGBT控制电机运行。

系统功能原理框图如下图3.2所示。

图3.2城轨列车电力牵引控制系统功能框图

可以看出，电力牵引控制系统中，电力电子技术的应用依旧十分广泛，IGBT的应用、交直流变换部分等，都有十分重要的功能。

四、电动汽车

电子电力技术在电动汽车中的应用主要在电动汽车的控制方面。

而电动汽车的控制方式分为DC/DC控制和DC/AC控制。

1.DC/DC控制

在DC/DC控制中，常用斩波器进行控制，斩波器频率可达到几千赫兹，因此很合适直流牵引调速。

下图4.1a为IGBT作为斩波器的电路图，大致功能为，蓄电池发电，经过整流、逆变，输出到电机，而电机速度通过编码器返回至控制端，达到闭环控制的目的。

而图4.1b为矢量控制电路框图。

图4.1IGBT作为斩波器的电路图

2.DV/AC控制

在DC/AC控制方式中,一般采用直流斩波器加逆变器和PWM逆变器两种控制形式。

由于电动汽车的电源（蓄电池）电压低,传输能量环节过多,因而采用前者将降低整个系统的效率；采用后者则因多用电压型、逆变器,而使线路简单、环节少、效率高。

图4.2直流斩波器加逆变器的控制系统框图

五、电动自行车

电动自行车主要由四个部分组成：

车架、电源（蓄电池）、电机和控制器。

其中控制器中大量运用了电力电子技术。

控制器硬件框图如下图5.1所示。

大致功能为，以控制器作为中枢，控制蓄电池、电机、输入电路。

图5.1电动自行车控制器硬件框图

控制器电源电路（图5.2）通过两级电压变换，得到控制电路所需的两组电压：

+15V和+5V。

+15V作为功率驱动电路的电源，+5V作为单片机及其他控制电路的电源。

图5.2控制器电源电路

而控制器的逆变电路则采用了三相全桥逆变电路，电路图如图5.3所示，逆变电路由功率开关管VT1~VT6等组成，如图4.4所示。

采用单极性PWM控制技术，以“两相导通三相六拍”方式控制电动机运行。

三相桥式逆变电路在电力电子课程中已经学习过，然而具体的应用却知之甚少，因此在学习电动自行车控制的过程中也是对于已经学过内容的新认识。

图5.3控制器三相全桥逆变电路

六、充电桩

电动汽车充电桩应用了电力电子变流技术、"智能监控技术"g4JN、无线射频技术等。

目前，电动汽车充电桩主要有直流充电、交流充电、非接触式充电以及更换电池等方法。

充电桩的设计主要有两个部分，其一是充电桩本身，其二是对于充电桩的监控系统。

交流充电桩的硬件框图如下图6.1所示，可看出，在给不同部分供电的过程中，所用到的直流电源电压都不同，因此需要电力电子技术的应用。

图6.1交流充电桩硬件原理框图

图6.2所示为交流充电桩电源部分电路图，可以看出其中大量用到电力电子器件，虽然以我现在的知识还不足以达到能够设计、应用电力电子技术完成一个完整的电源的工作，然而随着不断的学习，我将对电力电子技术有更加深入的认识与了解。

图6.2交流充电桩电源电路图

监控系统硬件框图如下图6.3所示。

将380V的交流电输入至充电模块，并在充电模块中转化为电动汽车充电用的交流电/直流电，这就是电力电子技术的用武之地。

而主控模块也由交流电供电，经过整流逆变等工序，转换为控制模块所需的电源。

图6.3充电桩监控系统硬件框图

七、光伏发电中电力电子的应用

太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电,是难以满足用电负载对电源品质要求的粗电,为此需要应用电力电子变流技术对其进行直流-直流（DC-DC）或直流-交流（DC-AC）变换,以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或电网,如图7.1所示。

电力电子功率变换器及其控制技术是实现光伏发电系统能够理想地向负载或电网提供电力这一最终目标的重要物质基础之一。

其中光伏直流变换电路、光伏逆变电路在光伏发电中有着重要作用。

图7.1太阳能光伏电池

太阳能光伏发电分为离网型与并网型两种，离网型用到的光伏发电逆变电路一般采用电压源型逆变器。

如图7.2为单相全桥电压源型逆变器结构示意图。

并网型电压源逆变器结构如图7.3所示。

图7.2单相全桥电压源型逆变器结构示意图

图7.3并网型电压源逆变器结构示意图

由此可以看出，在光伏发电中，电力电子的应用范围很广，然而由于我们目前所学知识还不足以让我们完全看懂这些部分的功能，因此也提醒了我们应该在电力电子技术方面继续学习，不断努力。

八、总结

参考文献：

1.张文亮，汤广福，查鲲鹏，贺之渊，中国电力研究院《先进电力电子技术在智能电网中的应用》

2.刁利军，董侃，赵雷廷，王磊，陈杰，北京交通大学电气工程学院《基于双DSP-FPGA架构的城轨列车电力牵引控制系统》

3.毛宗源，苏开才，华南理工大学《电力电子技术在电动汽车中的应用》

4.王宏华，河海大学《光伏发电中的电力电子技术》

5.赵瑞，苏州大学《电动汽车交流充电桩的设计与研究》

6.刘东冉，陈树勇，马敏，王皓怀，侯俊贤，马世英《光伏发电系统模型综述》电网技术，第35卷第8期