這是一本關(guān)于電力電子技術(shù)綜述、科普的書。
本書對電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進行了比較系統(tǒng)、全面的闡述,包括功率器件、磁性元件、變換器拓撲結(jié)構(gòu)、變換器建模及控制、新能源發(fā)電、高壓交直流輸電、柔性交直流配電、通用電源、特種電源以及國內(nèi)外電力電子相關(guān)學(xué)術(shù)組織等,基本反映了國內(nèi)外電力電子技術(shù)發(fā)展歷史過程中的關(guān)鍵事件與節(jié)點。
本書公式很少,對技術(shù)基本都以圖示為主,進行原理性、概念性的解釋。本書可以作為電力電子技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生、教師、工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)參考書。
目前,電氣工程專業(yè)電力電子方向熱度持續(xù)上升,張雪峰老師的推薦,以及目前的報考熱度及就業(yè)情況都有較好的前景。但是該領(lǐng)域門檻較高,廣大讀者或者準備進入這個領(lǐng)域的年輕學(xué)生對此沒有具體全面的了解。所以本書從人們熟悉的雷電講起,一直講到如今的智能電網(wǎng)、電源的發(fā)展歷程。全書用通俗的語言講述了電力電子學(xué)科的誕生。后半部分難度略深,比較適合準備讀本專業(yè)的研究生的高年級學(xué)生閱讀,對于讀者選取研究方向有一定的參考價值。本書的最大亮點是隨書贈送1.8米長的彩色拉頁,向讀者展示了電力電子重要歷史時刻的畫卷。這是在屏幕閱讀上無法感受的效果,體現(xiàn)的紙書的魅力。
關(guān)于電力電子,我有一個習(xí)慣或者愛好吧,就是喜歡在網(wǎng)上淘一些電力電子相關(guān)的老書、老文件、老照片等,主要目的呢,就是想等我退休的時候再來看看這些差不多100年前人們寫的書,像看一件件古董一樣,那種感覺還是挺有意思的。在不斷地收集以及閱讀這些老書的過程中,有的時候覺得自己的知識面很窄,或者說對以前的知識了解太少。某一天突然冒出一個想法,能不能寫一本關(guān)于電力電子歷史或者說是發(fā)展歷程的書呢?有了這樣一本書,大家就可以對電力電子的整個發(fā)展歷程,或者說某一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展特征有整體的把握,知道來龍去脈,比如說現(xiàn)在大部分電力電子教材里基本都先講晶閘管以及相控整流,那晶閘管產(chǎn)生的背后故事是什么呢?又是誰在什么時候提出相控整流的呢?為什么要整流成直流?其最初的應(yīng)用場合是什么呢?說實話,在寫這本書之前,這些問題我都無法回答。那就需要進行電力電子背后故事的“考古挖掘”。
有了這個想法之后,我就開始動手查資料、收集素材,后面發(fā)覺一發(fā)不可收拾,越寫越多,包含的內(nèi)容越來越多,到最后實在沒辦法了只能打住,因為電力電子研究領(lǐng)域?qū)嵲谔S富了,只能挑其中主要的內(nèi)容來寫。
全書共10章。第1章介紹了電氣科學(xué)誕生過程中的主要關(guān)鍵節(jié)點和電力電子的定義。第2章主要介紹了貓須探測器、真空管、水銀整流器、晶體管等功率器件的發(fā)展過程。第3章介紹了變壓器、磁放大器等磁性元件以及相應(yīng)的交流電阻、漏感、磁心損耗、寄生電容等模型的發(fā)展過程。第4章介紹了多種電路拓撲(整流器、逆變器、軟開關(guān)變換器、多電平變換器等)的發(fā)展過程。第5章介紹了電力電子系統(tǒng)建模、控制與穩(wěn)定運行相關(guān)技術(shù)。第6章介紹了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲能相關(guān)的電力電子裝備以及新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩分析。第7章介紹了交流輸電系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)中的電力電子裝備。第8章介紹了柔性交直流配電網(wǎng)中的電力電子裝備。第9章介紹了一些通用電源技術(shù),如照明電源、信息系統(tǒng)電源、變頻電源、電動汽車和軌道交通中的電源等。第10章介紹了一些高電壓、大電流、脈沖等特種電源技術(shù)。附錄介紹了電力電子相關(guān)學(xué)會的發(fā)展歷程。
