电力电子学——设计、建模、仿真与控制

（1）论述基本概念作为铺垫，更好、更方便地理解变换器的工作原理。
（2）理论分析与MATLAB/Simulink仿真互为验证，强化对变换器原理的理解。
（3）介绍变换器通用计算方法，为器件选型、变压器、电感器的设计打下坚实基础。
（4）对每类变换器进行案例讲解，便于从量化角度理解变换器。
（5）对每类变换器有清晰的分类，便于厘清变换器的分类脉络。
（6）通过流程图呈现变换器选型或设计的过程，便于着手设计。
（7）介绍变换器在新型场合的实际应用，便于拓宽技术视野。
（8）变换器的动态模型与静态模型互为验证。

 

本书探索了**的电力电子学原理、实践和应用，覆盖了电力电子变换器的设计、建模、仿真和控制；以一种易于理解的呈现方式介绍了**的技术，如直流系统，重点强调了仿真和建模的平均控制技术；给出了电力电子技术的实际应用，并在MATLAB软件的Simulink中进行了案例研究；通过框图、流程图、方程和表格等直观形式帮助读者理解电力电子学。 本书可作为高校电子信息类、自动化类、电气类等专业的本专科教材，也可作为相关领域工程技术人员的参考书。

作者：
肖卫东（Weidong Xiao），悉尼大学副教授。悉尼大学电气信息工程学院、未来能源中心副教授，IEEE的编委会成员，研究方向为光伏功率系统中电力电子百年换气的建模、设计、仿真与控制；出版教材一部，出版科技论文100余篇。

译者：
阚加荣，盐城工学院副院长，教授。主要从事电气工程及其自动化专业的本科教学与功率变换技术的研究工作，研究方向包括UPS并联控制技术、光伏并网技术、孤岛检测技术、双向功率变换器、锂电池管理技术等。

