本書(shū)主要介紹超級(jí)電容器及其在功率變換系統(tǒng)中的應(yīng)用，著重分析了超級(jí)電容器模塊以及接口DC-DC功率變換器的分析、建模和設(shè)計(jì)。主要包括儲(chǔ)能技術(shù)及直接/間接儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置的背景、超級(jí)電容器的相關(guān)理論及模型、不同充/放電方法下的超級(jí)電容器電壓和電流特性以及電流應(yīng)力和功率損耗的分析與計(jì)算。同時(shí)還包括功率變換系統(tǒng)及其應(yīng)用基礎(chǔ)，集成超級(jí)電容器儲(chǔ)能的典型功率變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特殊應(yīng)用需求中儲(chǔ)能裝置的選型過(guò)程。在超級(jí)電容器模塊設(shè)計(jì)的主要參數(shù)基礎(chǔ)上，介紹了超級(jí)電容器模塊的選型與設(shè)計(jì)過(guò)程，超級(jí)電容器的損耗、效率與尺寸、成本的關(guān)系，超級(jí)電容器單體的串聯(lián)和電壓均衡問(wèn)題，以及超級(jí)電容器模塊的散熱設(shè)計(jì)。另外，詳細(xì)分析了接口DC-DC變流器的分類(lèi)以及多相交錯(cuò)式雙向DC-DC變流器。
適讀人群 ：從事超級(jí)電容器應(yīng)用的電力電子工程師和研究人員以及超級(jí)電容器和功率變換應(yīng)用研究領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生和教師
關(guān)于本書(shū)
超級(jí)電容器作為短期儲(chǔ)能裝置，特別在交通和新能源領(lǐng)域受到歡迎。本書(shū)重點(diǎn)考慮實(shí)際功率變換和超級(jí)電容器在電力電子系統(tǒng)中的集成，針對(duì)超級(jí)電容器相關(guān)理論、模型以及模塊設(shè)計(jì)，從應(yīng)用角度進(jìn)行了前沿和詳細(xì)的分析。
本書(shū)特點(diǎn)
·清晰闡述了超級(jí)電容器的理論和實(shí)踐，包括分析、建模和設(shè)計(jì)；
·介紹了各種功率變換應(yīng)用，如變速驅(qū)動(dòng)、可再生能源系統(tǒng)、牽引、電能質(zhì)量、柴油-電力混合應(yīng)用；
·提供了超級(jí)電容器選型和設(shè)計(jì)的詳細(xì)指南；
·包含習(xí)題和設(shè)計(jì)案例。
對(duì)于想要拓展超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置及其應(yīng)用知識(shí)的電力電子工程師和專(zhuān)家，這是一本重要的參考書(shū)。對(duì)于希望了解這一熱點(diǎn)課題的工業(yè)設(shè)計(jì)工程師和高校學(xué)生，本書(shū)也是非常有價(jià)值的資料。
本書(shū)是關(guān)于什么的？這是一本關(guān)于超級(jí)電容器及超級(jí)電容器在功率變換系統(tǒng)中應(yīng)用的專(zhuān)著。本書(shū)著重于超級(jí)電容器模塊以及接口ＤＣ－ＤＣ功率變流器的分析、建模和設(shè)計(jì)。
功率變換系統(tǒng)和電力電子器件在日常生活中扮演著重要的角色。很難想象沒(méi)有電力電子器件和靜態(tài)功率變換設(shè)備的應(yīng)用，比如工業(yè)受控電力驅(qū)動(dòng)、可再生能源、發(fā)電和輸電裝置、家用電器、移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)組、土方機(jī)械及設(shè)備、交通運(yùn)輸?shù)取Ｔ诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，需要一種可以在短時(shí)間段內(nèi)存儲(chǔ)和釋放一定能量的設(shè)備，這種需求正在增長(zhǎng)。受控電力驅(qū)動(dòng)中需要儲(chǔ)能回收制動(dòng)能量或在供電中斷時(shí)提供能量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要利用儲(chǔ)能平滑風(fēng)速波動(dòng)引起的功率波動(dòng)。輸電設(shè)備如靜止同步補(bǔ)償器（ＳＴＡＴＣＯＭ），需要在電力系統(tǒng)故障或不穩(wěn)定運(yùn)行中，利用儲(chǔ)能提供有功功率支撐。移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)組需要利用儲(chǔ)能減少燃料消耗和二氧化碳排放。交通運(yùn)輸對(duì)儲(chǔ)能有強(qiáng)烈需求，用于提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
