電力電子應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)

譯者序
原書(shū)序
原書(shū)前言
第1章 21世紀(jì)能源、全球變暖及電力電子的影響1
1.1簡(jiǎn)介1
1.2能源1
1.3環(huán)境污染：全球變暖問(wèn)題3
1.3.1全球變暖影響5
1.3.2全球變暖問(wèn)題的減緩方法6
1.4電力電子對(duì)能源系統(tǒng)的影響7
1.4.1節(jié)能7
1.4.2可再生能源系統(tǒng)7
1.4.3大容量?jī)?chǔ)能13
1.5智能電網(wǎng)16
1.6純電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)17
1.6.1電池電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的比較18
1.7小結(jié)和展望19
參考文獻(xiàn)21
第2章 當(dāng)前能源面臨的挑戰(zhàn)：電力電子技術(shù)的貢獻(xiàn)22
2.1簡(jiǎn)介22
2.2能源傳輸和分配系統(tǒng)23
2.2.1柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）23
2.2.2高壓直流（HVDC）輸電25
2.3可再生能源系統(tǒng)27
2.3.1風(fēng)能29
2.3.2光伏能源29
2.3.3海洋能32
2.4運(yùn)輸系統(tǒng)33
2.5儲(chǔ)能系統(tǒng)35
2.5.1技術(shù)35
2.5.2在輸配電系統(tǒng)中的應(yīng)用37
2.5.3在可再生能源系統(tǒng)中的應(yīng)用37
2.5.4在運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用37
2.6小結(jié)38
參考文獻(xiàn)38
第3章 分布式發(fā)電與智能電網(wǎng)的概念與技術(shù)概述41
3.1簡(jiǎn)介41
3.2分布式發(fā)電裝置與智能電網(wǎng)的要求42
3.3光伏發(fā)電43
3.4風(fēng)電與小型水電機(jī)組45
3.5儲(chǔ)能系統(tǒng)46
3.6電動(dòng)汽車(chē)47
3.7微電網(wǎng)47
3.8智能電網(wǎng)問(wèn)題48
3.9主動(dòng)配電網(wǎng)管理49
3.10智能電網(wǎng)中的通信系統(tǒng)50
3.11高級(jí)量測(cè)體系和實(shí)時(shí)定價(jià)51
3.12智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化52
參考文獻(xiàn)53
第4章 電力半導(dǎo)體技術(shù)的新進(jìn)展56
4.1簡(jiǎn)介56
4.2硅功率晶體管57
4.2.1功率MOSFET57
4.2.2IGBT58
4.2.3大功率器件60
4.3 SiC晶體管設(shè)計(jì)概述61
4.4 SiC器件的柵極和基極驅(qū)動(dòng)64
4.5晶體管并聯(lián)72
4.6應(yīng)用概述79
4.7 GaN晶體管81
4.8小結(jié)83
參考文獻(xiàn)83
第5章 交流鏈路通用功率變流器：一種用于可再生能源與交通設(shè)備的新型功率變流器87
5.1簡(jiǎn)介87
5.2交流鏈路通用功率變流器硬開(kāi)關(guān)工作模式87
5.3交流鏈路通用功率變流器的軟開(kāi)關(guān)工作模式92
5.4軟開(kāi)關(guān)交流鏈路通用功率變流器的運(yùn)行原理 92
5.5設(shè)計(jì)流程 100
5.6分析102
5.7應(yīng)用104
5.8小結(jié)110
參考文獻(xiàn)110
第6章 大功率電力電子技術(shù)：風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)112
6.1簡(jiǎn)介112
6.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀112
6.3風(fēng)能轉(zhuǎn)換114
6.4風(fēng)電變流器118
6.5風(fēng)電變流器的功率半導(dǎo)體122
6.6現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的控制和并網(wǎng)要求123
6.7風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題127
6.8小結(jié)129
參考文獻(xiàn)129
第7章 光伏發(fā)電系統(tǒng)132
7.1簡(jiǎn)介132
7.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率曲線(xiàn)和最大功率點(diǎn)134
7.3并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)136
