电气发展前沿技术课件.ppt

,第四章,电气发展前沿技术,?,自第二次工业革命以来，电气技术已成为诸多高新,技术系统中不可缺少的关键技术之一。,?,电气技术的外延十分广阔，内涵十分丰富。它所涉,及的领域或技术面包括：,一电能和电力输配；,二功率器件和电力电子技术；,三电机与电力拖动；,四电气测量与检测技术；,五电器元件及电器控制、,PLC,控制技术；,六新型电源与电力电子装置；,七节能技术和谐波抑制；,八家用电器与办公设备等。,一,、,电能和电力输配,?,“,电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已,经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续,发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电,力在终端能源中的比例。,?,电能是一个国家国计民生的主要能源。如今，人均消,耗的电能已成为衡量一个国家实力的重要指标。而电,气技术恰好涉足电能和电力输配问题。,?,一个完整的电能生产与消费网络由发电、输电、配电,及用电几部分组成。其中由发电厂、变电所和输电线,路组成的电力网络称为电力系统。,一,、,电能和电力输配（续）,?,电力系统十分复杂，对于电力系统来说，不但要求它,每一时刻发出的总电量等于系统消耗的总电量，而且,要求所有的中间传输环节都能畅通无阻。,?,中间传输环节的任期任何阻滞，都会在发电与用电两,端同时发生“过剩”与“不足”两种截然相反的不正,常状态，严重时系统可能因此而崩溃，造成大面积恶,性停电，使国民经济遭受重大损失。,?,对电能和电力输配来说，除了设计好发电站，使其保,证电力的充足供应发电质量（减少谐波、）提高功率,因素等外，还要注意电能传输的调度和管理，从而保,证电力系统可靠、安全地连续供电。,一,、,电能和电力输配（续）,?,将自动化技术应用于电能传输的调度和管理中,构成了现代电力输配系统。随着大功率电力电,子器件的出现及微型计算机的发展，先进的控,制方法在电力系统控制中的应用研究几乎遍及,电力系统的所有领域。,?,目前，各种现代控制技术，包括：线性最优控,制、自适应控制、变结构控制、,H,鲁棒控制、,微分几何控制、神经网络控制、模糊控制及专,家系统控制都已应用于电力系统控制中。交叉,结合使用前面几种控制方法而形成的综合智能,控制是电力系统自动化研究的发展方向。,一,、,电能和电力输配（续）,?,电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大,突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新,兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学,科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的,一些前沿课题反映了这种趋势。,以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前,景进行简介,:,一、电能和电力输配,-,高压交流输电技术,1,、,高压交流输电技术,?,三相高压交流输电技术,?,常规的三相交流输电在远距离输电工程中占主导,地位，在未来相当长的时间内仍然是输电和联网的,主要方式；,?,前苏联建成了,900km,的,1150kV,特高压输电线路并,经过了试运行，后因无电可送等原因而降压为,500kV,运行；,?,未来交流输电发展的重点将是采用新技术充分利,用线路走廊输送更多的电力。,一、电能和电力输配,-,高压交流输电技术（续）,?,多相交流输电,?,多相交流输电以多相（相数大于,3,）交流电形式,实现电能输送；,?,特点：相同的线路走廊和占地面积，多相输电可,提高由线路发热条件决定的负荷容量，可设计得更,“紧凑”适合线路路径受限制的地区，可以接入三,相交流输电系统，不需经过多相交流变电所；,?,多相交流输电已经入工业性试验和试运行阶段。,一、电能和电力输配,-,高压交流输电技术（续）,?,灵活交流输电,?,灵活交流输电（,FACTS,）是基于电力电子技术与,现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相,位实施灵活快速调节的输电技术；,?,出现背景：,a),发展互联电网的需要；,b),发展电力市场的需要；,c),电力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为,现实。,?,灵活交流输电技术的核心就是利用电力电子器件,可以按照控制系统的要求，应用现代换流技术和,控制技术，实现电压、阻抗或相位大幅度灵活控,制。,一、电能和电力输配,-,高压直流输电技术,2,、,高压直流输电技术,?,端对端直流输电,该技术是一项成熟的远距离输电技术，预计端对端直流输电,在未来仍是远距离输电和联网的重要方式。