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可再生能源系统高级变流技术及应用

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电源

新能源

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能量转换技术是电力电子学的关键,对于需要大量变流器的可再生能源系统更是如此。本书描述了高级变流技术并提供了可再生能源系统(包括风电机组及太阳能板发电系统)使用的变流器及逆变器的设计案例。作为预备性内容,本书首先回顾了天文学和地球物理学的基本知识,然后系统介绍了200多种最初由作者开发的高级换流器拓扑,包括150多种现代变流技术的更新电路。本书还讨论了新近发表的拓扑,并详尽分析了新型变流器电路。这些创新方法包括可应用于超举变流器和其他变流器的分裂电容器和分裂电抗器技术。除了介绍很多前沿技术之外,作者还解决了一些历史问题,如准确确定单相整流器导通角和功率因数校正。他们还介绍了一种新级数梯次多电平逆变器。这种逆变器可使用很少器件来产生更多电平,克服了脉宽调制(PWM)逆变器的缺点,开辟了更广阔的工业应用领域。本书两作者是高级变流技术的开拓者。他们创建了大量变流器,包括世界著名的DC/DC罗氏变流器和超举罗氏变流器。本书包含了大量案例和图表,可以指导读者设计可再生能源系统使用的高级变流器。本书可供从事电力电子技术的科研和工程技术人员阅读,也可供高等院校相关专业师生参考。