7.4光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制150
7.5基于多電平逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)最新進(jìn)展160
7.6小結(jié)162
參考文獻(xiàn)163
第8章 可再生能源系統(tǒng)可控性分析165
8.1簡(jiǎn)介165
8.2非線(xiàn)性系統(tǒng)的零狀態(tài)166
8.2.1第一種方法167
8.2.2第二種方法167
8.3通過(guò)L型濾波器連接到電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可控性168
8.4通過(guò)LCL型濾波器連接到電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可控性172
8.5連接到電流源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性分析183
8.6小結(jié)191
參考文獻(xiàn)192
第9章 中小型可再生能源系統(tǒng)的通用運(yùn)行控制1949.1分布式發(fā)電系統(tǒng)194
9.2與電網(wǎng)互動(dòng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的功率變流器控制204
9.3輔助功能218
9.4小結(jié)223
參考文獻(xiàn)224
第10章 雙饋感應(yīng)電機(jī)的特性與控制226
10.1雙饋感應(yīng)電機(jī)的基本原理226
10.2基于A(yíng)C－DC－AC變流器的雙饋感應(yīng)電機(jī)矢量控制234
10.3基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)254
參考文獻(xiàn)263
第11章 分布式發(fā)電系統(tǒng)中的AC-DC-AC變流器264
11.1簡(jiǎn)介264
11.2 AC-DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脈寬調(diào)制策略271
11.3二極管鉗位變流器的直流電容電壓平衡276
11.4 AC-DC-AC變流器的控制算法286
11.5有功功率前饋控制的AC-DC-AC變流器295
11.5.1 AC-DC-AC變流器的功率響應(yīng)時(shí)間常數(shù)分析296
11.5.2直流母線(xiàn)電容的能量296
11.6小結(jié)299
參考文獻(xiàn)299
第12章 多電飛機(jī)中的電力電子學(xué)302
12.1簡(jiǎn)介302
12.2多電飛機(jī)303
12.2.1空客380電氣系統(tǒng)305
12.2.2波音787電氣系統(tǒng)305
12.3多電發(fā)動(dòng)機(jī)308
12.3.1功率優(yōu)化飛機(jī)309
12.4發(fā)電系統(tǒng)策略310
12.5電力電子與功率變換313
12.6配電系統(tǒng)316
12.6.1高壓運(yùn)行317
12.7小結(jié)319
參考文獻(xiàn)319
第13章 電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)321
13.1簡(jiǎn)介321
13.2純電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)以及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)322
13.2.1純電動(dòng)車(chē)322
13.2.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)322
13.2.3插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）324
13.3 EV和PHEV充電基礎(chǔ)設(shè)施325
13.3.1 EV/PHEV電池和充電方式325
13.4電力電子技術(shù)在EV和PHEV充電架構(gòu)中的應(yīng)用334
13.4.1充電設(shè)備335
13.4.2并網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施336
13.5 V2G和V2H概念337
13.5.1電網(wǎng)改造升級(jí)338
13.6 PEV充電的電力電子技術(shù)339
13.6.1安全注意事項(xiàng)339
13.6.2住宅型并網(wǎng)充電系統(tǒng)340
13.6.3公共型并網(wǎng)充電系統(tǒng)341
13.6.4分布式可再生能源的并網(wǎng)系統(tǒng)344
參考文獻(xiàn)347
第14章 多電平變流器/逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與應(yīng)用350
14.1簡(jiǎn)介350
