近年來(lái)，由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)、負(fù)載分布的多樣性以及對(duì)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(xué)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(xué)者和自學(xué)者有效學(xué)習(xí)現(xiàn)代電力電子學(xué)的圖書。由于自1880年以來(lái)交流電一直在應(yīng)用中占主導(dǎo)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(diǎn)講解使用各種AC/DC整流器在各種負(fù)載情況的分析和設(shè)計(jì)，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(yán)格的電能質(zhì)量要求以及整流器功能單一的一些拓?fù)浣Y(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(dǎo)體的有源開關(guān)技術(shù)，而本書的一個(gè)顯著特點(diǎn)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(shuō)明開關(guān)的概念，這是電力電子學(xué)的基礎(chǔ)，這個(gè)概念對(duì)于學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)是必不可少的，因?yàn)樵絹?lái)越多的發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)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(jí)電容器和固態(tài)變壓器。在本書中，電力電子學(xué)中每個(gè)重要內(nèi)容都在一個(gè)清晰的框架內(nèi)給出，通過(guò)循序漸進(jìn)的方法幫助讀者逐步積累知識(shí)，例如，DC/AC變換（第5章）和AC/DC變換（第6章）的知識(shí)自然會(huì)成為隔離型DC/DC變換器（第7章）的基礎(chǔ)，因?yàn)樵S多拓?fù)涠际莾杉?jí)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(jìn)的敘述方法來(lái)自作者在電力電子和可再生能源系統(tǒng)方面的自學(xué)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)建模方法按照從高度非線性到分段線性可分為多個(gè)類別，包括開關(guān)模型、平均值模型和小信號(hào)模型。在MATLAB/Simulink的基本模塊中，開發(fā)了開關(guān)動(dòng)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(dòng)態(tài)模型可用于快速仿真和非線性控制仿真，但會(huì)導(dǎo)致開關(guān)切換過(guò)程的不可知性。在具有大量功率變換器和分布式發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行中，平均值動(dòng)態(tài)模型已被證明可有效模擬實(shí)際系統(tǒng)。此外，動(dòng)態(tài)建模的最后步驟關(guān)注以動(dòng)態(tài)分析和線性控制理論為基礎(chǔ)的線性數(shù)學(xué)函數(shù)，對(duì)于閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)，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(dòng)態(tài)性能。循序漸進(jìn)的方法使讀者能夠了解系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)知識(shí)，并建立線性控制理論和電力電子學(xué)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(shí)用的設(shè)計(jì)主題，這些主題對(duì)于尋求通過(guò)自學(xué)或?qū)�業(yè)培訓(xùn)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(xué)、信號(hào)理論和線性控制工程領(lǐng)域的基本知識(shí)，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(xué)科。具體如下：

�r 介紹了開發(fā)電力電子的常用平臺(tái)和工具。

�r 根據(jù)信號(hào)波形、功率流向和電壓電平對(duì)電力電子應(yīng)用進(jìn)行全面分類。

�r 本書的一個(gè)重要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)和評(píng)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(jìn)行數(shù)學(xué)分析。

�r 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(dòng)電路。

�r 由于可充電電池等能量存儲(chǔ)的使用越來(lái)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(xì)介紹了雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

�r 仿真建模遵循模塊化和循序漸進(jìn)的方法，因此變換器系統(tǒng)被劃分為單獨(dú)的模塊，包括功率系統(tǒng)、低通濾波器、負(fù)載、信號(hào)調(diào)制和控制。開發(fā)遵循易于操作的原則，創(chuàng)建一個(gè)易于理解、構(gòu)建和調(diào)試的清晰框架。

�r 為大多數(shù)變換器拓?fù)浜拖嚓P(guān)調(diào)制方法構(gòu)建仿真模型，供讀者參考。

�r 通過(guò)一個(gè)專門的章節(jié)演示使用平均值技術(shù)進(jìn)行建模和仿真。平均值技術(shù)是通用的，包括連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式。

�r 將動(dòng)態(tài)分析所建立的數(shù)學(xué)模型和控制器的綜合與變換器仿真討論進(jìn)行分離，采用線性化和小信號(hào)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。

�r 大多數(shù)章節(jié)以案例研究的形式提供大量實(shí)際示例，以演示和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。讀者可以通過(guò)各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析平臺(tái)復(fù)制結(jié)果，這也為開發(fā)和評(píng)估新系統(tǒng)提供系統(tǒng)的方法。

�r 通過(guò)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(jì)和元件逐步選擇的過(guò)程。

�r 為希望掌握電力電子學(xué)的人員推薦工具和設(shè)備類型，包括電氣計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)和硬件。

�r 每章末尾都有一個(gè)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(gè)組成部分和控制部件。簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

第1章簡(jiǎn)要介紹電力電子學(xué)的背景。為避免歧義，本章對(duì)一些重要的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了說(shuō)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(shí)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?fù)�，即Buck、Boost、Buck�睟oost以及C＇uk變換器。每個(gè)工作狀態(tài)都得到仿真驗(yàn)證。

第4章重點(diǎn)說(shuō)明功率計(jì)算以估算等效功率、損耗和功率質(zhì)量，并說(shuō)明驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shuō)明電能質(zhì)量問(wèn)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?fù)錇榛�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(diǎn)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?fù)洹?/p>

第10章介紹在連續(xù)導(dǎo)通模式和不連續(xù)導(dǎo)通模式情況下對(duì)不同變換器進(jìn)行平均值動(dòng)態(tài)建模和快速仿真的技術(shù)。

第11章討論用于動(dòng)態(tài)分析的變換器數(shù)學(xué)建模。線性化的方法廣泛用于推導(dǎo)小信號(hào)模型，也用于對(duì)非最小相位問(wèn)題進(jìn)行討論。

第12章介紹控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，參數(shù)擬合作為一種系統(tǒng)方法被引入，用于設(shè)計(jì)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(fù)示例案例的結(jié)果或進(jìn)行新的相關(guān)研究。

肖衛(wèi)東（Weidong Xiao）