姜玉霞，博士，盐城工学院讲师。主要从事变流器稳定并网控制技术的研究工作，研究方向包括变流器建模、高压直流输电系统稳定控制、风电并网技术等。

第1章绪论

1.1电力变换的分类

1.2电力电子的跨学科特性

1.3典型应用

1.4开发工具

1.4.1计算机辅助设计

1.4.2仿真

1.5理想电力变换

1.6交流与直流

1.6.1单相交流电

1.6.2三相交流电

1.7电气隔离

1.8磁学基础

1.8.1磁路基本定律

1.8.2磁导率和电感

1.8.3磁芯和电感设计

1.8.4功率变压器

1.9无损功率变换

参考文献

习题

第2章电路元件

2.1双极结型晶体管调节的
线性电源

2.1.1串联电压调节器

2.1.2并联电压调节器

2.2二极管和无源开关

2.3有源开关

2.3.1双极结型晶体管

2.3.2场效应晶体管

2.3.3绝缘栅双极型晶
体管

2.3.4晶闸管

2.3.5开关的选择

2.4桥式电路

2.4.1开关数量

2.4.2有源桥、无源桥和
混合桥

2.5电力电容器

2.5.1铝电解电容器

2.5.2其他类型的电容器

2.5.3电容器结构与
选型

2.6无源元件

2.7低通滤波电路

2.8本章小结

参考文献

习题

第3章非隔离型直流/直流变换器

3.1脉宽调制

3.1.1模拟脉宽调制

3.1.2数字脉宽调制

3.2运行状态

3.2.1稳态

3.2.2额定运行状态

3.3降压型变换器

3.3.1稳态分析

3.3.2连续导通模式

3.3.3断续导通模式

3.3.4临界导通模式

3.3.5电路设计与案例
研究

3.3.6仿真与概念验证

3.4升压型变换器

3.4.1稳态分析

3.4.2连续导通模式

3.4.3临界导通模式

3.4.4断续导通模式

3.4.5电路设计与案例
研究

3.4.6仿真与概念验证

3.5同极性升降压型变换器

3.6反极性升降压型变换器

3.6.1稳态分析

3.6.2连续导通模式

3.6.3临界导通模式

3.6.4断续导通模式

3.6.5电路设计与案例
研究

3.6.6仿真与概念验证

3.7C＇uk变换器

3.7.1稳态分析

3.7.2规格与电路设计

3.7.3建模与仿真

3.8同步开关

3.9本章小结

参考文献

习题

第4章计算与分析

4.1有效值

4.1.1直流波形有效值

4.1.2交流波形有效值

4.2损耗分析与降损

4.2.1导通损耗

4.2.2开关损耗

4.2.3开关延迟的原因

4.2.4开关损耗小化

4.3栅极驱动电路

4.3.1低侧栅极驱动电路

4.3.2高侧栅极驱动电路

4.3.3半桥驱动电路

4.4傅里叶级数

4.5交流电能质量

4.5.1位移功率因数

4.5.2总谐波畸变

4.6直流电能质量

4.7热应力及其分析

4.8本章小结

参考文献

习题

第5章直流/单相交流电力变换

5.1交流方波

5.1.1斩波

5.1.2移相和调制

5.1.3总谐波畸变

5.2正弦波三角波调制

5.2.1双极性脉宽调制

5.2.2单极性脉宽调制

5.2.3平滑滤波电路

5.3直流/交流变换的
双开关桥

5.4建模与仿真

5.4.1桥电路模型

5.4.2移相调制

5.4.3双极性脉宽调制

5.4.4单极性脉宽调制

5.4.5用于仿真的集成
形式

5.5案例研究

5.5.1交流方波输出

5.5.2交流正弦波输出

5.6本章小结

参考文献

习题

第6章单相交流/直流电力变换

6.1半波整流器

6.1.1电容滤波

6.1.2案例分析

6.2全波桥式整流器

6.2.1电容滤波

6.2.2电感滤波

6.2.3LC滤波器

6.3有源整流器

6.4整流器替代方案

6.4.1同步整流器

6.4.2采用中心抽头变压器
的全波整流器

6.5建模与仿真

6.5.1电容滤波的半波
整流器

6.5.2无滤波器的全波
整流器

6.5.3电容滤波的全波
整流器

6.5.4电感滤波的全波
整流器

6.5.5LC滤波的全波
整流器

6.5.6有源整流器

6.6本章小结

参考文献

习题

第7章隔离型直流/直流变换

7.1磁场

7.1.1运行象限与分类

7.1.2饱和的关键
检测点

7.2反激型拓扑

7.2.1从升降压到反激型
变换器的演变

7.2.2反激型变换器
运行原理

7.2.3连续导通模式

7.2.4断续导通模式

7.2.5电路规格与设计

7.2.6仿真

7.3正激型变换器

7.3.1双开关正激型
变换器

7.3.2单开关正激型
变换器

7.3.3电路规格和设计

7.3.4仿真

7.4同步整流器

7.5用于直流/交流的全桥
变换器

7.5.1稳态分析

7.5.2电路规格和设计

7.5.3仿真

7.6推挽变换器

7.7变换器的衍变与改进

7.8本章小结

参考文献

习题
第8章三相交流/直流变换及其反向
变换
8.1直流/交流电力变换

8.1.1桥电路及其开关
运行

8.1.2180°导通调制