14.2多電平變流器/逆變器基礎(chǔ)351
14.2.1什么是多電平變流器/逆變器351
14.2.2三種典型多電平實(shí)現(xiàn)拓?fù)?51
14.2.3多電平變流器/逆變器的廣義拓?fù)浼捌溲苌負(fù)?53
14.3串聯(lián)式多電平逆變器及其應(yīng)用358
14.3.1串聯(lián)式多電平逆變器的實(shí)用優(yōu)勢(shì)358
14.3.2星接串聯(lián)式多電平逆變器及其應(yīng)用358
14.3.3角接串聯(lián)式多電平逆變器及其應(yīng)用361
14.3.4用于統(tǒng)一潮流控制的面對(duì)面連接串聯(lián)式多電平逆變器364
14.4新興應(yīng)用與探討366
14.4.1無(wú)磁性器件的直流變換366
14.4.2多電平模塊化飛跨電容式直流變換器369
14.4.3 nX直流變換器371
14.4.4器件成本對(duì)比：飛跨電容變流器、MMCCC與nX直流變換器372
14.4.5零電流開(kāi)關(guān)：MMCCC 373
14.4.6多電平變流器的容錯(cuò)性與可靠性377
14.5小結(jié)378
致謝379
參考文獻(xiàn)379
第15章 多相矩陣變換器的拓?fù)浜涂刂?81
15.1簡(jiǎn)介381
15.2三相輸入五相輸出矩陣變換器381
15.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)381
15.2.2控制算法382
15.3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果399
15.4五相輸入三相輸出矩陣變換器402
15.4.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)402
15.4.2控制技術(shù)403
15.5示例結(jié)果 411
致謝413
參考文獻(xiàn)413
第16章 基于升壓電路的單相整流器功率因數(shù)調(diào)節(jié)器415
16.1簡(jiǎn)介415
16.2基本升壓型PFC 416
16.2.1變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和平均模型416
16.2.2穩(wěn)態(tài)分析418
16.2.3控制電路418
16.2.4線(xiàn)性控制設(shè)計(jì)419
16.2.5仿真結(jié)果421
16.3不對(duì)稱(chēng)半橋升壓型PFC 422
16.3.1CCM/CVM運(yùn)行模式和平均模型建模423
16.3.2小信號(hào)平均模型和傳遞函數(shù)424
16.3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)425
16.3.4數(shù)字化實(shí)現(xiàn)和仿真結(jié)果427
16.4交錯(cuò)雙升壓型PFC430
16.4.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)431
16.4.2開(kāi)關(guān)時(shí)序432
16.4.3線(xiàn)性控制器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果435
16.5小結(jié)436
參考文獻(xiàn)437
第17章有源電力濾波器442
17.1簡(jiǎn)介442
17.2諧波442
17.3諧波的作用和負(fù)面影響443
17.4諧波國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)443
17.5諧波類(lèi)型444
17.5.1諧波電流源444
17.5.2諧波電壓源445
17.6無(wú)源濾波器447
17.7功率定義447
17.7.1負(fù)載功率和功率因數(shù)447
17.7.2負(fù)載功率的定義448
17.7.33D空間電流坐標(biāo)系中的功率因數(shù)定義448
17.8有源濾波器449
17.8.1電流源逆變器APF 450
17.8.2電壓源逆變器APF 450
17.8.3并聯(lián)有源電力濾波器450
17.8.4串聯(lián)有源電力濾波器450
17.8.5 混合濾波器451
17.8.6大功率應(yīng)用452
17.9 APF開(kāi)關(guān)頻率的選擇方法452
17.10諧波電流提取技術(shù)453
17.10.1 P-Q理論453
17.10.2矢量叉積理論454
17.10.3基于P-Q-R旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的瞬時(shí)功率理論455
17.10.4同步坐標(biāo)系457
17.10.5自適應(yīng)干擾消除技術(shù)457
17.10.6電容電壓控制458
17.10.7時(shí)域相關(guān)函數(shù)技術(shù)458
17.10.8傅里葉級(jí)數(shù)辨識(shí)458
17.10.9其他方法459
