电力电子装置及系统

本书是高等院校电气工程及其自动化等专业的一门专业课教材。本书首先以电力电子装置涉及的核心技术为目标，重点介绍电力电子装置中四类常用的变换技术；进而以电力电子装置的服务对象为目标，介绍当前电力系统中电力电子技术的重要应用场景，如直流输电、新能源发电等系统，并讨论相关应用技术。
本书共8章，第1章绪论，简述电力电子装置包含的主要部件，并从电力电子装置服务的“源”“网”“荷”三种对象介绍电力电子系统的构成和调控方法，进而引出电力电子技术的基础——功率半导体器件；第2章交流-直流整流装置，从二极管不控整流、晶闸管半控整流、PWM全控整流逐级展开，重点介绍大功率场合使用的多脉冲二极管整流电路和具有高控制性能的PWM整流电路；第3章直流-直流变换装置，介绍非隔离、隔离和双向变换器三类典型电路的拓扑和工作原理；第4章直流-交流逆变装置，介绍两电平电压源型、多电平级联H桥、多电平中点箝位、PWM电流源型、模块化多电平等主要逆变电路的拓扑、调制方式、平衡控制方法等，本章是全书的重点；第5章交流-交流变压装置，介绍电压源型背靠背变流器、电流源型背靠背变流器、高频隔离型电力电子变压器、矩阵变换器等拓扑的电路原理和控制方法；第6章高压直流输电系统，从LCC和VSC型两类HVDC系统的优缺点对比出发，以我国某±1100kV LCC-HVDC为例，详细介绍实际工程的系统结构、关键部件参数和运行数据，重点介绍LCC-HVDC的运行特性、控制方式等关键技术，并讨论了其特有的换相失败问题；第7章新能源（光伏）并网发电系统，首先概述光伏新能源发展趋势，并以分布式光伏发电系统为例，详细介绍其与“源”匹配的MPPT技术和与“网”匹配的进网电流控制方法等，接着以非隔离光伏并网逆变器为重点，介绍直流变换器、无漏电流型逆变器、直流解耦电容、LCL滤波器等部件的设计方法，后以江苏某14MW/10kV光伏电站为例，详细介绍实际工程的系统接线图、入网方式和监控运维方案；第8章电力电子装置仿真与开发，介绍状态空间法、节点分析法等电磁暂态仿真求解算法的基本原理，简述详细开关模型、二值电阻模型、伴随离散电路模型、平均值模型和开关函数模型等建模方法优缺点，并重点以基于详细模型、开关函数模型的MMC系统装置进行仿真验证及对比，后给出实时仿真硬件平台的开发流程和硬件在环仿真测试示例。
肖华锋教授编写了本书的第1～7章，并负责全书统稿工作；第8章由章飞副研究员编写；陈涛博士生为全书的文字和绘图编辑做了大量的工作。国电南瑞过亮高工、国网安徽省电力公司高博高工、华能江苏能源开发有限公司牛晨晖高工等为本书第1、6、7章提供了部分工程接线图和数据资料。特别感谢加拿大科学院和工程院双院院士、IEEE Fellow、多伦多大都会大学（原瑞尔森大学）Bin Wu教授，本书第2、4章参考吸收了Wu教授专著的知识内容和组织方法。在编写过程中还得到东南大学程明教授、花为教授、王政教授、邹志翔教授的指导和帮助，在此一并向他们表示感谢！
电力电子装置及系统包含的新技术多、范围广，且发展快。受限于篇幅，本书不能涵盖所有电力电子变换技术和应用场景，希望读者在学习过程中能够举一反三，尽快地掌握电力电子电路和装置的基本分析方法和设计应用技术。由于作者团队水平有限，参阅资料有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳切读者批评指正。
肖华锋于东南大学动力楼

