国际电气工程先进技术译丛 可再生能源系统高级变流技术及应用.pdf

国际电气工程先进技术译丛可再生能源系统高级变流技术及应用Renewable Energy SystemsAdvanced Conversion Technologies and Applications（新加坡）罗方林叶 虹 著刘长浥 贺 敬 马 烁苏媛媛 王文卓 许晓艳 译机 械 工 业 出 版 社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变流器拓扑，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。译者序电力电子学是应用于电力技术领域的电子学，它以大功率电子器件对能量进行控制和变换为主要内容，是电气工程、电子科学与技术、控制理论三大学科的交叉学科。它对大到很多工业分支、小至每个家庭都相当重要。变流技术（ConversionTechnology）是电力电子学的首要课题。它的相应基础设备可分为四种：AC/DC 整流器，DC/DC 变流器，DC/AC 逆变器，AC/AC 变流器。本书全面详尽地介绍了适用于工程类学生和相关专业技术人员的高级变流技术，包括由作者开发的 200 多种高级变流器拓扑。近年来，变流技术发展迅速。本书对很多新型变流电路作了详细分析，说明了确定准确解的正确方法，给出了工业用变流器的设计案例。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。由于可再生能源发电输出固有的随机性和间歇性，这些系统安全稳定地接入公共电网需要使用变流器。例如，风力发电系统需要使用 AC/DC/AC 变流器。太阳能发电系统需要使用 DC/AC/DC 变流器。本书也探讨了用于这些场合的变流器。本书共 18 章，每章的概要内容在“原书前言”中都有具体介绍，此处不再赘述。本书的两位作者多年从事变流技术领域的研究，是高级变流技术方面的开拓者。他们发明了大量变流器；DC/DC 变流器系列被命名为罗氏变流器（Luo Con-verter）。超举变流器是他们 25 年研究工作的最著名成就。两位作者的简介请见“作者简介”。本书的适用读者群是电力电子技术、可再生能源发电方面的研究人员及工程技术人员，也可用作有关专业的大学生、研究生的教学参考资料。本书内容很丰富详尽，但也存在一些瑕疵，使得本书显得不够严谨。最多见的问题是章节号、图号、公式号的引用、对应关系错误。另外，原书中，2.2 节标题下的 5 段文字与 2.2.1 标题下的文字完全相同（译文删除了 2.2 节标题下的重复文字），也是一个重大疏漏。此外，还有为数不少的各类其他错误。这些问题我们都尽量在译文中改正或调整，或在译者注中标出。此外，第 2 章“新能源（New Energy Sources）”的实际内容是核能，有文不对题之嫌；而且，这一章的内容与全书其他部分的内容几乎没有任何关联，把它纳入“converter”在很多文献中都译为“变换器”。但在本书中，为与“变流技术（conversion technology）”的译法协调，多数情况下都译为“变流器”。译者注本书显得有些牵强。本书的译校人员全部是中国电力科学研究院新能源研究所的科研人员，具体分工为（按工作量排序）：刘长浥翻译辅文、第 1、8、10（后半部分）、14、16、17、18 章，并负责全书校对及统稿；贺敬翻译第 9、12 章；马烁翻译第 11、13、15 章，苏媛媛翻译第 4、5、6 章；王文卓翻译第 2、3、7 章；许晓艳翻译第 10 章（前半部分）。限于译者的英语和专业水平，译文难免存在缺点和错误，欢迎广大读者批评指正。译者2014 年 3 月可再生能源系统高级变流技术及应用原书前言本书的目的是介绍适用于工程类学生和实际专业人员的高级变流技术。它总共约800 页，含550 个图表和50 种算法，介绍了起初是由我们开发的200 多种高级变流器拓扑，包括现代变流技术的约 150 种最新电路。还讨论了最近发表的某些新拓扑。所有原型都是对现代电力电子学的创新和巨大贡献。近年来，变流技术发展迅速。本书对很多过去没有详细分析的新型变流电路都作了详细分析。本书还说明了确定准确解的正确方法，给出了工业用变流器的设计案例。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。由于世界性能源短缺，我们不得不寻找新的能源。为研究能源，我们必须探索宇宙。本书首先概述了天文学和地球物理学的某些基础知识，研究某些探索性方法，最后回到我们的主课题 可再生能源开发、节能方法和提高供电质量。电力电子学是把电能从电源变换到用户的技术。它对所有工业分支和每一个家庭都至关重要。电能转换技术是电力电子学的首要课题。相应的设备可分为四种：1）AC/DC 整流器；2）DC/DC 变流器；3）DC/AC 逆变器；4）AC/AC 变流器。AC/DC 整流器是最早开发的变流器。人们讨论了大部分传统电路。但遗憾的是，某些电路的分析并不正确。典型例子是带 R-C 负荷的单相二极管整流器。AC/DC 整流器的新方法是含功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）和单位功率因数（UnityPower Factor，UPF）的新拓扑。本书介绍了几种实施 PFC 和 UPF 技术的方法。DC/DC 变流技术近几十年来发展迅速。按照最新数字，现有的 DC/DC 变流器拓扑超过 600 种。每年都有新拓扑被创造出来。从 2000 年以来，大量 DC/DC 变流器被初步划分为 6 代。