近年來，由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、負載分布的多樣性以及對集成可再生能源的高需求，電力電子技術(shù)引起了極大的關(guān)注。盡管學術(shù)界和工業(yè)界有很多關(guān)于電力電子技術(shù)的圖書可供使用，但缺乏適合初學者和自學者有效學習現(xiàn)代電力電子學的圖書。由于自1880年以來交流電一直在應(yīng)用中占主導地位，因此傳統(tǒng)的電力電子工程師專注于AC/DC功率變換和AC/AC功率變換。例如，許多電力電子圖書重點講解使用各種AC/DC整流器在各種負載情況的分析和設(shè)計，而這些整流器通常由二極管或晶閘管構(gòu)成。然而，由于更嚴格的電能質(zhì)量要求以及整流器功能單一的一些拓撲結(jié)構(gòu)已被淘汰，最新的電力電子設(shè)備依賴于使用現(xiàn)代功率半導體的有源開關(guān)技術(shù)，而本書的一個顯著特點是關(guān)注最新的技術(shù)和解決方案。
本書首先介紹非隔離型DC/DC變換器結(jié)構(gòu)以說明開關(guān)的概念，這是電力電子學的基礎(chǔ)，這個概念對于學習者來說是必不可少的，因為越來越多的發(fā)電系統(tǒng)和負荷采用直流電而不是交流電。特別地，本書第9章專門介紹雙向直流/交流裝置，廣泛用于可充電電池、超級電容器和固態(tài)變壓器。在本書中，電力電子學中每個重要內(nèi)容都在一個清晰的框架內(nèi)給出，通過循序漸進的方法幫助讀者逐步積累知識，例如，DC/AC變換（第5章）和AC/DC變換（第6章）的知識自然會成為隔離型DC/DC變換器（第7章）的基礎(chǔ)，因為許多拓撲都是兩級變換器的集成，最終形成的變換器就是帶隔離變壓器的DC/AC/DC結(jié)構(gòu)。循序漸進的敘述方法來自作者在電力電子和可再生能源系統(tǒng)方面的自學和教學經(jīng)驗。
動態(tài)建模方法按照從高度非線性到分段線性可分為多個類別，包括開關(guān)模型、平均值模型和小信號模型。在MATLAB/Simulink的基本模塊中，開發(fā)了開關(guān)動態(tài)相關(guān)的模塊(MATLAB/Simulink是一種廣泛使用的商業(yè)軟件)。平均值動態(tài)模型可用于快速仿真和非線性控制仿真，但會導致開關(guān)切換過程的不可知性。在具有大量功率變換器和分布式發(fā)電機組系統(tǒng)的長期運行中，平均值動態(tài)模型已被證明可有效模擬實際系統(tǒng)。此外，動態(tài)建模的最后步驟關(guān)注以動態(tài)分析和線性控制理論為基礎(chǔ)的線性數(shù)學函數(shù)，對于閉環(huán)控制器設(shè)計，引入了擬合參數(shù)化技術(shù)，將控制器參數(shù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。循序漸進的方法使讀者能夠了解系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)知識，并建立線性控制理論和電力電子學之間的橋梁。
本書可作為參考書，也可作為高等院校電力電子相關(guān)課程的教材。本書還涵蓋了實用的設(shè)計主題，這些主題對于尋求通過自學或?qū)I(yè)培訓掌握電力電子技術(shù)的行業(yè)讀者非常有用。建議讀者首先熟悉電子學、信號理論和線性控制工程領(lǐng)域的基本知識，以便更好地掌握本書所講內(nèi)容。
1. 本書特色
本書全面涵蓋現(xiàn)代電力電子和控制工程基礎(chǔ)學科。具體如下：
介紹了開發(fā)電力電子的常用平臺和工具。
根據(jù)信號波形、功率流向和電壓電平對電力電子應(yīng)用進行全面分類。
本書的一個重要特點是強調(diào)計算機輔助分析、設(shè)計和評估。在不失一般性的情況下，使用Simulink中的基本模塊構(gòu)建所有仿真模型并進行數(shù)學分析。
涵蓋現(xiàn)代電力電子設(shè)備必不可少的有源開關(guān)的驅(qū)動電路。
