本書主要介紹超級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)。主要包括儲能技術(shù)及直接/間接儲能系統(tǒng)裝置的背景、超級電容器的相關(guān)理論及模型、不同充/放電方法下的超級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)，集成超級電容器儲能的典型功率變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特殊應(yīng)用需求中儲能裝置的選型過程。在超級電容器模塊設(shè)計(jì)的主要參數(shù)基礎(chǔ)上，介紹了超級電容器模塊的選型與設(shè)計(jì)過程，超級電容器的損耗、效率與尺寸、成本的關(guān)系，超級電容器單體的串聯(lián)和電壓均衡問題，以及超級電容器模塊的散熱設(shè)計(jì)。另外，詳細(xì)分析了接口DC-DC變流器的分類以及多相交錯(cuò)式雙向DC-DC變流器。
適讀人群 ：從事超級電容器應(yīng)用的電力電子工程師和研究人員以及超級電容器和功率變換應(yīng)用研究領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)研究生和教師
關(guān)于本書
超級電容器作為短期儲能裝置，特別在交通和新能源領(lǐng)域受到歡迎。本書重點(diǎn)考慮實(shí)際功率變換和超級電容器在電力電子系統(tǒng)中的集成，針對超級電容器相關(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。
本書特點(diǎn)
·清晰闡述了超級電容器的理論和實(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。
對于想要拓展超級電容器儲能裝置及其應(yīng)用知識的電力電子工程師和專家，這是一本重要的參考書。對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，本書也是非常有價(jià)值的資料。
本書是關(guān)于什么的？這是一本關(guān)于超級電容器及超級電容器在功率變換系統(tǒng)中應(yīng)用的專著。本書著重于超級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)�。在大多�?shù)應(yīng)用中，需要一種可以在短時(shí)間段內(nèi)存儲和釋放一定能量的設(shè)備，這種需求正在增長。受控電力驅(qū)動(dòng)中需要儲能回收制動(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)組需要利用儲能減少燃料消耗和二氧化碳排放。交通運(yùn)輸對儲能有強(qiáng)烈需求，用于提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
儲能裝置應(yīng)具備高功率等級的快速存儲和釋放能量的能力。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)前有兩種儲能技術(shù)符合這樣的要求：①飛輪儲能；②電化學(xué)雙層電容器（ＥＤＬＣ），多稱為“超級電容器”。
本書只考慮超級電容器。
本書中有什么？本書共包括５章。首先介紹儲能技術(shù)及裝置的背景，接著詳細(xì)講解了超級電容器的相關(guān)理論，并介紹了功率變換系統(tǒng)及其應(yīng)用基礎(chǔ)。超級電容器模塊的選型與設(shè)計(jì)過程是本書的一項(xiàng)重要內(nèi)容。最后，本書對接口ＤＣ－ＤＣ變流器進(jìn)行了詳細(xì)分析。
第１章給出了儲能技術(shù)及裝置的基礎(chǔ)。所有儲能系統(tǒng)都可歸為兩類：直接和間接儲能系統(tǒng)。直接儲能設(shè)備直接存儲電能，并不進(jìn)行能量類型的轉(zhuǎn)換。電抗器和電容器是直接儲能設(shè)備。超導(dǎo)磁儲能（ＳＭＥＳ）設(shè)備和超級電容器是具有高能量密度的直接儲能設(shè)備。間接儲能系統(tǒng)和設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為其他更容易處理和存儲的能量類型。典型系統(tǒng)為機(jī)電儲能系統(tǒng)，如飛輪、抽水蓄能和壓縮空氣儲能系統(tǒng)。電化學(xué)儲能系統(tǒng)也是廣為人知的間接儲能系統(tǒng)，如電化學(xué)電池和氫燃料電池。
第２章介紹了超級電容器的背景理論。首先特別建立了面向應(yīng)用的超級電容器模型，然后對超級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)出了超級電容器的電壓和電流特性。討論了不同運(yùn)行條件下超級電容器電流應(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)中短期儲能設(shè)備的應(yīng)用需求，介紹了集成超級電容器儲能的典型功率變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡要給出了特殊應(yīng)用需求中儲能裝置的選型過程，并比較了兩種主要儲能設(shè)備：電化學(xué)電池和超級電容器。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章深入討論了超級電容器模塊的選型。超級電容器模塊的設(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，如儲能能力、運(yùn)行壽命、效率等。