译者序

原书前言

作者简介

第1章引言1

1.1宇宙中的恒星2

1.2银河系,星云和黑洞4

1.3红移和宇宙大爆炸7

1.4太阳系8

1.5地球12

1.5.1地球是圆的13

1.5.2公转和自转13

1.5.3地球是太阳系的行星14

1.5.4地层15

1.5.5地壳的化学构成16

1.5.6地球上的水16

1.5.7地壳构造板块17

1.5.8地球是非常脆弱的17

1.5.9地球的地质年龄18

1.5.10保护地球18

参考文献18

第2章新能源19

2.1核裂变19

2.1.1裂变过程19

2.1.2链式反应20

2.2核聚变21

2.2.1聚变过程21

2.2.2氢元素22

2.2.3聚变反应23

2.2.4热核聚变23

2.3微中子的捕获24

2.3.1微中子24

2.3.2微中子的来源25

2.3.3微中子探测28

2.4小结29

参考文献29

第3章3G和可再生能源30

3.1分布式发电30

3.1.1规模经济性30

3.1.2就地发电30

3.1.3分布式能源31

3.1.4成本因素31

3.2微电网32

3.3智能电网33

3.4太阳能35

3.5可再生能源36

参考文献37

第4章电力电子学38

4.1本书使用的符号和因数38

4.1.1电力系统使用的符号38

4.1.2AC系统使用的因数和符号40

4.1.3DC系统使用的因数和符号42

4.1.4功率开关系统使用的因数和符号43

4.1.5其他因数和符号45

4.1.6快速傅里叶变换49

4.2AC/DC整流器55

4.2.1历史问题56

4.2.2现代化电路56

4.2.3功率因数校正方法56

4.3DC/DC变流器56

4.3.1现代化变流器57

4.3.2新概念和数学建模57

4.3.3功率比校核57

4.4DC/AC逆变器57

4.4.1现有逆变器分类58

4.4.2现代化电路58

4.4.3软开关方法58

4.5AC/AC变流器58

4.6AC/DC/AC和DC/AC/DC变流器59

参考文献60

第5章不可控AC/DC变流器61

5.1引言61

5.2单相半波变流器62

5.2.1R负荷62

5.2.2R-L负荷62

5.2.3带续流二极管的R-L电路68

5.2.4带反电动势的R-L负荷电路69

5.2.5带电容滤波器的单相半波整流器73

5.3单相全波变流器77

5.3.1R负荷78

5.3.2R-C负荷79

5.3.3R-L负荷81

5.4三相半波变流器83

5.4.1R负荷83

5.4.2R-L负荷84

5.5六相半波变流器86

5.5.1带中性线的六相电路86

5.5.2平衡扼流双反星电路87

5.6三相全波变流器87

5.7多相全波变流器90

5.7.1六相全波二极管整流器90

5.7.2六相双桥式全波二极管整流器91

5.7.3六相双变压器双桥全波二极管整流器91

5.7.4六相三变压器双桥全波二极管整流器91

参考文献93

第6章可控AC/DC变流器94

6.1引言94

6.2单相半波可控变流器94

6.2.1R负荷94

6.2.2R-L负荷96

6.2.3R-L负荷加反电动势Vc98

6.3单相全波可控变流器99

6.3.1α>φ,断续负荷电流101

6.3.2α=φ,连续负荷电流的边缘状态102

6.3.3α<φ,连续负荷电流102

6.4三相半波可控整流器103

6.4.1R负荷电路104

6.4.2R-L负荷电路105

6.5六相半波可控整流器106

6.5.1带中性线六相电路106

6.5.2平衡扼流双反星电路108

6.6三相全波可控变流器109

6.7多相全波可控变流器111

6.8线路电感对输出电压的影响(重叠)114

参考文献116

第7章AC/DC变流器的功率因数校正118

7.1引言118

7.2DC/DC变换整流器118

7.3PWM升压型整流器125

7.3.1直流侧的PWM升压型整流器125

7.3.2电源侧PWM升压型整流器127

7.4抽头变压器型整流器129

7.5单级功率因数校正AC/DC整流器133

7.5.1工作原理134

7.5.2数学模型推导135

7.5.3仿真结果139

7.5.4试验结果139

7.6VIENNA整流器142

7.6.1电路分析与工作原理144

7.6.2提议的控制算法146

7.6.3提议的VIENNA整流器的控制器框图148

7.6.4变流器的设计与仿真结果148

7.6.5试验结果152

参考文献157

第8章经典DC/DC变流器159

8.1引言159

8.2基本变流器161

8.2.1降压变流器162

8.2.2升压变流器165

8.2.3升降压变流器167

8.3正输出升降压变流器170

8.3.1降压运行模式171

8.3.2升压运行模式171

8.3.3升降压运行模式171

8.3.4运行控制171

8.4变压器型变流器174

8.4.1正励变流器175

8.4.2反励变流器178

8.4.3推挽变流器178

8.4.4半桥变流器178

8.4.5桥式变流器179

8.4.6Zeta变流器181

8.5成熟变流器181

8.5.1正输出罗氏变流器(基本电路)181

8.5.2负输出罗氏变流器(基本电路)186

8.5.3双输出罗氏变流器(基本电路)188

8.5.4Cúk变流器188

8.5.5单端初级电感变流器191

8.6分接电感式变流器192

参考文献194

第9章电压举升变流器195

9.1引言195

9.2七种自举变流器196

9.2.1自举Cúk变流器197