,一、电能和电力输配,-,高压直流输电技术（续）,?,多端直流输电技术,为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研,究出多端直流输电技术。,一、电能和电力输配,-,高压直流输电技术（续）,?,新一代直流输电技术,?,未来直流输电技术的发展趋势是在应用可关断器,件组成的换流器进一步改善输电性能的同时，大,幅度简化设备，减少换流站的占地，降低造价，,以便在技术经济上比其它输电方式更具竞争力；,?,典型例子是：,a.,所谓轻型直流输电（,HVDC Light,），它采用,IGBT,等可,关断的器件组成换流器；,b.,使用户外换流阀以节省阀厅的建设费用；,c.,应用连续调节交流滤波器、有源滤波器等技术大幅度,减少户外场的占地。,一、电能和电力输配,-,新型输电线路,3,、新型输电线路,?,紧凑型线路,?,紧凑型线路是指增加分裂导线数、缩短相间距离、,合理排列相导线等措施以降低线路波阻抗，从而提,高线路输送能力的输电线路。研究的主要目的是提,高线路的输送能力，节省线路走廊；,?,从,20,世纪,60,年代起，美国、前苏联、法国、巴西等,国建成了各种电压等级的紧凑型线路，我国也建成,了一条,500kV,的紧凑型线路，正在试运行中。,一、电能和电力输配,-,新型输电线路,（续）,?,气体绝缘线路,?,气体绝缘输电线路（,GIL,）是以六氟化硫气体绝缘,的、带有与导体同轴的接地金属外壳的输电线路，,与电缆相比，其优点是绝缘击穿后可恢复、承载电,流大；,?,气体绝缘输电线路已在美国、德国的水力发电厂的,出线等场合得到了应用。,?,未来由于输电线路走廊的获得越来越困难，气体绝,缘输电线路的研究和开发受到重视。,一、电能和电力输配,-,新型输电线路,（续）,?,超导输电线路,?,超导输电线路是一种低损耗的输电方式；,?,日本正在开发,6kV,、,1000MVA,的超导电缆；,?,美国也制造出,12.4kV,、,1250A,的三相超导电缆系统；,?,我国也有超导输电线路在南方电网试运行；,?,超导电缆的价格很高，冷冻系统的可靠性有待检验，,用于长距离输电工程的前景还不明朗。,一、电能和电力输配,-,洁净煤发电技术,4,、,洁净煤发电技术,?,当今我国的火力发电机组效率低，污染物排放量大，,与先进国家相比有较大差距，所以要大力推广洁净煤,发电技术，建设大型循环流化床锅炉，增压硫化燃气,-,蒸汽联合循环和整体煤气化燃气,-,蒸汽联合循环示范,工程，采用高效脱硫脱硝装置，以使之达到世界先进,水平。,?,火电厂生产流程主要包括四大系统：燃烧系统,、汽,水系统、电气系统和控制系统。后面的两个系,统和本专业关系密切。,一、电能和电力输配,-,分布式发电技术,5,、分布式发电技术,?,当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃,机,(IC-internal-combustion engine),、微型燃气轮,机（,Micro-turbines,）和各种工程用的燃料电池,（,Fuel,Cell,）。,?,因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”,已不是同一概念。,?,应用背景,：,a),输电线路建设费用增加。,由于公众对输电线路可,能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越,来越困难。例如，北美和西欧许多国家已决定一,般不再兴建新的输电线路。于是，直接安置在用,户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。,b),与大电网配合提高供电可靠性。,分布式电源可大,大地提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害,（例如地震、暴风雪、人为破坏、战争）情况下，,维持重要用户的供电。加拿大魁北克省,1997,年冰,雪灾造成输配电线路灾难性破坏，引起大面积停,电，许多重要用户长期不能恢复供电。,一、电能和电力输配,-,分布式发电技术,（续）,?,微型燃气轮机,?,微型燃气轮机（,Micro,Turbine,）,是功率为几千瓦至,几十千瓦，转速为,96,000,r/min,，以天然气、甲烷、,汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度,500,，其发电效率可达,30%,。,?,目前国外已进入示范阶段。,?,其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可,见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。,一、电能和电力输配,-,分布式发电技术,（续）,?,燃料电池,?,燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的,装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的,发电方式，被称为,21,世纪的分布式电源。