電力電子應用技術手冊

譯者序
原書序
原書前言
第1章 21世紀能源、全球變暖及電力電子的影響1
1.1簡介1
1.2能源1
1.3環(huán)境污染：全球變暖問題3
1.3.1全球變暖影響5
1.3.2全球變暖問題的減緩方法6
1.4電力電子對能源系統(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大容量儲能13
1.5智能電網(wǎng)16
1.6純電動和混合動力電動汽車17
1.6.1電池電動汽車和燃料電池電動汽車的比較18
1.7小結和展望19
參考文獻21
第2章 當前能源面臨的挑戰(zhàn)：電力電子技術的貢獻22
2.1簡介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風能29
2.3.2光伏能源29
2.3.3海洋能32
2.4運輸系統(tǒng)33
2.5儲能系統(tǒng)35
2.5.1技術35
2.5.2在輸配電系統(tǒng)中的應用37
2.5.3在可再生能源系統(tǒng)中的應用37
2.5.4在運輸系統(tǒng)中的應用37
2.6小結38
參考文獻38
第3章 分布式發(fā)電與智能電網(wǎng)的概念與技術概述41
3.1簡介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風電與小型水電機組45
3.5儲能系統(tǒng)46
3.6電動汽車47
3.7微電網(wǎng)47
3.8智能電網(wǎng)問題48
3.9主動配電網(wǎng)管理49
3.10智能電網(wǎng)中的通信系統(tǒng)50
3.11高級量測體系和實時定價51
3.12智能電網(wǎng)的標準化52
參考文獻53
第4章 電力半導體技術的新進展56
4.1簡介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晶體管設計概述61
4.4 SiC器件的柵極和基極驅動64
4.5晶體管并聯(lián)72
4.6應用概述79
4.7 GaN晶體管81
4.8小結83
參考文獻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備的新型功率變流器87
5.1簡介87
5.2交流鏈路通用功率變流器硬開關工作模式87
5.3交流鏈路通用功率變流器的軟開關工作模式92
5.4軟開關交流鏈路通用功率變流器的運行原理 92
5.5設計流程 100
5.6分析102
5.7應用104
5.8小結110
參考文獻110
第6章 大功率電力電子技術：風力發(fā)電的關鍵技術112
6.1簡介112
6.2風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀112
6.3風能轉換114
6.4風電變流器118
6.5風電變流器的功率半導體122
6.6現(xiàn)代風電機組的控制和并網(wǎng)要求123
6.7風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性問題127
6.8小結129
參考文獻129
第7章 光伏發(fā)電系統(tǒng)132
7.1簡介132
7.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率曲線和最大功率點134
7.3并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的架構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)最新進展160
7.6小結162
參考文獻163
第8章 可再生能源系統(tǒng)可控性分析165
8.1簡介165
8.2非線性系統(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L型濾波器連接到電網(wǎng)的風力發(fā)電機的可控性168
8.4通過LCL型濾波器連接到電網(wǎng)的風力發(fā)電機的可控性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191
參考文獻192
第9章 中小型可再生能源系統(tǒng)的通用運行控制1949.1分布式發(fā)電系統(tǒng)194
9.2與電網(wǎng)互動的分布式發(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223
參考文獻224
第10章 雙饋感應電機的特性與控制226
10.1雙饋感應電機的基本原理226
10.2基于AC－DC－AC變流器的雙饋感應電機矢量控制234
10.3基于雙饋感應電機的風力發(fā)電系統(tǒng)254
參考文獻263
第11章 分布式發(fā)電系統(tǒng)中的AC-DC-AC變流器264
11.1簡介264
11.2 AC-DC-AC拓撲結構的脈寬調制策略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變流器的功率響應時間常數(shù)分析296
11.5.2直流母線電容的能量296
11.6小結299
參考文獻299
第12章 多電飛機中的電力電子學302
12.1簡介302