由于可充電電池等能量存儲的使用越來越多，因此雙向DC/DC變換器在工業(yè)中得到了廣泛采用，本書詳細介紹了雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。
仿真建模遵循模塊化和循序漸進的方法，因此變換器系統(tǒng)被劃分為單獨的模塊，包括功率系統(tǒng)、低通濾波器、負載、信號調(diào)制和控制。開發(fā)遵循易于操作的原則，創(chuàng)建一個易于理解、構(gòu)建和調(diào)試的清晰框架。
為大多數(shù)變換器拓撲和相關(guān)調(diào)制方法構(gòu)建仿真模型，供讀者參考。
通過一個專門的章節(jié)演示使用平均值技術(shù)進行建模和仿真。平均值技術(shù)是通用的，包括連續(xù)導通模式和不連續(xù)導通模式。
將動態(tài)分析所建立的數(shù)學模型和控制器的綜合與變換器仿真討論進行分離，采用線性化和小信號方法構(gòu)建線性模型，以適用于阻尼、速度、穩(wěn)定性和魯棒性分析的完善的線性控制理論。
大多數(shù)章節(jié)以案例研究的形式提供大量實際示例，以演示和驗證設(shè)計。讀者可以通過各種計算機輔助設(shè)計和分析平臺復制結(jié)果，這也為開發(fā)和評估新系統(tǒng)提供系統(tǒng)的方法。
通過大量的圖表、圖形、方程式和表格清晰地解釋主題。繪制大量流程圖，以顯示系統(tǒng)的設(shè)計和元件逐步選擇的過程。
為希望掌握電力電子學的人員推薦工具和設(shè)備類型，包括電氣計算機輔助設(shè)計、仿真平臺和硬件。
每章末尾都有一個全面的總結(jié)。
2. 章節(jié)組織
本書分12章，組織方式易于閱讀和理解。本書逐步介紹電力電子系統(tǒng)的各個組成部分和控制部件。簡要說明如下：
第1章簡要介紹電力電子學的背景。為避免歧義，本章對一些重要的術(shù)語進行了說明。
第2章介紹電力電子的重要組成元件。二極管的誕生開辟了嶄新的電力電子時代，開關(guān)技術(shù)助推了各種晶體管和晶閘管的發(fā)展。本章還討論了功率電感器、電容器和電阻器的特性。
第3章介紹最經(jīng)典的非隔離型DC/DC變換器拓撲，即Buck、Boost、BuckBoost以及C＇uk變換器。每個工作狀態(tài)都得到仿真驗證。
第4章重點說明功率計算以估算等效功率、損耗和功率質(zhì)量，并說明驅(qū)動電路的必要性。
第5章討論直流到單相交流電力變換，特別是為實現(xiàn)該類型變換采用的橋式電路和調(diào)制方法。
第6章介紹從單相交流電到直流電的電力變換，并說明電能質(zhì)量問題。
第7章介紹隔離型DC/DC變換器，該類型變換器是以前幾章拓撲為基礎(chǔ)建立的。
第8章介紹三相交流電能變換，涵蓋DC/AC、AC/DC和AC/AC變換。此外，還介紹了直流到三相交流變換的調(diào)制方式。
第9章重點介紹雙向變換器，包括非隔離型DC/DC雙向變換器、隔離型DC/DC雙向變換器和DC/AC雙向變換器，介紹并分析雙有源橋雙向變換器的拓撲。
第10章介紹在連續(xù)導通模式和不連續(xù)導通模式情況下對不同變換器進行平均值動態(tài)建模和快速仿真的技術(shù)。
第11章討論用于動態(tài)分析的變換器數(shù)學建模。線性化的方法廣泛用于推導小信號模型，也用于對非最小相位問題進行討論。
第12章介紹控制系統(tǒng)分析和設(shè)計，參數(shù)擬合作為一種系統(tǒng)方法被引入，用于設(shè)計綜合考慮穩(wěn)定性、魯棒性和性能平衡的功率變換器控制器。
3. 技術(shù)支持
本書所有案例的建模和仿真都是基于MATLAB和Simulink的基本功能開發(fā)的，這有助于讀者理解變換器的基本原理。采用MATLAB和Simulink軟件的R2018b版本或更高版本，可重復示例案例的結(jié)果或進行新的相關(guān)研究。
肖衛(wèi)東（Weidong Xiao）
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