當(dāng)然,這本書也有一些遺憾,比如說我在規(guī)劃的時候有一章是關(guān)于國內(nèi)電力電子老一輩科學(xué)家的采訪,如浙江大學(xué)的汪槱生院士、南京航空航天大學(xué)的嚴仰光教授、上海大學(xué)的陳伯時教授、華中科技大學(xué)的陳堅教授等,我當(dāng)時聯(lián)系浙江大學(xué)的姚文熙教授想去采訪汪院士,但當(dāng)時汪院士住院了,就沒有成行,之后這事就給落下了,這些老一輩科學(xué)家都是電力電子領(lǐng)域的寶貴財富,希望后續(xù)修訂中能夠增加這些采訪,聽一聽他們的故事。當(dāng)然在本書的專業(yè)內(nèi)容上也有一些遺憾,比如電容器、功率器件封裝、電磁兼容、可靠性等沒有包含在內(nèi)。
由于電力電子技術(shù)涉及面非常廣,一個人是不可能完成這本書的編寫的,在整個編寫過程中得到了很多朋友的幫助,如東南大學(xué)的沈湛副研究員、雷家興副教授、王江峰副研究員、李鑫副研究員、付興賀副教授、鄒志翔副教授,中國電力科學(xué)研究院有限公司的李光輝主任,湖南大學(xué)汪洪亮教授,南京理工大學(xué)的楊飛副教授,南京工業(yè)大學(xué)的郗煥副教授,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)的曹玲玲副教授,天津大學(xué)的冀浩然副教授,浙江富特科技股份有限公司的產(chǎn)品總監(jiān)吳犇先生,深圳威邁斯新能源股份有限公司的馮穎盈高級副總裁等,他們或提供了相關(guān)資料、或?qū)Σ糠謨?nèi)容進行了校對,在此表示感謝。
浙江大學(xué)的徐德鴻教授、西安交通大學(xué)的劉進軍教授、華南理工大學(xué)的張波教授、湖南大學(xué)的陳燕東教授審閱了本書初稿,提出了許多寶貴的意見和建議,在此一并致謝。
本書是關(guān)于電力電子專業(yè)的,自然要感謝我的幾位專業(yè)老師,他們是我在南京航空航天大學(xué)求學(xué)期間的阮新波教授、香港城市大學(xué)工作期間的Shu Yuen Ron Hui(許樹源)教授、美國北卡羅來納州立大學(xué)博士后期間的Alex Huang(黃勤)教授。
本書的出版得到了機械工業(yè)出版社的大力支持,責(zé)任編輯羅莉女士為本書的出版做了大量工作,特此致謝。
國內(nèi)外資料的收集和分析,需要很長的時間和很大的精力,這是一項非常艱巨的任務(wù)。而這本書僅是利用工作之余的時間完成的(還是用了我大量時間)。因而其內(nèi)容很難達到科技史那樣的高標準。僅僅是拋磚引玉,同時也希望看到這本書的同仁們能夠?qū)⑾嚓P(guān)的電力電子技術(shù)史的資料,通過郵件或其他形式發(fā)給我,我在后續(xù)的修訂中進行改正或增加。由于書中很多知識點都是我自學(xué)然后編寫的,難免有疏漏和錯誤之處,敬請讀者批評指正
陳武,博士,教授,博士生導(dǎo)師,國家優(yōu)青,先進電能變換技術(shù)與裝備研究所所長。分別于2003年、2006年和2009年在南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位,2009年至2010年在香港城市大學(xué)從事高級研究助理工作,2010年至2011年在美國北卡羅來納州立大學(xué)從事博士后工作,2011年10月至今于東南大學(xué)電氣工程學(xué)院任教。
長期從事大功率電力電子變換及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金3項、國家重點研發(fā)計劃子課題2項、省部級項目5項;作為研究骨干參加國家“863”項目1 項,以及企業(yè)課題10余項。與某企業(yè)歷時10年合作研制了高頻高壓除塵電源、高壓脈沖除塵電源、高壓納秒電源三代節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品,擁有多項技術(shù)創(chuàng)新,累計銷售額達30億元,國內(nèi)市場占有率第一,經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。研究成果以第一作者/通信作者發(fā)表SCI/EI論文70余篇,其中SCI期刊論文30余篇;出版專著2部;已獲授權(quán)美國專利4項、中國發(fā)明專利23項(1項已轉(zhuǎn)讓)。