12.2多電飛機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)動機308
12.3.1功率優(yōu)化飛機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高壓運行317
12.7小結319
參考文獻319
第13章 電動汽車和插電式混合動力電動汽車321
13.1簡介321
13.2純電動車、混合動力電動汽車以及插電式混合動力電動汽車的結構322
13.2.1純電動車322
13.2.2混合動力電動汽車322
13.2.3插電式混合動力電動汽車（PHEV）324
13.3 EV和PHEV充電基礎設施325
13.3.1 EV/PHEV電池和充電方式325
13.4電力電子技術在EV和PHEV充電架構中的應用334
13.4.1充電設備335
13.4.2并網(wǎng)基礎設施336
13.5 V2G和V2H概念337
13.5.1電網(wǎng)改造升級338
13.6 PEV充電的電力電子技術339
13.6.1安全注意事項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347
第14章 多電平變流器/逆變器拓撲結構與應用350
14.1簡介350
14.2多電平變流器/逆變器基礎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現(xiàn)拓撲351
14.2.3多電平變流器/逆變器的廣義拓撲及其衍生拓撲353
14.3串聯(lián)式多電平逆變器及其應用358
14.3.1串聯(lián)式多電平逆變器的實用優(yōu)勢358
14.3.2星接串聯(lián)式多電平逆變器及其應用358
14.3.3角接串聯(lián)式多電平逆變器及其應用361
14.3.4用于統(tǒng)一潮流控制的面對面連接串聯(lián)式多電平逆變器364
14.4新興應用與探討366
14.4.1無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器件成本對比：飛跨電容變流器、MMCCC與nX直流變換器372
14.4.5零電流開關：MMCCC 373
14.4.6多電平變流器的容錯性與可靠性377
14.5小結378
致謝379
參考文獻379
第15章 多相矩陣變換器的拓撲和控制381
15.1簡介381
15.2三相輸入五相輸出矩陣變換器381
15.2.1拓撲結構381
15.2.2控制算法382
15.3仿真和實驗結果399
15.4五相輸入三相輸出矩陣變換器402
15.4.1拓撲結構402
15.4.2控制技術403
15.5示例結果 411
致謝413
參考文獻413
第16章 基于升壓電路的單相整流器功率因數(shù)調節(jié)器415
16.1簡介415
16.2基本升壓型PFC 416
16.2.1變換器拓撲結構和平均模型416
16.2.2穩(wěn)態(tài)分析418
16.2.3控制電路418
16.2.4線性控制設計419
16.2.5仿真結果421
16.3不對稱半橋升壓型PFC 422
16.3.1CCM/CVM運行模式和平均模型建模423
16.3.2小信號平均模型和傳遞函數(shù)424
16.3.3控制系統(tǒng)設計425
16.3.4數(shù)字化實現(xiàn)和仿真結果427
16.4交錯雙升壓型PFC430
16.4.1拓撲結構431
16.4.2開關時序432
16.4.3線性控制器設計和實驗結果435
16.5小結436
參考文獻437
第17章有源電力濾波器442
17.1簡介442
17.2諧波442
17.3諧波的作用和負面影響443
17.4諧波國際標準443
17.5諧波類型444
17.5.1諧波電流源444
17.5.2諧波電壓源445
17.6無源濾波器447
17.7功率定義447
17.7.1負載功率和功率因數(shù)447
17.7.2負載功率的定義448
17.7.33D空間電流坐標系中的功率因數(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大功率應用452
17.9 APF開關頻率的選擇方法452
17.10諧波電流提取技術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旋轉坐標系的瞬時功率理論455
17.10.4同步坐標系457
17.10.5自適應干擾消除技術457
17.10.6電容電壓控制458
17.10.7時域相關函數(shù)技術458
17.10.8傅里葉級數(shù)辨識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)一電能質量調節(jié)器468
致謝471
參考文獻471
第18A章 帶有電力電子的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)：強大的仿真工具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”的應用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增加開關頻率481
18A.3異步電機模型482
18A.3.1控制問題482
18A.3.2基于“逆變器”的電機模型482
18A.4實驗結果和小結483