,?,燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢,基燃料送入燃料电池的阳极,(,电源的负极,),转变,为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极,(,电源的正极,),，负氧离子通过,2,极间离子导电的,电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则,形成电流。,一、电能和电力输配,-,分布式发电技术,（续）,?,分散的电能储存技术,?,由于分布式的电源的应用及提高电网可靠性和,调峰的需要，分散的储能系统的重要性日益增加。,?,如：电池储能系统、超导储能系统、飞轮储能系统、,燃料电池储能系统等。,一、电能和电力输配,-,分布式发电技术,（续）,6,、,定质电力技术,?,定质电力（,Custom,Power,）技术是应用现代电力电子技术和控,制技术为实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力,供应的技术。,?,在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、,精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛,使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对,电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会,造成产品质量的下降，产生重大损失。,?,重要用户为保证优质的不间断供电，往往自己采取措施，如安,装不间断电源,(UPS),，但是这并不是经济合理的解决办法。根本,的出路在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电,能供应。,一、电能和电力输配,-,定质电力技术,?,为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网,的静止无功发生器。它由储能电路、,GTO,或,IGBT,变换,电路和变压器组成。,?,它的功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功,率，同时可以抑制电压闪变。这是“定质电力”的关,键设备之一。,?,此外，静止无功发生器和固态开关配合，可在电网发,生故障的暂态过程中保持电压恒定。,?,另一关键设备是动态电压恢复器（,DVR,），它由直流,储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器,构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生,补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。无论是短时,的电压低落或过电压，通过,DVR,均可以使负载上的电,压保持动态恒定。,一、电能和电力输配,-,定质电力技术（续）,结论：,电能高效洁净的生产、传输、储存、分,配和使用的技术将成为未来电力技术的,主导发展方向！,一、电能和电力输配,（续）,二,、,功率器件和电力电子技术,?,自从,50,年代硅晶闸管问世以来，功率半导体器,件取得了长足的发展。新型的功率器件如：,GTO,、高功率晶体管和功率,MOSDFET,、,IGBT,等的出现大大提高了功率器件的开关频,率和可关断性能。,?,由于工艺技术的成熟和成本的降低，电力电子,学的应用正在推广，例如，开关电源,(SMPS),，,UPS,电源、电化学作业、加热和照明、静态无,功,(VAR),补偿,;,有源滤波、高压直流系统、光,电系统和变频电机拖动。,二,、,功率器件和电力电子技术（续）,?,目前，,GTO,的最高研究水平为,6,英尺、,6000V/6000A,以及,9000V/10000A,。现在硅材料功,率器件已发展相当成熟。为了进一步实现人们对,理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件,中，最有希望有是碳化硅（,S,i,C,）功率器件。,?,但是，,S,i,C,材料和功率器件的机理、制造工艺还,存在大量的问题，要真正给电气技术领域带来又,一次革命，还需要众多有志之士的努力。,二,、,功率器件和电力电子技术（续）,?,一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场,电力电子技术的革命。随着各种功率器件的不,断研制和开发，电力电子技术也得到了飞速的,发展。,?,在电力电子技术中，功率变换是最重要的，也,是最基本的共性技术。功率变换技术研究的目,标主要有：节约能源、提高效率，同时应减小,变换器的体积和重量，降低谐波失真的成本，,高精度、快响应、宽的输出电压、电流和频率,调节范围等。