本书在电气类本科课程“电力电子技术”的基础上，充分考虑高年级本科生和研究生的知识结构和学习需求，从电力电子变换的四类基本形式，即交流-直流、直流-直流、直流-交流和交流-交流，进行分类介绍。涉及电路拓扑、调制方式、控制方法等方面，构成现代电力电子装置的核心技术基础。进一步地，选择常规高压直流输电系统、分布式光伏并网发电系统作为电力电子装置的典型应用场景，从系统层面分析电力电子装置与“源”“网”“荷”等环节的匹配规律和控制方法。后，为满足现代电力电子装置的开发和调试需求，对变换器电磁暂态建模、仿真等技术要点和方法进行了讲解。
本书理论分析与实践设计相结合，可作为高等院校电气工程及其自动化、自动化及相关专业的本科教材，以及电力电子专业的硕士生、博士生和教师的参考用书，对从事电力电子装置开发和系统运行的科研人员和工程技术人员也有很实际的参考价值。

肖华锋 博士，东南大学教授，博士生导师。现任东大-丰道新型电力系统智能装备技术联合研发中心主任、东南大学新能源发电与运行控制研究所副所长，长期从事新能源发电系统中的变流器拓扑、控制和保护技术研究。参与和主持国家863课题、国家自然基金、江苏省科技厅项目等10余项。授权发明专利50余件，发表SCI论文50余篇，出版中英文专著3部；以完成人获中国专利优秀奖3项、瑞士日内瓦国际发明展金奖1项、技术发明二等奖1项、江苏省电力科学技术进步一等奖1项，参与获国家电网有限公司技术发明一等奖1项（排3）、江苏省科技进步二等奖1项（排6）。在教学方面，以第三完成人获江苏省研究生教育改革成果一等奖1项。

曾入选江苏省“333工程”中青年领军人才（第二层次）、江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养计划、东南大学青年特聘教授等，曾入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单、全球Top2顶尖科学家等；担任IEEE工业电子会刊等3份行业重要SCI期刊编委/副编辑，担任IEC SC8A WG7、IEEE P2800.1专家组成员，参与编制发布光伏高穿、低穿IEC标准。

序
前言
第1章绪论
1.1电力电子装置概述
1.1.1功率单元
1.1.2控制单元
1.1.3散热单元
1.1.4机箱
1.1.5人机接口
1.2电力电子系统概述
1.2.1与“源”匹配
1.2.2与“网”匹配
1.2.3与“荷”匹配
1.3功率半导体器件
1.3.1电力二极管
1.3.2晶闸管
1.3.3功率晶体管
1.3.4功率场效应晶体管
1.3.5绝缘栅双极型晶体管
1.3.6碳化硅器件
1.3.7氮化镓器件
习题
第2章交流-直流整流装置
2.1二极管整流器
2.1.1六脉波二极管整流电路
2.1.2串联型多脉冲二极管整流电路
2.1.3并联分立型多脉波二极管整流电路
2.2晶闸管整流器
2.3PWM整流器
2.3.1单相PWM整流电路
2.3.2三相PWM整流电路
2.3.3维也纳整流电路
习题
第3章直流-直流变换装置
3.1非隔离变换器
3.1.1基本非隔离型电路
3.1.2高增益电路
3.1.3PWM控制方法
3.2隔离变换器
3.2.1反激电路
3.2.2正激电路
3.2.3半桥电路
3.2.4全桥电路
3.2.5Boost型隔离变换器
3.3双向变换器
3.3.1Buck/Boost电路
3.3.2Buck-Boost电路
3.3.3三电平Buck/Boost电路
3.3.4双有源桥电路
习题
电力电子装置及系统
目录第4章直流-交流逆变装置
4.1两电平电压源型逆变器
4.1.1SPWM
4.1.2SVPWM
4.2多电平级联H桥逆变器
4.2.1单相H桥单元
4.2.2级联H桥逆变电路
4.2.3基于载波方式的PWM
4.3多电平中点箝位逆变器
4.3.1三电平NPC逆变电路
4.3.2SVPWM
4.4PWM电流源型逆变器
4.4.1单电流源型逆变电路
4.4.2梯形波调制
4.4.3选择谐波消除调制
4.4.4SVPWM
4.5模块化多电平逆变器
4.5.1基本单元电路
4.5.2模块化多电平逆变电路
4.5.3MMC主电路参数选择
习题
第5章交流-交流变压装置
5.1电压源型背靠背变流器
5.1.1电路结构
5.1.2独立控制方法
5.1.3总体控制策略
5.2电流源型背靠背变流器
5.2.1电路结构
5.2.2控制原理
5.2.3控制方法
5.3高频隔离型电力电子变压器
5.3.1电路结构及工作原理
5.3.2控制策略
5.4矩阵变换器
5.4.1电路结构和工作原理
5.4.2调制方法
5.4.3控制策略
习题
第6章高压直流输电系统
6.1高压直流输电系统概述
6.2特高压直流输电系统
6.2.1换流器
6.2.2滤波器组
6.2.3平波电抗器
6.2.4旁路开关
6.3特高压直流输电控制系统
6.3.1特高压直流输电控制系统V/I特性
6.3.2分层控制系统
6.3.3精细化分层控制模型
6.3.4换相失败案例分析
习题
第7章新能源（光伏）并网发电系统
7.1分布式光伏开发概述
7.2分布式光伏发电系统构成
7.2.1直流变换器
7.2.2并网逆变器
7.2.3控制策略
7.3分布式光伏电站实例
7.3.1地理位置
7.3.2一次电气接线
7.3.3二次通信接线
7.3.4发电收益概况
习题
第8章电力电子装置仿真与开发
8.1电磁暂态仿真求解算法
8.1.1状态空间法
8.1.2节点分析法
8.2电力电子装置建模方法
8.2.1详细开关模型
8.2.2二值电阻模型
8.2.3伴随离散电路模型
8.2.4平均值模型
8.2.5开关函数模型
8.3测试系统验证及对比
8.3.1测试系统
8.3.2仿真精度验证
8.3.3仿真效率验证
8.4实时仿真技术
8.4.1实时仿真硬件平台
8.4.2实时仿真开发流程
8.4.3硬件在环仿真
习题
参考文献