9.2.2自举正输出罗氏变流器201

9.2.3反向自举正输出罗氏变流器204

9.2.4自举负输出罗氏变流器206

9.2.5反向自举负输出罗氏变流器208

9.2.6自举SEPIC变流器210

9.2.7增强型自举正输出罗氏变流器213

9.3正输出罗氏变流器214

9.3.1再举电路214

9.3.2三举电路220

9.3.3四举电路222

9.3.4小结225

9.4负输出罗氏变流器227

9.4.1再举电路227

9.4.2负输出三举电路231

9.4.3负输出四举电路233

9.4.4小结235

9.5改进的正输出罗氏变流器237

9.5.1自举电路237

9.5.2再举电路238

9.5.3多举电路240

9.6双输出罗氏变流器241

9.6.1自举电路242

9.6.2再举电路247

9.6.3三举电路253

9.6.4四举电路257

9.6.5小结261

9.7Cúk电压举升变流器263

9.7.1基本自举Cúk电路264

9.7.2成熟自举Cúk变流器264

9.7.3再举Cúk变流器265

9.7.4多举Cúk变流器266

9.7.5基本自举电路与成熟自举电路的仿真及试验验证266

9.8SEPIC电压举升变流器267

9.8.1自举SEPIC电路268

9.8.2再举SEPIC电路268

9.8.3多举SEPIC变流器269

9.8.4再举SEPIC变流器的仿真及试验结果2709.9其他双输出升压变流器271

9.9.1基本电路272

9.9.2自举双输出电路272

9.9.3加强系列双输出电路272

9.9.4加强型双输出自举电路的仿真及试验验证274

9.10投切电容式变流器275

9.10.1一阶投切电容式降压变流器278

9.10.2二阶投切电容式升降压变流器279

9.10.3三阶投切电容式正输出罗氏变流器282

9.10.4三阶投切电容式负输出罗氏变流器282

9.10.5讨论283

参考文献289

第10章超举变流器和特举变流器292

10.1引言292

10.2正输出超举罗氏变流器292

10.2.1主系列292

10.2.2附加系列297

10.2.3增强系列302

10.2.4再增强系列306

10.2.5多级增强系列310

10.2.6正输出超举罗氏变流器概要315

10.3负输出超举罗氏变流器318

10.3.1主系列318

10.3.2负输出附加系列323

10.3.3增强系列328

10.3.4再增强系列332

10.3.5负输出多级增强系列336

10.3.6负输出罗氏超举变流器概要340

10.4正输出级联升压变流器343

10.4.1主系列343

10.4.2附加系列347

10.4.3双升压系列351

10.4.4三升压系列355

10.4.5多升压系列359

10.4.6正输出级联罗氏变流器概要363

10.5负输出级联升压变流器365

10.5.1主系列365

10.5.2负输出附加系列369

10.5.3双升压系列374

10.5.4三升压系列378

10.5.5多升压系列382

10.5.6负输出级联升压变流器概要386

10.6特举罗氏变流器388

10.6.1特举罗氏变流器的运行389

10.6.2瞬时值393

10.6.3特举罗氏变流器与其他变流器的增益比较396

10.6.4仿真结果396

10.6.5试验结果396

10.6.6小结398

参考文献398

第11章分裂电容器和分裂电感器技术及其在正输出超举罗氏变流器中的应用399

11.1引言399

11.2分裂电容器400

11.3分裂电感器400

11.4用于正输出超举罗氏变流器中的分裂电容器和分裂电感器401

11.4.1两分裂电容(α=2)用于正输出基本超举电路402

11.4.2两分裂电感(β=2)应用于基本正输出SL电路403

11.4.3α分裂电容和β分裂电感应用于基本正输出SL电路403

11.5主系列404

11.6MEC,分裂电容器用于双倍增强电路405

11.7附加系列406

11.7.1基本附加电路406

11.7.2再举附加电路408

11.7.3三举附加电路409

11.7.4多举附加电路409

11.8多级系列409

11.8.1增强系列410

11.8.2再增强电路410

11.8.3多级增强电路411

11.9使用分裂电容器和分裂电感器的正输出超举罗氏变流器概要411

11.10仿真结果412

11.10.1再举电路仿真结果413

11.10.2再举附加电路仿真结果413

11.11试验结果414

11.11.1再举电路试验结果414

11.11.2再举附加电路试验结果414

参考文献415

第12章脉宽调制DC/AC逆变器416

12.1引言416

12.2脉宽调制技术中使用的参数418

12.2.1调制比418

12.2.2谐波参数422

12.3典型脉宽调制逆变器422

12.3.1电压源逆变器422

12.3.2电流源逆变器422

12.3.3阻抗网络逆变器(Z源逆变器)423

12.3.4DC/AC逆变器电路423

12.4单相电压源逆变器423

12.4.1单相半桥电压源逆变器423

12.4.2单相全桥电压源逆变器426

12.5三相全桥电压源逆变器428

12.6三相全桥电流源逆变器430

12.7多级脉宽调制逆变器432

12.7.1单极性脉宽调制电压源逆变器432

12.7.2多单元脉宽调制电压源逆变器433

12.7.3多电平脉宽调制逆变器436

12.8阻抗网络逆变器(Z源逆变器)438

12.8.1与VSI、CSI的比较438

12.8.2等效电路和运行方式440