17.11并聯(lián)有源濾波器459
17.11.1并聯(lián)APF建模460
17.11.2三相四線(xiàn)制并聯(lián)APF465
17.12 串聯(lián)有源電力濾波器467
17.13統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器468
致謝471
參考文獻(xiàn)471
第18A章 帶有電力電子的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)：強(qiáng)大的仿真工具475
18A.1背景475
18A.1.1硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)概述475
18A.1.2“虛擬機(jī)”的應(yīng)用475
18A.2功率性能提升476
18A.2.1順序切換477
18A.2.2磁性續(xù)流控制 478
18A.2.3增加開(kāi)關(guān)頻率481
18A.3異步電機(jī)模型482
18A.3.1控制問(wèn)題482
18A.3.2基于“逆變器”的電機(jī)模型482
18A.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和小結(jié)483
18A.4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果483
18A.4.2小結(jié)487
參考文獻(xiàn)489
第18B章 模塊化多電平換流器的實(shí)時(shí)仿真490
18B.1簡(jiǎn)介490
18B.1.1 MMC的工業(yè)應(yīng)用490
18B.1.2電力電子換流器實(shí)時(shí)仿真的限制490
18B.1.3 MMC拓?fù)浣榻B492
18B.1.4 MMC仿真約束條件493
18B.2 MMC建模的選擇及其局限性494
18B.2.1詳細(xì)模型494
18B.2.2開(kāi)關(guān)函數(shù)495
18B.2.3平均模型495
18B.3實(shí)時(shí)仿真的硬件技術(shù)496
18B.3.1基于DSP的順序編程仿真496
18B.3.2基于FPGA的并行編程仿真496
18B.4用不同方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真器498
18B.4.1平均模型算法的順序編程498
18B.4.2開(kāi)關(guān)函數(shù)算法的并行編程500
18B.5小結(jié)502
參考文獻(xiàn)502
第19章 基于模型預(yù)測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法504
19.1簡(jiǎn)介504
19.2電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)典控制方案綜述504
19.2.1電機(jī)模型505
19.2.2磁場(chǎng)定向控制505
19.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制506
19.3預(yù)測(cè)電流控制509
19.3.1預(yù)測(cè)模型509
19.3.2價(jià)值函數(shù)510
19.3.3預(yù)測(cè)算法510
19.3.4控制方案510
19.4預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制511
19.4.1預(yù)測(cè)模型511
19.4.2價(jià)值函數(shù)512
19.4.3預(yù)測(cè)算法512
19.4.4控制方案512
19.5使用矩陣變換器的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制513
19.5.1預(yù)測(cè)模型513
19.5.2價(jià)值函數(shù)514
19.5.3預(yù)測(cè)算法514
19.5.4控制方案514
19.5.5無(wú)功功率的控制514
19.6預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)速控制516
19.6.1預(yù)測(cè)模型516
19.6.2價(jià)值函數(shù)517
19.6.3預(yù)測(cè)算法518
19.6.4控制方案518
19.7小結(jié)519
致謝519
參考文獻(xiàn)519
第20章 電流源變流器電氣傳動(dòng)系統(tǒng)522
20.1簡(jiǎn)介522
20.2傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)523
20.3 CSC的PWM控制524
20.4 CSR的通用控制方法527
20.5異步和永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型529
20.6異步電機(jī)的電流和電壓控制531
20.6.1磁場(chǎng)定向控制（FOC）531