本书在电气类本科课程“电力电子技术”的基础上，充分考虑高年级本科生和研究生的知识结构和学习需求，从电力电子变换的四类基本形式，即交流-直流、直流-直流、直流-交流和交流-交流，进行分类介绍。涉及电路拓扑、调制方式、控制方法等方面，构成现代电力电子装置的核心技术基础。进一步地，选择常规高压直流输电系统、分布式光伏并网发电系统作为电力电子装置的典型应用场景，从系统层面分析电力电子装置与“源”“网”“荷”等环节的匹配规律和控制方法。后，为满足现代电力电子装置的开发和调试需求，对变换器电磁暂态建模、仿真等技术要点和方法进行了讲解。
本书理论分析与实践设计相结合，可作为高等院校电气工程及其自动化、自动化及相关专业的本科教材，以及电力电子专业的硕士生、博士生和教师的参考用书，对从事电力电子装置开发和系统运行的科研人员和工程技术人员也有很实际的参考价值。

肖华锋 博士，东南大学教授，博士生导师。现任东大-丰道新型电力系统智能装备技术联合研发中心主任、东南大学新能源发电与运行控制研究所副所长，长期从事新能源发电系统中的变流器拓扑、控制和保护技术研究。参与和主持国家863课题、国家自然基金、江苏省科技厅项目等10余项。授权发明专利50余件，发表SCI论文50余篇，出版中英文专著3部；以完成人获中国专利优秀奖3项、瑞士日内瓦国际发明展金奖1项、技术发明二等奖1项、江苏省电力科学技术进步一等奖1项，参与获国家电网有限公司技术发明一等奖1项（排3）、江苏省科技进步二等奖1项（排6）。在教学方面，以第三完成人获江苏省研究生教育改革成果一等奖1项。

曾入选江苏省“333工程”中青年领军人才（第二层次）、江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养计划、东南大学青年特聘教授等，曾入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单、全球Top2顶尖科学家等；担任IEEE工业电子会刊等3份行业重要SCI期刊编委/副编辑，担任IEC SC8A WG7、IEEE P2800.1专家组成员，参与编制发布光伏高穿、低穿IEC标准。