功率变换器可实现,AC-DC,、,DC-,AC,、,AC-AC,、,DC-DC,的转换。,二,、,功率器件和电力电子技术（续）,?,功率变换技术的发展大致可分为：强近换流技,术；,PWM,控制技术；以软开关、功率因素校,正、消除谐波，考虑电磁兼容为特征的技术三,个阶段。经过三十多年，特别是发展动向主要,集中的软开关、高压、大功率和低电压、大电,流变换技术方面。,二,、,功率器件和电力电子技术（续）,?,近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的,一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电,已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活,的交流输电、定质电力技术以及新一代直流输电,技术则是近,10,年的事。,?,随着微电子技术、功率器件和控制技术的发展，,电力电子技术还将面临新的革命。新的大功率电,力电子器件的研究开发和应用，将成为本世纪的,电力研究前沿。,三,、,电机与电力拖动,?,电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生产是,由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械和各种负载,运转，从而实现生产的自动化和家用电器及办公设备的,智能化。,?,电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发展史,上，直流电机发明较早，它的电源是电池。后来才出现,了交流电机。,?,直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、制,动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。但直,流电机有一个突出的缺点,换流问题。它限制了直流,电机的极限容量，又增加了维护的工作量。,三,、,电机与电力拖动（续）,?,人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效,果，使这在某些调速场合代替了直流电动机。,?,除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微,控电机。微控电机广泛用于各种家电、办公设备,和伺服控制系统中。微控电机的发展和应用，也,是电机发展和应用的一个重要方面。,?,电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系,统。电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速,传动、牵引调速传动和精密、特种调速传动四大,类。,三,、,电机与电力拖动（续）,?,工艺调速传动,指生产工艺要求必须调速的传动，,主要用于轧机、造纸、化工等场合。,?,节能调速传动,是指一般采用风机、泵、压缩机,等调节流量和压力的场合。,?,电力牵引调速传动,则指用地电气铁道、地铁，,各种电动车，工矿牵引、矿井卷扬及电梯等场,合实现运输、牵引的传动。,?,精密、特种调速传动,是指用于现代数控机床、,机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特,别高的传动。,三,、,电机与电力拖动（续）,?,正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背,景，再加上电力电子技术的飞速发民，近十年,来全球工业应用的电机调速装置增长了,25%,，,远远超过了前,30,年的增长率。,?,随着微电子技术和自动控制技术的发展，使全,数字微机控制的电力拖动系统得以问世并迅速,发展起来。微机控制技术在电力拖动系统中的,应用给这一领域注入了新的活力，使之呈现现,出蓬勃发展的新景象。,四,、,电气测量与检测技术,?,电气测量又称为电磁测量，电磁测量分为电测,量和磁测量。,?,电气测量与检测技术是研究各种电气被测量的,测量方法、相应测量仪器仪表的原理与结构、,测量时的操作技术和如何根据测出数据进行数,据处理以求得测量结果和测量误差的技术。,?,电气测量与检测技术对一个从事电气技术工作,的人员来说是十分必要的。因为，不论是电气,设备的安装、调度、实验、运行、维修；不是,对电气产品进行检验、测试、鉴定都会遇到电,气测量技术方面的问题。,四,、,电气测量与检测技术（续）,?,随着控制理论和计算机技术的发展，电气测量与,检测技术也向自动测试方向发展。各种计算机辅,助测试技术、自动测试系统应运而生。,?,自动测试技术是现代电气测量与检测技术的发展,方向。