超级电容器在功率变换系统中的应用、分析与设计

本书主要介绍不错电容器及其在功率变换系统中的应用，着重分析了不错电容器模块以及接口DC-DC功率变换器的分析、建模和设计。主要包括储能技术及直接/间接储能系统装置的背景、不错电容器的相关理论及模型、不同充/放电方法下的不错电容器电压和电流特性以及电流应力和功率损耗的分析与计算。同时还包括功率变换系统及其应用基础，集成不错电容器储能的典型功率变换系统结构和特殊应用需求中储能装置的选型过程。在不错电容器模块设计的主要参数基础上，介绍了不错电容器模块的选型与设计过程，不错电容器的损耗、效率与尺寸、成本的关系，不错电容器单体的串联和电压均衡问题，以及不错电容器模块的散热设计。另外，详细分析了接口DC-DC变流器的分类以及多相交错式双向DC-DC变流器。

佩塔尔 J.格尔波维奇(Petar J.Grbovi)，博士长期不错电容的研究，曾在施耐德电气公司的施耐德东芝逆变器（STI）研发中心工作。具有丰富的研究经验，发表了多篇相关学术论文。

译者序
原书前言
第1章储能技术及装置1
1.1简介1
1.1.1能量1
1.1.2电能及其在日常生活中的作用1
1.1.3储能2
1.2直接式电能存储装置3
1.2.1电力电容器作为储能装置3
1.2.2电抗器储能7
1.3间接储能技术及装置9
1.3.1机械储能10
1.3.2化学储能13
1.4电力储能技术比较16
参考文献18
第2章超级电容器储能装置19
2.1超级电容器背景知识19
2.1.1超级电容器技术概述19
2.2EDLC20
2.2.1EDLC发展简史20
2.2.2超级电容器的结构21
2.2.3超级电容器的物理模型21
2.3超级电容器的宏观(电路)模型23
2.3.1完整理论模型23
2.3.2简化模型32
2.3.3仿真/控制模型34
2.3.4习题35
2.4超级电容器的能量和功率36
2.4.1超级电容器的能量和能量密度36
2.4.2超级电容器的储能效率37
2.4.3超级电容器的功率密度38
2.4.4电极碳负荷限制38
2.4.5习题39
2.5超级电容器的充/放电方法40
2.5.1恒电阻负载41
2.5.2恒流充电和负载41
2.5.3恒功率充电和负载44
2.5.4习题49
2.6频率相关损耗50
2.6.1周期性电流51
2.6.2非周期性电流55
2.7超级电容器的热特性56
2.7.1发热56
2.7.2热模型57
2.7.3温升58
2.7.4习题59
2.8超级电容器大功率模块62
2.9超级电容器的发展趋势与未来64
2.9.1未来超级电容器的要求64
2.9.2技术发展方向64
2.10小结65
参考文献66
第3章功率变换与储能应用68
3.1静态功率变流器基本原理68
3.1.1开关变流器68
3.1.2功率变流器的分类69
3.1 3电压源型变流器示例70
3.1.4间接静态AC-AC变流器71
3.2具有储能功能的变流器73
3.2.1问题提出73
3.2.2解决方案75
3.2.3储能类型的合理选择75
3.2.4电化学电池与超级电容器对比76
3.3受控电力驱动应用80
3.3.1受控电力驱动控制的发展81
3.3.2受控电力驱动的应用82
3.3.3应用问题的提出84
3.3.4解决方案85
3.4可再生能源发电应用91
3.4.1可再生能源91
3.4.2问题提出95
3.4.3虚拟惯量和可再生能源“发电机”97
3.4.4解决方案98
3.5自备发电机及其应用100
3.5.1应用100
3.5.2问题提出103
3.5.3解决方案105
3.6输配电应用107
3.6.1STATCOM应用107
3.6.2问题提出108
3.6.3解决方案111
3.7UPS应用113
3.7.1UPS系统应用113
3.7.2具有超级电容器储能的UPS114
3.8电力牵引应用118
3.8.1轨道车辆118
3.8.2道路车辆121
3.8.3一般牵引系统125
3.9小结128
参考文献130
第4章超级电容器模块选择及设计132
4.1简介132
4.1.1分析和设计目标133
4.1.2主要设计步骤133
4.1.3超级电容器模型133
4.2模块额定电压和电压等级的选择134
4.2.1内电压和终端电压之间的关系135
4.2.2最大工作电压136
4.2.3最小工作电压137
4.2.4超级电容器中间电压138
4.2.5超级电容器额定电压142
4.2.6习题143
4.3选择电容145
4.3.1电能存储/释放能力145
4.3.2变换效率146
4.3.3寿命对电容选择的影响151
4.3.4习题152
4.4超级电容器模块设计153
4.4.1单体串/并联设计153
4.4.2电流应力和损耗156
4.4.3串联电压均衡158
4.4.4习题165
4.5模块的热管理168
4.5.1模型定义169
4.5.2模型参数的确定171
4.5.3模型参数——实验确定171
4.5.4设计冷却系统173
4.5.5习题175
4.6超级电容器模块测试185
4.6.1电容和内阻185
4.6.2漏电流和自放电189
4.7小结190
参考文献191
第5章接口DC-DC变流器193
5.1简介193
5.2接口DC-DC变流器及其分类194
5.2.1电压源和电流源DC-DC变流器195
5.2.2全功率和部分功率接口DC-DC变流器197
5.2.3隔离和非隔离式DC-DC变流器197
5.2.4两电平和多电平接口DC-DC变流器198
5.2.5单相和多相交错式接口DC-DC变流器198
5.3常用接口DC-DC变流器200
5.3.1两电平DC-DC变流器200
5.3.2三电平DC-DC变流器201
5.3.3Boost-Buck和Buck-Boost DC-DC变流器201
5.3.4隔离式DC-DC变流器203
5.3.5应用总结205
5.4超级电容器的电压和电流定义206
5.5多相交错式DC-DC变流器207
5.5.1交错式DC-DC变流器的背景知识207
5.5.2两相交错式DC-DC变流器分析209
5.5.3N相交错式变流器一般情况分析214
5.6两电平N相交错式DC-DC变流器设计229
5.6.1ICT设计：两相交错式示例229
5.6.2滤波电抗器设计234
5.6.3直流母线电容器选择240
5.6.4输出滤波电容器选择246
5.6.5功率半导体器件选择249
5.6.6习题256
5.7变流器功率损耗：一般性分析264
5.7.1损耗的来源264
5.7.2导通损耗266
5.7.3开通损耗和关断损耗266
5.7.4阻断损耗267
5.7.5滑动平均值和有效值定义267
5.8变流器热管理：一般性分析268
5.8.1变流器热管理的重要性268
5.8.2功率半导体器件的热模型268
5.8.3电磁装置的热模型273
5.8.4电解电容器的热模型276
5.9小结279
参考文献280