因在電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域取得了比較突出的學(xué)術(shù)成績,獲國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、自然科學(xué)一等獎、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎、全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎、中國電源學(xué)會優(yōu)秀青年獎、中國電源學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎、入選江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計劃。
擔(dān)任的主要社會兼職包括:IEEE高級會員;擔(dān)任中國電源學(xué)會直流電源專委會副主任委員和青年工作委員會副主任委員;擔(dān)任江蘇省電除塵器高頻電源工程技術(shù)研究中心理事;擔(dān)任IEEE Trans. Industrial Electronics、Journal of Power Electronics、CESS Journal of Power and Energy Systems以及中國電源學(xué)會英文會刊CPSS Trans. Power Electronics and Applications的副編輯(Associate Editor);擔(dān)任IEEE ECCE 等多個國際會議分會主席和技術(shù)程序委員會委員;在國際會議(ECCE-Asia)組織了大功率電力電子技術(shù)在新能源并網(wǎng)中應(yīng)用的專題(special session);擔(dān)任電源學(xué)報“電力電子前沿技術(shù)與應(yīng)用”專輯主編。
電力電子新技術(shù)系列圖書序言
序
前言
第1章電氣科學(xué)的誕生
1.1雷電和靜電
1.2靜電和“動”電
1.3電磁感應(yīng)和電路定律
1.4交流電和直流電
1.5兩相電和三相電
1.6電力電子的含義
參考文獻
第2章江山代有器件出,各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)十載
2.1貓須探測器
2.2愛迪生效應(yīng)——真空管
2.3外星人的黑科技——水銀整流器
2.4一個籬笆三個樁——三極管的發(fā)明
2.5周公吐哺,天下硅芯
2.6一寸寬一寸強——寬禁帶半導(dǎo)體器件
2.7其余代表性功率器件
2.8后記——為什么叫“硅[ɡuī]”
參考文獻
第3章磁性元件
3.1變形金剛(transformer)
3.2第二次世界大戰(zhàn)中德軍的秘密武器——磁放大器
3.3磁性元件模型
3.3.1交流電阻模型
3.3.2漏感模型
3.3.3磁心損耗模型
3.3.4寄生電容模型
3.4磁集成
參考文獻
第4章變換器拓撲結(jié)構(gòu)
4.1整流電路
4.2逆變器
4.3Cuk、SEPIC、Zeta變換器
4.4開關(guān)電容變換器
4.5軟開關(guān)變換器
4.6多電平變換器
4.7模塊化多電平變換器
4.8Z源變換器
4.9雙有源橋變換器
4.10三相PFC整流器
4.11AC-AC變頻器
參考文獻
第5章電力電子系統(tǒng)建模、控制與穩(wěn)定運行技術(shù)
5.1開關(guān)器件調(diào)制
5.1.1相位調(diào)制
5.1.2脈沖寬度/頻率調(diào)制
5.2電壓/電流控制
5.2.1電壓控制
5.2.2電流控制
5.2.3電荷控制
5.2.4單周期控制
5.3坐標變換
5.3.1Clarke變換
5.3.2Park變換
5.3.3坐標變換的目的
5.3.4三相靜止到兩相靜止坐標變換
5.3.5兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換
5.4逆變器/變頻器控制
5.4.1多重疊加法
5.4.2特定諧波消除法
5.4.3滯環(huán)控制
5.4.4正弦脈寬調(diào)制(SPWM)
5.4.5梯形波調(diào)制法和三次諧波注入法
5.4.6無差拍控制
5.4.7隨機PWM
5.4.8矢量控制
5.4.9直接轉(zhuǎn)矩控制
5.5電力電子系統(tǒng)小信號建模