这种系统性分类对于追踪 DC/DC 变流器的演化和发展非常有用。做出最突出贡献的是电压举升和超举技术。而且我们还创造了新方法，即分裂电容器和分裂电抗器以改进超举技术。本书介绍了 100 多种电压举升和超举变流器的拓扑。DC/DC 变流技术的发展如此成功，以致它们的基础技术也被用于其他类型的变流器。本书讨论了 AC/DC 变流器和 DC 调制的 AC/AC 变流器。这些技术方法可用于实施 UPF。DC/AC 逆变器可分为两类：脉宽调制（Pulse-Width-Modulation，PWM）逆变器和多电平逆变器。人们对电压源逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）和电流源逆变器（Current Source Inverter，CSI）等 PWM 逆变器很熟悉。阻抗网络逆变器（Impedance Source Inverter，ZSI）是 2003 年引入的。它吸引了很多电力电子专家的注意，导致近年来发表了成千上万篇专门针对它的研究和工业应用论文。多电平逆变器是 20 世纪 80 年代早期发明的，此后它发展迅速。很多多电平逆变器的新拓扑被设计出来并得到工业应用，尤其是在可再生能源系统上。它的典型电路是二极管钳位逆变器、电容器钳位逆变器和混合型 H 桥式多电平逆变器。我们还创制了一种使用较少器件产生较多电平的新的串联梯次多电平逆变器（Series-Laddered Multi-level Inverter）。多电平逆变器克服了 PWM 逆变器的缺点，有更广泛的工业应用。传统的 AC/AC 变流器可分为三种：电压调制 AC/AC 变流器、周波变换器和矩阵变流器。所有传统 AC/AC 变流器都是把高压变换为低压，电压和频率可调。它们的缺点是输出电压低，总谐波畸变（Total Harmonic Distortion，THD）性能不佳。矩阵变流器是 20 世纪 80 年代引入的。但遗憾的是，它的高 THD 限制了它的应用。因此人们又开发了新型的 AC/AC 变流器，如次包络调制（Sub-Envelope Modula-tion）AC/AC 变流器和直流调制 AC/AC 变流器。这些技术成功地克服了高 THD 的缺点。直流调制 AC/AC 变流器还有其他优点，如输出电压高和多相输出等。可再生能源系统需要使用大量变流器。很多新型变流器是近几十年发明的，包括 Vienna 整流器和阻抗网络逆变器。风力发电系统需要使用新型 AC/DC/AC 变流器。太阳能板发电系统需要使用 DC/AC/DC 变流器。因此，本书最后两章探讨这些变流器。本书共 18 章。第 1 章介绍能源的基本概念。第 2 章论述新能源。3G 和可再生能源在第 3 章介绍。第 4 章介绍电力电子学。第 5 章介绍不可控 AC/DC 变流器。第 6 章介绍可控 AC/DC 变流器。第 7 章和第 8 章分别讨论传统二极管整流器和可控 AC/DC 整流器。第 7 章阐述功率因数校正和单位功率因数技术。第 8 章讨论DC/DC 变流器。第 9 章和第 10 章分别介绍电压举升和超举技术。第 11 章介绍分裂电容器和分裂电抗器的新方法。第 12 章和第 13 章分别介绍 PWM DC/AC 逆变器和多电平 DC/AC 逆变器。第 14 章介绍高级多级逆变器。第 15 章介绍传统 AC/AC 变流器。第 16 章介绍改进的 AC/AC 变流器。第 17 章介绍可再生能源系统使用的AC/DC/AC 变流器和 DC/AC/DC 变流器。最后，第 18 章介绍太阳能光伏发电和风力发电系统设计。我们是高级变流技术方面的开拓者，多年从事该领域的研究。我们发明了大量变流器；DC/DC 变流器系列被命名为罗氏变流器（Luo converter）。它覆盖了所有六代变流器，并得到世界范围的承认。超举变流器是我们 25 年研究工作的最著名成就。新加坡 新加坡南洋理工大学罗方林博士新加坡 新加坡南洋理工大学叶虹博士可再生能源系统高级变流技术及应用MATLAB 是 MathWorks 公司的注册商标。了解该产品信息请联系：The MathWorks，Inc.3 Apple Hill DriveNatick，MA，01760-2098 USATel：508-647-7000Fax：508-647-7001E-mail：info Web：原书前言 作者简介罗方林博士是新加坡南洋理工大学（NanyangTechnological University，NTU）电力与电子工程学院的副教授（associate professor）。他在中国成都的四川大学以优异成绩获得无线电电子物理学学士学位，并于 1986 年获得英国剑桥大学电力工程和计算机科学博士学位。从四川大学毕业后，罗方林博士供职于北京中国冶金自动化研究所，任高级工程师。然后他转到企业工作，在法国巴黎 Saunier Duval 公司任项目工程师。在获得剑桥大学博士学位后，他先后在英格兰 Hock-ing NDT 公司、Allen-Bradley IAP 公司和 Simplatroll公司工作，任高级工程师。罗博士是剑桥理学学会会员和 IEEE 高级会员。他先后出版了 12 本教科书，并在 IEE/IET 会刊、IEEE 学报以及各种国际会议上发表了 308 篇科技论文。他的研究兴趣包括电力电子学和电脑化人工智能控制（artificial intelligent control，AIC）交直流电机驱动，数字信号处理，以及 AC/DC、DC/DC 和 AC/AC 变流器及 DC/AC 逆变器，可再生能源系统和电动汽车