超级电容器在功率变换系统中的应用、分析与设计——从理论到实际_佩塔尔 J.格尔波维奇_9787111562665

本书主要介绍超级电容器及其在功率变换系统中的应用，着重分析了超级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、超级电容器的相关理论及模型、不同充/放电方法下的超级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，集成超级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。在超级电容器模块设计的主要参数基础上，介绍了超级电容器模块的选型与设计过程，超级电容器的损耗、效率与尺寸、成本的关系，超级电容器单体的串联和电压均衡问题，以及超级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。

　　本书是关于什么的？这是一本关于超级电容器及超级电容器在功率变换系统中应用的专著。本书着重于超级电容器模块以及接口ＤＣ－ＤＣ功率变流器的分析、建模和设计。

　　功率变换系统和电力电子器件在日常生活中扮演着重要的角色。很难想象没有电力电子器件和静态功率变换设备的应用，比如工业受控电力驱动、可再生能源、发电和输电装置、家用电器、移动式柴油发电机组、土方机械及设备、交通运输等。在大多数应用中，需要一种可以在短时间段内存储和释放一定能量的设备，这种需求正在增长。受控电力驱动中需要储能回收制动能量或在供电中断时提供能量。风力发电机需要利用储能平滑风速波动引起的功率波动。输电设备如静止同步补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ），需要在电力系统故障或不稳定运行中，利用储能提供有功功率支撑。移动式柴油发电机组需要利用储能减少燃料消耗和二氧化碳排放。交通运输对储能有强烈需求，用于提高系统的效率和可靠性。

　　储能装置应具备高功率等级的快速存储和释放能量的能力。充放电时间可持续几秒至数十秒，而功率密度应在５～１０ｋＷ／ｋｇ。当前有两种储能技术符合这样的要求：①飞轮储能；②电化学双层电容器（ＥＤＬＣ），多称为“超级电容器”。

　　本书只考虑超级电容器。

　　本书中有什么？本书共包括５章。首先介绍储能技术及装置的背景，接着详细讲解了超级电容器的相关理论，并介绍了功率变换系统及其应用基础。超级电容器模块的选型与设计过程是本书的一项重要内容。最后，本书对接口ＤＣ－ＤＣ变流器进行了详细分析。

　　第１章给出了储能技术及装置的基础。所有储能系统都可归为两类：直接和间接储能系统。直接储能设备直接存储电能，并不进行能量类型的转换。电抗器和电容器是直接储能设备。超导磁储能（ＳＭＥＳ）设备和超级电容器是具有高能量密度的直接储能设备。间接储能系统和设备将电能转换为其他更容易处理和存储的能量类型。典型系统为机电储能系统，如飞轮、抽水蓄能和压缩空气储能系统。电化学储能系统也是广为人知的间接储能系统，如电化学电池和氢燃料电池。

　　第２章介绍了超级电容器的背景理论。首先特别建立了面向应用的超级电容器模型，然后对超级电容器的能量和功率进行定义和讨论，分析了不同充／放电方法，如电压－电阻模式、电流模式和功率控制模式。在不同的充放电方法下，导出了超级电容器的电压和电流特性。讨论了不同运行条件下超级电容器电流应力和功率损耗的分析与计算。解释了超级电容器的损耗与充／放电频率的关联，以及当充放电电流频率在兆赫范围（非常低的频率）和赫范围（低频）时如何确定损耗。最后，给出了一些应用实例，如具有制动和穿越能力的变速驱动器。

　　第３章的第１部分介绍了功率变换的基本原理，讨论了功率变换系统中短期储能设备的应用需求，介绍了集成超级电容器储能的典型功率变换系统结构，简要给出了特殊应用需求中储能装置的选型过程，并比较了两种主要储能设备：电化学电池和超级电容器。第３章的第２部分讨论了不同功率变换应用，如受控电力驱动器、可再生能源（例如风能、光伏和海洋流）、自备柴油和液化天然气（ＮＬＧ）机组、具有短时有功支撑能力的ＳＴＡＴＣＯＭ、ＵＰＳ以及牵引。

　　第４章深入讨论了超级电容器模块的选型。超级电容器模块的设计基于３个主要参数：模块电压、电容和内阻。模块电压实际上为一组不同的工作电压和模块额定电压。工作电压、额定电压、模块电容和内阻根据应用需求确定，如储能能力、运行寿命、效率等。第４章的第２部分讨论了超级电容器的损耗、效率与尺寸、成本的关系，介绍了超级电容器模块设计的几个方面，讨论了超级电容器单体的串联和电压均衡问题，以及超级电容器模块的散热设计。最后，通过几个实际的功率变换应用案例对上述理论分析进行支撑。

　　第５章讨论了接口ＤＣ－ＤＣ变流器。首先介绍了双向ＤＣ－ＤＣ变流器的背景，将变流器分为不同的类别，如全功率与部分功率变流器、隔离与非隔离式变流器、两电平与多电平变流器、单相与多相交错式变流器。根据应用需求，对比了当前的各类拓扑。在第５章的第２部分中，详细分析了多相交错式双向ＤＣＤＣ变流器，并给出了设计导则。最后，通过几个实际算例对理论分析进行支持，如高功率ＵＰＳ和受控电力驱动。

　　谁应该读这本书（为什么）本书主要面向需要提升先进超级电容器储能的知识和理解，并关注现在和未来超级电容器在功率变换中应用的电力电子工程师和专业人士。本书也可作为希望了解更多关于超级电容器和功率变换应用的硕士生和博士生的背景资料。读者最好掌握数学、电路原理和系统、电磁学、电力电子学方面的基本知识。

　　致谢几年前作者开始了超级电容器的研究，当时在施耐德电气公司位于法国厄尔河畔帕西的施耐德东芝逆变器（ＳＴＩ）研发中心工作。在此特别要感谢Ｐｈｉｌｉｐｐｅ原文为“ｍｅｇａ－ｈｅｒｚ”有误，应为毫赫（ｍＨｚ）。———译者注原书前言ⅤＢａｕｄｅｓｓｏｎ博士和ＦａｂｒｉｃｅＪａｄｏｔ博士的支持。在开始思考超级电容器在受控电力驱动

目录译者序原书前言第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

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