5.5.1狀態(tài)空間平均法
5.5.2諧波線性化方法
5.5.3諧波狀態(tài)空間法
5.5.4動態(tài)相量法
5.5.5廣義dq建模法
5.6電力電子系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性
5.6.1特征值分析法和阻抗分析法
5.6.2Middlebrook判據(jù)與阻抗比判據(jù)
5.6.3基于阻抗比的禁區(qū)判據(jù)
5.6.4逆阻抗比判據(jù)
5.6.5通用阻抗比判據(jù)
5.6.6阻抗和判據(jù)、導(dǎo)納和判據(jù)與全局導(dǎo)納判據(jù)
5.6.7無源判據(jù)與母線阻抗判據(jù)
5.6.8適用于三相交流系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)
5.7多變換器模塊串并聯(lián)均壓/均流控制
5.7.1DC-DC變換器串并聯(lián)組合系統(tǒng)
5.7.2DC-AC逆變器串并聯(lián)組合系統(tǒng)
參考文獻
第6章新能源發(fā)電中的電力電子
6.1光伏發(fā)電
6.1.1光伏發(fā)展簡介
6.1.2光伏系統(tǒng)中的電力電子
6.1.3光伏系統(tǒng)中的漏電流問題及解決方案
6.2風(fēng)力發(fā)電
6.2.1風(fēng)力發(fā)電簡介
6.2.2風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流器
6.2.3風(fēng)力發(fā)電送出技術(shù)
6.3儲能
6.3.1儲能發(fā)展簡介
6.3.2儲能雙向DC-DC變換器
6.3.3儲能雙向DC-AC變流器
6.4新能源并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩分析與抑制
6.4.1振蕩現(xiàn)象
6.4.2振蕩分析方法
6.4.3振蕩抑制方法
6.4.4振蕩工程分析與抑制案例
參考文獻
第7章交直流輸電系統(tǒng)中的電力電子
7.1交流輸電技術(shù)發(fā)展簡史
7.2FACTS控制器
7.2.1并聯(lián)型FACTS控制器
7.2.2串聯(lián)型FACTS控制器
7.2.3串聯(lián)/串聯(lián)組合型FACTS控制器
7.2.4串聯(lián)/并聯(lián)組合型FACTS控制器
7.3直流輸電技術(shù)發(fā)展簡史
7.4電壓源換流器
7.5直流斷路器
7.6直流耗能裝置
參考文獻
第8章交直流配電系統(tǒng)中的電力電子
8.1電力電子變壓器
8.2直流變壓器
8.3配電網(wǎng)柔性接地裝置
8.4電能質(zhì)量治理
8.4.1諧波治理技術(shù)及相關(guān)設(shè)備
8.4.2三相不平衡治理技術(shù)及相關(guān)設(shè)備
8.4.3電壓暫降防治技術(shù)及相關(guān)設(shè)備
8.4.4變頻器直流側(cè)電壓暫降治理設(shè)備
8.5柔性合環(huán)裝置
參考文獻
第9章通用電源
9.1照明電源
9.1.1電子鎮(zhèn)流器
9.1.2LED驅(qū)動電源
9.2信息系統(tǒng)電源
9.2.1整流器
9.2.2交流UPS
9.2.3直流UPS
9.3電動汽車
9.3.1車載充電機OBC
9.3.2車載DC-DC模塊
9.3.3非車載充電機
9.3.4電機控制器MCU
9.4軌道交通
9.4.1供電電源
9.4.2變電所與接觸網(wǎng)
9.4.3牽引傳動系統(tǒng)
9.4.4軌道交通新技術(shù)
9.5變頻電源
參考文獻
第10章特種電源
10.1感應(yīng)加熱電源
10.2電弧爐用直流電源
10.3電解電源
10.4高壓除塵電源
10.5包絡(luò)線跟蹤電源
10.6電火花加工脈沖電源
10.7超高頻電源
10.8重大裝置用特種電源
10.9無線電能傳輸
10.9.1高頻逆變電路
10.9.2磁耦合機構(gòu)
10.9.3補償拓撲
10.9.4行業(yè)標準
10.9.5產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
參考文獻
附錄電力電子相關(guān)學(xué)會
A.1IEEE電力電子學(xué)會
A.2中國電源學(xué)會
A.3中國電機工程學(xué)會
A.4中國電工技術(shù)學(xué)會
參考文獻