第４章的第２部分討論了超級電容器的損耗、效率與尺寸、成本的關(guān)系，介紹了超級電容器模塊設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面，討論了超級電容器單體的串聯(lián)和電壓均衡問題，以及超級電容器模塊的散熱設(shè)計(jì)。最后，通過幾個(gè)實(shí)際的功率變換應(yīng)用案例對上述理論分析進(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，對比了當(dāng)前的各類拓?fù)洹Ｔ诘冢嫡碌牡冢膊糠种�，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，通過幾個(gè)實(shí)際算例對理論分析進(jìn)行支持，如高功率ＵＰＳ和受控電力驅(qū)動(dòng)。
誰應(yīng)該讀這本書（為什么）本書主要面向需要提升先進(jìn)超級電容器儲能的知識和理解，并關(guān)注現(xiàn)在和未來超級電容器在功率變換中應(yīng)用的電力電子工程師和專業(yè)人士。本書也可作為希望了解更多關(guān)于超級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。
致謝幾年前作者開始了超級電容器的研究，當(dāng)時(shí)在施耐德電氣公司位于法國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）。———譯者注原書前言ⅤＢａｕｄｅｓｓｏｎ博士和ＦａｂｒｉｃｅＪａｄｏｔ博士的支持。在開始思考超級電容器在受控電力驅(qū)動(dòng)
作者Petar J.Grbovi博士長期超級電容的研究，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
原書前言
第1章儲能技術(shù)及裝置1
1.1簡介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儲能2
1.2直接式電能存儲裝置3
1.2.1電力電容器作為儲能裝置3
1.2.2電抗器儲能7
1.3間接儲能技術(shù)及裝置9
1.3.1機(jī)械儲能10
1.3.2化學(xué)儲能13
1.4電力儲能技術(shù)比較16
參考文獻(xiàn)18
第2章超級電容器儲能裝置19
2.1超級電容器背景知識19
2.1.1超級電容器技術(shù)概述19
2.2EDLC20
2.2.1EDLC發(fā)展簡史20
2.2.2超級電容器的結(jié)構(gòu)21
2.2.3超級電容器的物理模型21
2.3超級電容器的宏觀(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超級電容器的能量和功率36
2.4.1超級電容器的能量和能量密度36
2.4.2超級電容器的儲能效率37
2.4.3超級電容器的功率密度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超級電容器大功率模塊62
2.9超級電容器的發(fā)展趨勢與未來64
2.9.1未來超級電容器的要求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章功率變換與儲能應(yīng)用68
3.1靜態(tài)功率變流器基本原理68
3.1.1開關(guān)變流器68
3.1.2功率變流器的分類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具有儲能功能的變流器73
3.2.1問題提出73
3.2.2解決方案75
3.2.3儲能類型的合理選擇75
3.2.4電化學(xué)電池與超級電容器對比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具有超級電容器儲能的UPS114
3.8電力牽引應(yīng)用118
3.8.1軌道車輛118
3.8.2道路車輛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章超級電容器模塊選擇及設(shè)計(jì)132
4.1簡介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超級電容器模型133
4.2模塊額定電壓和電壓等級的選擇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超級電容器中間電壓138
4.2.5超級電容器額定電壓142
4.2.6習(xí)題143
4.3選擇電容145
4.3.1電能存儲/釋放能力145
4.3.2變換效率146
4.3.3壽命對電容選擇的影響151
4.3.4習(xí)題152
4.4超級電容器模塊設(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超級電容器模塊測試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簡介193
5.2接口DC-DC變流器及其分類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損耗的來源264
5.7.2導(dǎo)通損耗266
5.7.3開通損耗和關(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
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