儲(chǔ)能裝置應(yīng)具備高功率等級(jí)的快速存儲(chǔ)和釋放能量的能力。充放電時(shí)間可持續(xù)幾秒至數(shù)十秒，而功率密度應(yīng)在５～１０ｋＷ／ｋｇ。當(dāng)前有兩種儲(chǔ)能技術(shù)符合這樣的要求：①飛輪儲(chǔ)能；②電化學(xué)雙層電容器（ＥＤＬＣ），多稱(chēng)為“超級(jí)電容器”。
本書(shū)只考慮超級(jí)電容器。
本書(shū)中有什么？本書(shū)共包括５章。首先介紹儲(chǔ)能技術(shù)及裝置的背景，接著詳細(xì)講解了超級(jí)電容器的相關(guān)理論，并介紹了功率變換系統(tǒng)及其應(yīng)用基礎(chǔ)。超級(jí)電容器模塊的選型與設(shè)計(jì)過(guò)程是本書(shū)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。最后，本書(shū)對(duì)接口ＤＣ－ＤＣ變流器進(jìn)行了詳細(xì)分析。
第１章給出了儲(chǔ)能技術(shù)及裝置的基礎(chǔ)。所有儲(chǔ)能系統(tǒng)都可歸為兩類(lèi)：直接和間接儲(chǔ)能系統(tǒng)。直接儲(chǔ)能設(shè)備直接存儲(chǔ)電能，并不進(jìn)行能量類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。電抗器和電容器是直接儲(chǔ)能設(shè)備。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（ＳＭＥＳ）設(shè)備和超級(jí)電容器是具有高能量密度的直接儲(chǔ)能設(shè)備。間接儲(chǔ)能系統(tǒng)和設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為其他更容易處理和存儲(chǔ)的能量類(lèi)型。典型系統(tǒng)為機(jī)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，如飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)也是廣為人知的間接儲(chǔ)能系統(tǒng)，如電化學(xué)電池和氫燃料電池。
第２章介紹了超級(jí)電容器的背景理論。首先特別建立了面向應(yīng)用的超級(jí)電容器模型，然后對(duì)超級(jí)電容器的能量和功率進(jìn)行定義和討論，分析了不同充／放電方法，如電壓－電阻模式、電流模式和功率控制模式。在不同的充放電方法下，導(dǎo)出了超級(jí)電容器的電壓和電流特性。討論了不同運(yùn)行條件下超級(jí)電容器電流應(yīng)力和功率損耗的分析與計(jì)算。解釋了超級(jí)電容器的損耗與充／放電頻率的關(guān)聯(lián)，以及當(dāng)充放電電流頻率在兆赫范圍（非常低的頻率）和赫范圍（低頻）時(shí)如何確定損耗。最后，給出了一些應(yīng)用實(shí)例，如具有制動(dòng)和穿越能力的變速驅(qū)動(dòng)器。
第３章的第１部分介紹了功率變換的基本原理，討論了功率變換系統(tǒng)中短期儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用需求，介紹了集成超級(jí)電容器儲(chǔ)能的典型功率變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要給出了特殊應(yīng)用需求中儲(chǔ)能裝置的選型過(guò)程，并比較了兩種主要儲(chǔ)能設(shè)備：電化學(xué)電池和超級(jí)電容器。第３章的第２部分討論了不同功率變換應(yīng)用，如受控電力驅(qū)動(dòng)器、可再生能源（例如風(fēng)能、光伏和海洋流）、自備柴油和液化天然氣（ＮＬＧ）機(jī)組、具有短時(shí)有功支撐能力的ＳＴＡＴＣＯＭ、ＵＰＳ以及牽引。
第４章深入討論了超級(jí)電容器模塊的選型。超級(jí)電容器模塊的設(shè)計(jì)基于３個(gè)主要參數(shù)：模塊電壓、電容和內(nèi)阻。模塊電壓實(shí)際上為一組不同的工作電壓和模塊額定電壓。工作電壓、額定電壓、模塊電容和內(nèi)阻根據(jù)應(yīng)用需求確定，如儲(chǔ)能能力、運(yùn)行壽命、效率等。第４章的第２部分討論了超級(jí)電容器的損耗、效率與尺寸、成本的關(guān)系，介紹了超級(jí)電容器模塊設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面，討論了超級(jí)電容器單體的串聯(lián)和電壓均衡問(wèn)題，以及超級(jí)電容器模塊的散熱設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)幾個(gè)實(shí)際的功率變換應(yīng)用案例對(duì)上述理論分析進(jìn)行支撐。