12.8.3电路分析及计算442

12.9扩展升压Z源升压逆变器444

12.9.1Z源逆变器及基本拓扑445

12.9.2扩展升压准Z源逆变器拓扑445

12.9.3仿真结果452

参考文献456

第13章多电平和软开关DC/AC逆变器457

13.1引言457

13.2二极管钳位(中性点钳位)多电平逆变器459

13.3电容器钳位(飞跨电容器)多电平逆变器464

13.4使用H桥变流器的多电平逆变器466

13.4.1级联等电压多电平逆变器467

13.4.2二进混合多电平逆变器467

13.4.3准线性多电平逆变器468

13.4.4三进混合多电平逆变器468

13.5其他种类的多电平逆变器468

13.5.1广义多电平逆变器468

13.5.2混合电平多电平逆变器拓扑470

13.5.3三相两电平逆变器连接组成的多电平逆变器470

13.6软开关多电平逆变器470

13.6.1用于无刷直流电机的直流环节电压凹陷逆变器471

13.6.2谐振极逆变器483

13.6.3基于变压器的直流环节谐振逆变器494

参考文献508

第14章太阳能板发电系统使用的高级多电平DC/AC逆变器511

14.1引言511

14.2级数(数列)512

14.2.1算术级数512

14.2.2几何级数513

14.2.3特殊级数514

14.3梯式多电平DC/AC逆变器515

14.3.1特殊开关515

14.3.2梯式逆变器的一般电路516

14.3.3线性梯式逆变器516

14.3.4自然数梯式逆变器517

14.3.5奇数梯式逆变器518

14.3.6二进梯式逆变器518

14.3.7修正的二进梯式逆变器519

14.3.8罗氏级数梯式逆变器519

14.3.9叶氏级数梯式逆变器520

14.3.10三进梯式逆变器521

14.4各种梯式逆变器的比较522

14.5太阳能板发电系统523

14.6仿真和试验结果525

14.7投切电容式多电平DC/AC逆变器526

14.7.1多电平DC/AC逆变器使用的投切电容器526

14.7.2仿真与试验结果529

14.8超举多电平DC/AC逆变器529

14.8.1某些正输出超举罗氏变流器529

14.8.2多电平DC/AC逆变器使用的超举变流器530

14.8.3仿真与试验结果533

参考文献534

第15章传统AC/AC变流器535

15.1引言535

15.2单相AC/AC调压变流器536

15.2.1相控式单相AC/AC电压控制器537

15.2.2开关控制型单相AC/AC电压控制器543

15.3三相AC/AC调压变流器545

15.3.1相控三相交流电压控制器545

15.3.2三相三线全控交流电压控制器547

15.4周波变换器551

15.4.1单相输入/单相输出的周波变换器552

15.4.2三相周波变换器557

15.4.3周波变换器控制策略562

15.4.4周波变换器谐波及输入电流波形567

15.4.5周波变换器输入位移/功率因数568

15.4.6电源阻抗的影响569

15.4.7周波变换器性能仿真分析569

15.4.8强制换向周波变换器569

15.5矩阵变流器570

15.5.1矩阵变流器的运行及控制方法571

15.5.2矩阵变流器中的换向及保护问题576

参考文献577

第16章改进的AC/AC变流器579

16.1DC调制的单级AC/AC变流器579

16.1.1双向互斥开关SM-SS581

16.1.2DC/DC变流器数学建模582

16.1.3DC调制单级降压型AC/AC变流器584

16.1.4DC调制单级升压型AC/AC变流器592

16.1.5DC调制单级升降压型AC/AC变流器599

16.2其他类型的DC调制AC/AC变流器606

16.2.1DC调制正输出罗氏变流型AC/AC变流器606

16.2.2DC调制二级升压型AC/AC变流器608

16.3DC调制多相AC/AC变流器609

16.3.1DC调制三相降压型AC/AC变流器609

16.3.2DC调制三相升压型AC/AC变流器610

16.3.3DC调制三相升降压型AC/AC变流器610

16.4降低AC/AC矩阵变流器THD的次包络调制法613

16.4.1次包络调制法615

16.4.224开关矩阵变流器621

16.4.3电流换相623

16.4.4仿真和试验结果626

参考文献631

第17章AC/DC/AC和DC/AC/DC变流器634

17.1引言634

17.2风力发电系统使用的AC/DC/AC变流器634

17.2.1传统AC/AC变流器回顾636

17.2.2新型AC/DC/AC变流器636

17.2.3与公用电网连接的风力发电系统640

17.3DC/AC/DC变流器640

17.3.1传统DC/DC变流器回顾640

17.3.2斩波型DC/AC/DC变流器642

17.3.3投切电容型DC/AC/DC变流器644

参考文献650

第18章太阳能板和风电机组发电系统的设计651

18.1引言651

18.2风力发电系统652

18.2.1技术特性654

18.2.2设计案例658

18.2.3变流器设计660

18.2.4仿真结果661

18.3太阳能板发电系统662

18.3.1技术特性662

18.3.2正输出超举罗氏变流器663

18.3.3闭环控制663

18.3.4PWM逆变器664

18.3.5系统设计665

18.3.6仿真结果665

参考文献668

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