20.6.2電流多標(biāo)量控制533
20.6.3電壓多標(biāo)量控制534
20.7永磁同步電機(jī)的電流和電壓控制538
20.7.1 PMSM的電壓多標(biāo)量控制538
20.7.2內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的電流控制541
20.8 CSC驅(qū)動(dòng)雙饋電機(jī)的控制系統(tǒng)543
20.9小結(jié)546
參考文獻(xiàn)547
第21章 PWM逆變器共模電壓和軸承電流：原因、影響和抑制548
21.1簡(jiǎn)介548
21.1.1容性軸承電流551
21.1.2放電電流551
21.1.3軸承環(huán)流電流551
21.1.4轉(zhuǎn)子接地電流553
21.1.5軸承電流的主要分量553
21.2異步電機(jī)共模參數(shù)的確定553
21.3抑制共模電流的無(wú)源方法555
21.3.1降低逆變器開(kāi)關(guān)頻率556
21.3.2共模電抗器556
21.3.3共模無(wú)源濾波器557
21.3.4共模變壓器559
21.3.5帶濾波器系統(tǒng)的半有源共模電流抑制560
21.3.6共模和差模集成式電抗器561
21.3.7電機(jī)結(jié)構(gòu)和軸承保護(hù)環(huán)561
21.4用于減小共模電流的有源系統(tǒng)562
21.5減小共模電流的PWM修正算法563
21.5.1三個(gè)奇性有效矢量（3NPAV）564
21.5.2三個(gè)有效矢量調(diào)制（3AVM）565
21.5.3有效零電壓控制（AZVC）565
21.5.4單零矢量空間矢量調(diào)制（SVM1Z）567
21.6小結(jié)568
參考文獻(xiàn)569
第22章 大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用： 實(shí)例571
22.1簡(jiǎn)介571
22.2液化天然氣工廠(chǎng)571
22.3燃?xì)廨啓C(jī)：傳統(tǒng)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器572
22.3.1機(jī)組起動(dòng)要求572
22.3.2溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)輸出的影響573
22.3.3可靠性和持久性573
22.4變頻驅(qū)動(dòng)器對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的影響574
22.5大功率電機(jī)575
22.5.1新型大功率電機(jī)576
22.5.2無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)578
22.6大功率電力驅(qū)動(dòng)579
22.7開(kāi)關(guān)器件580
22.7.1大功率半導(dǎo)體器件581
22.8大功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)582
22.8.1 LCI583
22.8.2VSI583
22.8.3小結(jié)584
22.9多電平VSI拓?fù)?84
22.9.1兩電平逆變器584
22.9.2多電平逆變器585
22.10大功率電力驅(qū)動(dòng)控制591
22.10.1 PWM方法592
22.11小結(jié)595
致謝595
參考文獻(xiàn)595
第23章 單相電網(wǎng)側(cè)變流器的調(diào)制與控制598
23.1簡(jiǎn)介598
23.2單相VSC調(diào)制技術(shù)599
23.2.1并聯(lián)H-BC600
23.2.2 H-DCC603
23.2.3 H-FCC606
23.2.4比較611
23.3交流-直流單相VSC的控制616
23.3.1單相控制算法的分類(lèi)617
23.3.2 dq同步坐標(biāo)系下的電流控制——PI-CC 618
23.3.3abc靜止參考坐標(biāo)系電流控制——PR-CC 620
23.3.4控制器設(shè)計(jì)622
23.3.5有功功率前饋算法625
23.4小結(jié)627
參考文獻(xiàn)628
第24章 阻抗源逆變器631
24.1多電平逆變器631
24.1.1無(wú)變壓器技術(shù)631
24.1.2傳統(tǒng)CMI或混合CMI631
24.1.3單級(jí)逆變器拓?fù)?32
24.2準(zhǔn)Z源逆變器633
24.2.1準(zhǔn)Z源逆變器的原理633
24.2.2qZSI的控制方法635
24.2.3適用于帶電池的光伏系統(tǒng)的qZSI 637
24.3基于qZSI的串聯(lián)多電平光伏系統(tǒng)639
24.3.1工作原理639
24.3.2控制策略和電網(wǎng)同步641
24.4硬件實(shí)現(xiàn)643
24.4.1阻抗參數(shù)643
24.4.2控制系統(tǒng)644
致謝645
參考文獻(xiàn)645