8.1.3正弦波三角波
调制

8.1.4建模与仿真

8.1.5案例分析与
仿真结果

8.2交流/直流电力变换

8.2.1三脉波无源
整流器

8.2.2六脉波无源
整流器

8.2.3十二脉波无源
整流器

8.2.4有源整流器

8.2.5仿真

8.3交流/交流电力变换

8.4本章小结

参考文献

习题

第9章双向电力变换

9.1非隔离型直流/直流电力
变换

9.2双有源桥

9.2.1正向功率流动

9.2.2反向功率流动

9.2.3零电压开关

9.2.4零电压开关丢失

9.2.5零电压开关的
临界移相

9.2.6仿真与案例分析

9.3直流和交流间的双向
电力变换

9.3.1直流和单相交流间双向
电力变换

9.3.2直流和三相交流间双向
电力变换

9.4本章小结

参考文献

习题

第10章平均模型与仿真

10.1开关动态特性

10.2连续导通模式

10.2.1降压变换器

10.2.2二阶系统的动态
分析

10.2.3升压变换器

10.2.4升降压变换器

10.3断续导通模式

10.3.1降压变换器

10.3.2升压变换器

10.3.3升降压变换器

10.4集成仿真模型

10.4.1降压变换器

10.4.2升压变换器

10.4.3升降压变换器

10.5本章小结

参考文献

习题
第11章模型的线性化与动态
分析

11.1一般线性化

11.2双有源桥的线性化

11.3基于连续导通模式的
线性化

11.3.1升压变换器

11.3.2升降压变换器

11.3.3非小相位

11.4基于断续导通模式的
线性化

11.5本章小结

参考文献

习题

第12章控制和调节

12.1稳定性和性能

12.2通/断控制

12.2.1滞环控制

12.2.2案例分析与
仿真

12.3仿射参数化

12.3.1设计流程

12.3.2闭环期望

12.3.3Q(s)和C(s)的
推导

12.3.4相对稳定性和
鲁棒性

12.4控制器的实现

12.4.1数字控制

12.4.2PID控制器

12.4.3模拟控制

12.4.4案例分析——降
压型变换器

12.4.5案例分析——升
压型变换器

12.5级联控制

12.5.1案例分析与
仿真

12.5.2优势

12.6饱和效应和预防

12.6.1案例分析与
仿真

12.6.2抗饱和方法

12.7传感与测量

12.7.1电压检测和
调节

12.7.2电流检测和
调节

12.8本章小结

参考文献

习题

缩略语表

 

 

近年来，由于现代电力系统的发展趋势、负载分布的多样性以及对集成可再生能源的高需求，电力电子技术引起了极大的关注。尽管学术界和工业界有很多关于电力电子技术的图书可供使用，但缺乏适合初学者和自学者有效学习现代电力电子学的图书。由于自1880年以来交流电一直在应用中占主导地位，因此传统的电力电子工程师专注于AC/DC功率变换和AC/AC功率变换。例如，许多电力电子图书重点讲解使用各种AC/DC整流器在各种负载情况的分析和设计，而这些整流器通常由二极管或晶闸管构成。然而，由于更严格的电能质量要求以及整流器功能单一的一些拓扑结构已被淘汰，的电力电子设备依赖于使用现代功率半导体的有源开关技术，而本书的一个显著特点是关注的技术和解决方案。

本书首先介绍非隔离型DC/DC变换器结构以说明开关的概念，这是电力电子学的基础，这个概念对于学习者来说是必不可少的，因为越来越多的发电系统和负荷采用直流电而不是交流电。特别地，本书第9章专门介绍双向直流/交流装置，广泛用于可充电电池、超级电容器和固态变压器。在本书中，电力电子学中每个重要内容都在一个清晰的框架内给出，通过循序渐进的方法帮助读者逐步积累知识，例如，DC/AC变换（第5章）和AC/DC变换（第6章）的知识自然会成为隔离型DC/DC变换器（第7章）的基础，因为许多拓扑都是两级变换器的集成，终形成的变换器就是带隔离变压器的DC/AC/DC结构。循序渐进的叙述方法来自作者在电力电子和可再生能源系统方面的自学和教学经验。

动态建模方法按照从高度非线性到分段线性可分为多个类别，包括开关模型、平均值模型和小信号模型。在MATLAB/Simulink的基本模块中，开发了开关动态相关的模块(MATLAB/Simulink是一种广泛使用的商业软件)。平均值动态模型可用于快速仿真和非线性控制仿真，但会导致开关切换过程的不可知性。在具有大量功率变换器和分布式发电机组系统的长期运行中，平均值动态模型已被证明可有效模拟实际系统。此外，动态建模的后步骤关注以动态分析和线性控制理论为基础的线性数学函数，对于闭环控制器设计，引入了拟合参数化技术，将控制器参数转化为系统的稳定性和动态性能。循序渐进的方法使读者能够了解系统仿真的基础知识，并建立线性控制理论和电力电子学之间的桥梁。

本书可作为参考书，也可作为高等院校电力电子相关课程的教材。本书还涵盖了实用的设计主题，这些主题对于寻求通过自学或专业培训掌握电力电子技术的行业读者非常有用。建议读者首先熟悉电子学、信号理论和线性控制工程领域的基本知识，以便更好地掌握本书所讲内容。