第５章討論了接口ＤＣ－ＤＣ變流器。首先介紹了雙向ＤＣ－ＤＣ變流器的背景，將變流器分為不同的類(lèi)別，如全功率與部分功率變流器、隔離與非隔離式變流器、兩電平與多電平變流器、單相與多相交錯(cuò)式變流器。根據(jù)應(yīng)用需求，對(duì)比了當(dāng)前的各類(lèi)拓?fù)�。在第５章的第２部分中，詳�?xì)分析了多相交錯(cuò)式雙向ＤＣＤＣ變流器，并給出了設(shè)計(jì)導(dǎo)則。最后，通過(guò)幾個(gè)實(shí)際算例對(duì)理論分析進(jìn)行支持，如高功率ＵＰＳ和受控電力驅(qū)動(dòng)。
誰(shuí)應(yīng)該讀這本書(shū)（為什么）本書(shū)主要面向需要提升先進(jìn)超級(jí)電容器儲(chǔ)能的知識(shí)和理解，并關(guān)注現(xiàn)在和未來(lái)超級(jí)電容器在功率變換中應(yīng)用的電力電子工程師和專(zhuān)業(yè)人士。本書(shū)也可作為希望了解更多關(guān)于超級(jí)電容器和功率變換應(yīng)用的碩士生和博士生的背景資料。讀者最好掌握數(shù)學(xué)、電路原理和系統(tǒng)、電磁學(xué)、電力電子學(xué)方面的基本知識(shí)。
致謝幾年前作者開(kāi)始了超級(jí)電容器的研究，當(dāng)時(shí)在施耐德電氣公司位于法國(guó)厄爾河畔帕西的施耐德東芝逆變器（ＳＴＩ）研發(fā)中心工作。在此特別要感謝Ｐｈｉｌｉｐｐｅ原文為“ｍｅｇａ－ｈｅｒｚ”有誤，應(yīng)為毫赫（ｍＨｚ）。———譯者注原書(shū)前言ⅤＢａｕｄｅｓｓｏｎ博士和ＦａｂｒｉｃｅＪａｄｏｔ博士的支持。在開(kāi)始思考超級(jí)電容器在受控電力驅(qū)動(dòng)
作者Petar J.Grbovi博士長(zhǎng)期超級(jí)電容的研究，曾在施耐德電氣公司的施耐德東芝逆變器（STI）研發(fā)中心工作。具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)表了多篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文。
目錄
譯者序
原書(shū)前言
第1章儲(chǔ)能技術(shù)及裝置1
1.1簡(jiǎn)介1
1.1.1能量1
1.1.2電能及其在日常生活中的作用1
1.1.3儲(chǔ)能2
1.2直接式電能存儲(chǔ)裝置3
1.2.1電力電容器作為儲(chǔ)能裝置3
1.2.2電抗器儲(chǔ)能7
1.3間接儲(chǔ)能技術(shù)及裝置9
1.3.1機(jī)械儲(chǔ)能10
1.3.2化學(xué)儲(chǔ)能13
1.4電力儲(chǔ)能技術(shù)比較16
參考文獻(xiàn)18
第2章超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置19
2.1超級(jí)電容器背景知識(shí)19
2.1.1超級(jí)電容器技術(shù)概述19
2.2EDLC20
2.2.1EDLC發(fā)展簡(jiǎn)史20
2.2.2超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)21
2.2.3超級(jí)電容器的物理模型21
2.3超級(jí)電容器的宏觀(電路)模型23
2.3.1完整理論模型23
2.3.2簡(jiǎn)化模型32
2.3.3仿真/控制模型34
2.3.4習(xí)題35
2.4超級(jí)電容器的能量和功率36
2.4.1超級(jí)電容器的能量和能量密度36
2.4.2超級(jí)電容器的儲(chǔ)能效率37
2.4.3超級(jí)電容器的功率密度38
2.4.4電極碳負(fù)荷限制38
2.4.5習(xí)題39
2.5超級(jí)電容器的充/放電方法40
2.5.1恒電阻負(fù)載41
2.5.2恒流充電和負(fù)載41
2.5.3恒功率充電和負(fù)載44
2.5.4習(xí)題49
2.6頻率相關(guān)損耗50
2.6.1周期性電流51
2.6.2非周期性電流55
2.7超級(jí)電容器的熱特性56
2.7.1發(fā)熱56
2.7.2熱模型57
2.7.3溫升58
2.7.4習(xí)題59
2.8超級(jí)電容器大功率模塊62
2.9超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)64
2.9.1未來(lái)超級(jí)電容器的要求64
2.9.2技術(shù)發(fā)展方向64
2.10小結(jié)65
參考文獻(xiàn)66
第3章功率變換與儲(chǔ)能應(yīng)用68
3.1靜態(tài)功率變流器基本原理68
3.1.1開(kāi)關(guān)變流器68
3.1.2功率變流器的分類(lèi)69
3.1 3電壓源型變流器示例70
3.1.4間接靜態(tài)AC-AC變流器71
3.2具有儲(chǔ)能功能的變流器73
3.2.1問(wèn)題提出73
3.2.2解決方案75
3.2.3儲(chǔ)能類(lèi)型的合理選擇75
3.2.4電化學(xué)電池與超級(jí)電容器對(duì)比76
3.3受控電力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用80