,五、电器元件及电器控制、,PLC,控制技术,?,电器元件是一种能根据外界的信号和要求，手动,或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电,路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、,保护、检测、变换和调节的电气设备。,?,简言之，电器元件就是一种能控制电的工具，主,要指常用的高、低压电器元件，包括：接触器、,继电器、自动空气断路器、行程开关、熔断器以,及各种按钮、刀闸开关等等。,五、电器元件及电器控制、,PLC,控制技术（续）,?,电器控制就是将上述电器元件组成控制线路来实现生,产机械的各种电气控制。,?,早期的工业半自动化和工业自动化主要就是由各种电,器控制技术来完成的。虽然电器控制为生产的自动化,提供了条件，但是，电器控制系统有体积大、可靠性,低、查找故障困难、接线复杂、对生产工艺变化的适,应性差等缺点。,?,目前，我国仍是一个发展中的国家，相当多的大、中,型企业中的大部分生产设备仍处于电器控制的半自动,化阶段。,五、电器元件及电器控制、,PLC,控制技术（续）,?,1969,年，美国数字设备公司（,DEC,）研制出世界上第一台可编程,序逻辑控制器（,Programmable Logic Controller,），简称,PLC,。,?,随着微电子技术和计算机技术的发展，特别是微处理器和微计,算机在,PLC,中的应用，使得,PLC,不仅具有逻辑控制功能，而且还,增加了运算、数据传送和处理功能，成为具有计算机功能的工,业控制装置。,?,如今,PLC,控制技术已逐步取代了电器控制系统，成为了工业控制,的标准设备。,PLC,控制技术已广泛应用于冶金、化工、机械、汽,车、轻工等行业。包括开关量逻辑控制、闭环过程控制、位置,控制、监控系统和分布控制系统。目前，,PLC,控制技术的发展趋,势主要表现在：高速度、大容量、多品种、编程语言多样化、,智能模块化、加强联网和通信能力。,六,、,新型电源与电力电子装置,?,电气技术涉足的电源泛指各种通用的交、直流供电电源；工业用,的交、直流供电电源；特殊用的交、直流供电电源。,?,通用的交直流供电电源,包括各种通用的与,PC,机配用的高频开关电,源，各种电压适配器，印刷板上安装用电源模块及小功率不间断,电源等，这类电源大都做成高频开关电源或线性稳压器形式，广,泛应用于计算机和办公自动化、家用电子设备、工业仪器仪表等。,?,工业用的交、直流供电电源,则包括高功率直流电源，高功率、高,性能不间断电源，通讯电源，电力备用电源和各种频率的全固态,交流电源等。,?,特殊用的交、直流供电电源,包括高精密的稳压或稳流电源、各种,实验电源、高能量密度微型电源等。,六,、,新型电源与电力电子装置（续）,?,目前，国内外对各种,AC/DC,、,DC/DC,开关电源的需求量大大提高。,加速了电力电子技术在各种新型电源中的研究与应用，提高生,产工艺水平，大力发展小功率高频开关电源的生产，着力发展,工业专用电源，是提高我国新型电源的国际市场占有率有首要,任务。,?,电力电子装置是电气应用技术具有潜在市场的又一领域。近年,来在各种调速、感应加热、整流等中、大功率的电力电子装置,中大量应用，高压大功率电力电子装置也呈强大发展势头。如,何使这些电力电子装置具有更高的电压、更大的容量、更高的,可靠性以及电压波动更小、功率因素更高、谐波和畸变更小是,发展电力电子装置具有更高的电压、更大的容量、更高的可靠,性以及电压波动更小、功率因素更高、谐波和畸变更小是发展,电力电子装置所需要着重考虑的问题。,七,、,节能技术和谐波抑制,?,为了缓和电力供需矛盾，推动用电合理化、降低单位产品电能,消耗,即降低产品成本，提高经济效益，节约用电有着重大,意义。,?,从电气技术的角度来实现节能技术，常见的方法有降低线路损,耗和变压器损耗；降低电动机及其拖动系统的能量损耗；改造,加热炉及加热,方式以节约用电；合理选用电光源以减少照明用,电；将变流技术应用于泵和风机中以减少其能量损耗等等。,?,随着各种电子电路和电力电子技术在家庭、工业、交通、国防,日益广泛的应用，由此引起的电力谐波问题日益突出。电力谐,波对公用电网造成严重污染，使用电设备所处环境恶化，同时，,也对周围的通讯系和公用电网以外的设备带来危害。,?,因此，电磁干扰（,EMI,）、电磁敏感度（,EMS,）和谐波干扰成为,现代电气工程设计和研究人员在设计过程中必须考虑的问题。,为保证供电质量，防止谐波的各种危害，必须采取措施来抑制,电力谐波。,八、家用电器与办公设备,?,随着电气技术的发展，特别是电力电子技术的普及应用，家用,电器与办公设备得到了空前的发展。,?,家用电器已经应用到人们的衣、食、住、行、娱乐等多个方面，,它不仅使人们从繁重的家务劳动中解放出来，而且还为人们创,造了更舒适的生活环境。,?,办公设备（如打字机、计算机、打印机、复印机、传真机等）,的层出不穷，大大改善了人们的工作环境、提高了工作效率。,而家用电器与办公设备都离不开电力电子器件和电气技术。,?,如何进一步提高人们的生活质量和工作效率，创造和发明更多、,更新、更实用、更方便、更有效的家用电器产品和办公设备为,电气工作人员提供了一个良好的契机和广阔的发展天地。,谢谢大家！,