1. 本书特色

本书全面涵盖现代电力电子和控制工程基础学科。具体如下： 

 介绍了开发电力电子的常用平台和工具。

 根据信号波形、功率流向和电压电平对电力电子应用进行全面分类。

 本书的一个重要特点是强调计算机辅助分析、设计和评估。在不失一般性的情况下，使用Simulink中的基本模块构建所有仿真模型并进行数学分析。

 涵盖现代电力电子设备必不可少的有源开关的驱动电路。

 由于可充电电池等能量存储的使用越来越多，因此双向DC/DC变换器在工业中得到了广泛采用，本书详细介绍了双向DC/DC变换器的拓扑结构。

 仿真建模遵循模块化和循序渐进的方法，因此变换器系统被划分为单独的模块，包括功率系统、低通滤波器、负载、信号调制和控制。开发遵循易于操作的原则，创建一个易于理解、构建和调试的清晰框架。

 为大多数变换器拓扑和相关调制方法构建仿真模型，供读者参考。

 通过一个专门的章节演示使用平均值技术进行建模和仿真。平均值技术是通用的，包括连续导通模式和不连续导通模式。

 将动态分析所建立的数学模型和控制器的综合与变换器仿真讨论进行分离，采用线性化和小信号方法构建线性模型，以适用于阻尼、速度、稳定性和鲁棒性分析的完善的线性控制理论。

 大多数章节以案例研究的形式提供大量实际示例，以演示和验证设计。读者可以通过各种计算机辅助设计和分析平台复制结果，这也为开发和评估新系统提供系统的方法。

 通过大量的图表、图形、方程式和表格清晰地解释主题。绘制大量流程图，以显示系统的设计和元件逐步选择的过程。

 为希望掌握电力电子学的人员推荐工具和设备类型，包括电气计算机辅助设计、仿真平台和硬件。

 每章末尾都有一个全面的总结。

2. 章节组织

本书分12章，组织方式易于阅读和理解。本书逐步介绍电力电子系统的各个组成部分和控制部件。简要说明如下： 

第1章简要介绍电力电子学的背景。为避免歧义，本章对一些重要的术语进行了说明。

第2章介绍电力电子的重要组成元件。二极管的诞生开辟了崭新的电力电子时代，开关技术助推了各种晶体管和晶闸管的发展。本章还讨论了功率电感器、电容器和电阻器的特性。

第3章介绍经典的非隔离型DC/DC变换器拓扑，即Buck、Boost、BuckBoost以及C＇uk变换器。每个工作状态都得到仿真验证。

第4章重点说明功率计算以估算等效功率、损耗和功率质量，并说明驱动电路的必要性。

第5章讨论直流到单相交流电力变换，特别是为实现该类型变换采用的桥式电路和调制方法。

第6章介绍从单相交流电到直流电的电力变换，并说明电能质量问题。

第7章介绍隔离型DC/DC变换器，该类型变换器是以前几章拓扑为基础建立的。

第8章介绍三相交流电能变换，涵盖DC/AC、AC/DC和AC/AC变换。此外，还介绍了直流到三相交流变换的调制方式。

第9章重点介绍双向变换器，包括非隔离型DC/DC双向变换器、隔离型DC/DC双向变换器和DC/AC双向变换器，介绍并分析双有源桥双向变换器的拓扑。

第10章介绍在连续导通模式和不连续导通模式情况下对不同变换器进行平均值动态建模和快速仿真的技术。

第11章讨论用于动态分析的变换器数学建模。线性化的方法广泛用于推导小信号模型，也用于对非小相位问题进行讨论。

第12章介绍控制系统分析和设计，参数拟合作为一种系统方法被引入，用于设计综合考虑稳定性、鲁棒性和性能平衡的功率变换器控制器。

3.  技术支持

本书所有案例的建模和仿真都是基于MATLAB和Simulink的基本功能开发的，这有助于读者理解变换器的基本原理。采用MATLAB和Simulink软件的R2018b版本或更高版本，可重复示例案例的结果或进行新的相关研究。

肖卫东（Weidong Xiao）