3.3.1受控電力驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展81
3.3.2受控電力驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用82
3.3.3應(yīng)用問(wèn)題的提出84
3.3.4解決方案85
3.4可再生能源發(fā)電應(yīng)用91
3.4.1可再生能源91
3.4.2問(wèn)題提出95
3.4.3虛擬慣量和可再生能源“發(fā)電機(jī)”97
3.4.4解決方案98
3.5自備發(fā)電機(jī)及其應(yīng)用100
3.5.1應(yīng)用100
3.5.2問(wèn)題提出103
3.5.3解決方案105
3.6輸配電應(yīng)用107
3.6.1STATCOM應(yīng)用107
3.6.2問(wèn)題提出108
3.6.3解決方案111
3.7UPS應(yīng)用113
3.7.1UPS系統(tǒng)應(yīng)用113
3.7.2具有超級(jí)電容器儲(chǔ)能的UPS114
3.8電力牽引應(yīng)用118
3.8.1軌道車(chē)輛118
3.8.2道路車(chē)輛121
3.8.3一般牽引系統(tǒng)125
3.9小結(jié)128
參考文獻(xiàn)130
第4章超級(jí)電容器模塊選擇及設(shè)計(jì)132
4.1簡(jiǎn)介132
4.1.1分析和設(shè)計(jì)目標(biāo)133
4.1.2主要設(shè)計(jì)步驟133
4.1.3超級(jí)電容器模型133
4.2模塊額定電壓和電壓等級(jí)的選擇134
4.2.1內(nèi)電壓和終端電壓之間的關(guān)系135
4.2.2最大工作電壓136
4.2.3最小工作電壓137
4.2.4超級(jí)電容器中間電壓138
4.2.5超級(jí)電容器額定電壓142
4.2.6習(xí)題143
4.3選擇電容145
4.3.1電能存儲(chǔ)/釋放能力145
4.3.2變換效率146
4.3.3壽命對(duì)電容選擇的影響151
4.3.4習(xí)題152
4.4超級(jí)電容器模塊設(shè)計(jì)153
4.4.1單體串/并聯(lián)設(shè)計(jì)153
4.4.2電流應(yīng)力和損耗156
4.4.3串聯(lián)電壓均衡158
4.4.4習(xí)題165
4.5模塊的熱管理168
4.5.1模型定義169
4.5.2模型參數(shù)的確定171
4.5.3模型參數(shù)——實(shí)驗(yàn)確定171
4.5.4設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)173
4.5.5習(xí)題175
4.6超級(jí)電容器模塊測(cè)試185
4.6.1電容和內(nèi)阻185
4.6.2漏電流和自放電189
4.7小結(jié)190
參考文獻(xiàn)191
第5章接口DC-DC變流器193
5.1簡(jiǎn)介193
5.2接口DC-DC變流器及其分類(lèi)194
5.2.1電壓源和電流源DC-DC變流器195
5.2.2全功率和部分功率接口DC-DC變流器197
5.2.3隔離和非隔離式DC-DC變流器197
5.2.4兩電平和多電平接口DC-DC變流器198
5.2.5單相和多相交錯(cuò)式接口DC-DC變流器198
5.3常用接口DC-DC變流器200
5.3.1兩電平DC-DC變流器200
5.3.2三電平DC-DC變流器201
5.3.3Boost-Buck和Buck-Boost DC-DC變流器201
5.3.4隔離式DC-DC變流器203
5.3.5應(yīng)用總結(jié)205
5.4超級(jí)電容器的電壓和電流定義206
5.5多相交錯(cuò)式DC-DC變流器207
5.5.1交錯(cuò)式DC-DC變流器的背景知識(shí)207
5.5.2兩相交錯(cuò)式DC-DC變流器分析209
5.5.3N相交錯(cuò)式變流器一般情況分析214
5.6兩電平N相交錯(cuò)式DC-DC變流器設(shè)計(jì)229
5.6.1ICT設(shè)計(jì)：兩相交錯(cuò)式示例229
5.6.2濾波電抗器設(shè)計(jì)234
5.6.3直流母線電容器選擇240
5.6.4輸出濾波電容器選擇246
5.6.5功率半導(dǎo)體器件選擇249
5.6.6習(xí)題256
5.7變流器功率損耗：一般性分析264
5.7.1損耗的來(lái)源264
5.7.2導(dǎo)通損耗266
5.7.3開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗266
5.7.4阻斷損耗267
5.7.5滑動(dòng)平均值和有效值定義267
5.8變流器熱管理：一般性分析268
5.8.1變流器熱管理的重要性268
5.8.2功率半導(dǎo)體器件的熱模型268
5.8.3電磁裝置的熱模型273
5.8.4電解電容器的熱模型276
5.9小結(jié)279
參考文獻(xiàn)280
書(shū)單推薦