18A.4.1實驗結果483
18A.4.2小結487
參考文獻489
第18B章 模塊化多電平換流器的實時仿真490
18B.1簡介490
18B.1.1 MMC的工業(yè)應用490
18B.1.2電力電子換流器實時仿真的限制490
18B.1.3 MMC拓撲介紹492
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詳細模型494
18B.2.2開關函數(shù)495
18B.2.3平均模型495
18B.3實時仿真的硬件技術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用不同方法實現(xiàn)實時仿真器498
18B.4.1平均模型算法的順序編程498
18B.4.2開關函數(shù)算法的并行編程500
18B.5小結502
參考文獻502
第19章 基于模型預測的電機轉速控制方法504
19.1簡介504
19.2電機轉速經典控制方案綜述504
19.2.1電機模型505
19.2.2磁場定向控制505
19.2.3直接轉矩控制506
19.3預測電流控制509
19.3.1預測模型509
19.3.2價值函數(shù)510
19.3.3預測算法510
19.3.4控制方案510
19.4預測轉矩控制511
19.4.1預測模型511
19.4.2價值函數(shù)512
19.4.3預測算法512
19.4.4控制方案512
19.5使用矩陣變換器的預測轉矩控制513
19.5.1預測模型513
19.5.2價值函數(shù)514
19.5.3預測算法514
19.5.4控制方案514
19.5.5無功功率的控制514
19.6預測轉速控制516
19.6.1預測模型516
19.6.2價值函數(shù)517
19.6.3預測算法518
19.6.4控制方案518
19.7小結519
致謝519
參考文獻519
第20章 電流源變流器電氣傳動系統(tǒng)522
20.1簡介522
20.2傳動系統(tǒng)結構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的數(shù)學模型529
20.6異步電機的電流和電壓控制531
20.6.1磁場定向控制（FOC）531
20.6.2電流多標量控制533
20.6.3電壓多標量控制534
20.7永磁同步電機的電流和電壓控制538
20.7.1 PMSM的電壓多標量控制538
20.7.2內嵌式永磁電機的電流控制541
20.8 CSC驅動雙饋電機的控制系統(tǒng)543
20.9小結546
參考文獻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異步電機共模參數(shù)的確定553
21.3抑制共模電流的無源方法555
21.3.1降低逆變器開關頻率556
21.3.2共模電抗器556
21.3.3共模無源濾波器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電機結構和軸承保護環(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
21.5.1三個奇性有效矢量（3NPAV）564
21.5.2三個有效矢量調制（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制（SVM1Z）567
21.6小結568
參考文獻569
第22章 大功率驅動系統(tǒng)在工業(yè)上的應用： 實例571
22.1簡介571
22.2液化天然氣工廠571
22.3燃氣輪機：傳統(tǒng)的壓縮機驅動器572
22.3.1機組起動要求572
22.3.2溫度對燃氣輪機輸出的影響573
22.3.3可靠性和持久性573
22.4變頻驅動器對技術和經濟的影響574
22.5大功率電機575
22.5.1新型大功率電機576
22.5.2無刷勵磁同步電機578
22.6大功率電力驅動579
22.7開關器件580
22.7.1大功率半導體器件581
22.8大功率變流器的拓撲結構582
22.8.1 LCI583
22.8.2VSI583
22.8.3小結584
22.9多電平VSI拓撲584
22.9.1兩電平逆變器584
22.9.2多電平逆變器585
22.10大功率電力驅動控制591
22.10.1 PWM方法592
22.11小結595
致謝595
參考文獻595
第23章 單相電網(wǎng)側變流器的調制與控制598
23.1簡介598
23.2單相VSC調制技術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617
23.3.2 dq同步坐標系下的電流控制——PI-CC 618
23.3.3abc靜止參考坐標系電流控制——PR-CC 620
23.3.4控制器設計622
23.3.5有功功率前饋算法625
23.4小結627
參考文獻628
第24章 阻抗源逆變器631
24.1多電平逆變器631
24.1.1無變壓器技術631
24.1.2傳統(tǒng)CMI或混合CMI631
24.1.3單級逆變器拓撲632
24.2準Z源逆變器633
24.2.1準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645