两级式单相变换器，包括两级式单相DC-AC逆变器和两级式单相功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器，是交流电和直流电之间的电能变换接口，已广泛应用于不间断交流电源、通信用整流器和逆变器、服务器电源、车载充电器、LED照明电源、可再生能源发电系统等各种交直流变换场合。在两级式单相变换器中，交流端口的瞬时功率以两倍交流电压频率脉动，导致中间直流母线端口产生两倍交流电压频率的脉动电流，此即二次谐波电流。二次谐波将会传播到DC-DC变换器中，并进一步传播到直流源或直流负载中。为了提高两级式单相变换器的变换效率，提高光伏电池和燃料电池等的能量转换效率，并延长其使用寿命，需要有效抑制二次谐波电流的传播。2010年，我们在研制某型机载二次电源时，注意到两级式单相DC-AC逆变器中的二次谐波电流问题，并开始开展二次谐波电流抑制技术的研究。2015年，该研究得到国家杰出青年科学基金的资助，让我们得以从更宽的视角和更深的层面来开展研究工作，研究的对象也从两级式单相DC-AC逆变器拓展到两级式单相PFC变换器，从单一工作模式拓展到不同工作模式，从单纯的二次谐波电流抑制拓展到无电解电容二次谐波电流补偿器(Second Harmonic Current Compensator，SHCC)。我们团队通过十多年坚持不懈的研究，在单相电力电子变换器的二次谐波电流抑制技术方面已取得较为系统和深入的研究成果，在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等本领域国际权威期刊上发表了一系列论文，并且在多个领域得到成功应用。为了全面系统阐述所取得的研究成果，我们决定将它们整理成书。
本书共13章。第1章是绪论，阐述两级式单相变换器中二次谐波电流的产生机理和传播特性，介绍二次谐波电流对DC-DC变换器、直流源或直流负载带来的负面影响，并对已有二次谐波电流抑制方法进行回顾和总结。第2章作为全书的理论基础，系统阐述不同工作模式的两级式单相变换器中二次谐波电流抑制的基本思路。针对航空航天、电动汽车等工况恶劣的应用场合，采用无电解电容SHCC，不仅可以有效抑制二次谐波电流，而且去除了两级式单相变换器中的电解电容，提高了系统可靠性。第3~8章阐述两级式单相变换器中二次谐波电流抑制的控制策略。其中，第3~5章针对前级DC-DC变换器控制中间母线电压的两级式单相DC-AC逆变器，分别讨论前级DC-DC变换器为Buck类、Boost类和基于DCX-LLC谐振变换器的DC-DC变换器的二次谐波电流抑制方法；第6章针对两级式单相光伏并网逆变器，讨论前级DC-DC变换器实现最大功率点跟踪时的二次谐波电流抑制方法；第7章针对两级式单相PFC变换器，讨论不同工作模式的二次谐波电流抑制方法；第8章讨论单相AC-DC-AC变换器系统中二次谐波电流的抑制方法。当两级式单相变换器中DC-DC变换器的二次谐波电流得到有效抑制后，二次谐波电流将主要由中间母线电容提供，其容量较大，一般采用电解电容。为了去除电解电容，需要大幅减小中间母线电容容量，为此可以采用无电解电容SHCC来补偿二次谐波电流。第9~12章讨论无电解电容SHCC的控制策略。其中，第9章介绍SHCC的电压电流双闭环控制策略，并引入电流基准前馈方法以提高SHCC端口电流的补偿能力；第10章阐述SHCC的单周期控制策略，实现了SHCC的稳定工作并准确补偿二次谐波电流；第11章阐述基于虚拟并联阻抗的控制方法，不仅有效补偿二次谐波电流，而且不需要二次谐波电流基准，由此去除了嵌入DC-AC逆变器或PFC变换器中的电流采样电路，实现了SHCC的完全模块化；第12章介绍SHCC的储能电容电压自适应控制，有效减小了SHCC的轻载损耗。加入SHCC后，两级式单相变换器成为一个多变换器系统，第13章揭示了该系统在不同工作模式的稳定性特点，并提出了稳定性解决方案。
本书是基于我们团队的研究成果整理而成的，其中张力博士、黄新泽博士、刘飞博士生、祝国平硕士和阚世奇博士生对本书内容作出了重要贡献，因此他(她)们都是本书的合作作者。已毕业的硕士生顾琳琳、王蓓蓓、王舒、杨洋和何婕秀对研究工作也有贡献，在此表示衷心的感谢。本书研究工作得到了国家杰出青年科学基金项目(批准号51525701)的资助，衷心感谢国家自然科学基金委员会给予的信任和支持！本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持，责任编辑罗莉女士为本书的出版做了大量工作，特此致谢！
阮新波2021年10月于南京航空航天大学
序言
1974年美国学者W.Newell提出了电力电子技术学科的定义，电力电子技术是由电气工程、电子科学与技术和控制理论三个学科交叉而形成的。电力电子技术是依靠电力半导体器件实现电能的高效率利用，以及对电机运动进行控制的一门学科。电力电子技术是现代社会的支撑科学技术，几乎应用于科技、生产、生活各个领域：电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料制造等。电力电子技术在推动科学技术和经济的发展中发挥着越来越重要的作用。
进入21世纪，电力电子技术在节能减排方面发挥着重要的作用，它在新能源和智能电网、直流输电、电动汽车、高速铁路中发挥核心的作用。电力电子技术的应用从用电，已扩展至发电、输电、配电等领域。电力电子技术诞生近半个世纪以来，也给人们的生活带来了巨大的影响。目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，电力半导体器件性能不断提高，并出现了碳化硅、氮化镓等宽禁带电力半导体器件，新的技术和应用不断涌现，其应用范围也在不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子技术都已造就了一个很大的产业群。与之相应，从事电力电子技术领域的工程技术和科研人员的数量与日俱增。因此，组织出版有关电力电子新技术及其应用的系列图书，以供广大从事电力电子技术的工程师和高等学校教师和研究生在工程实践中使用和参考，促进电力电子技术及应用知识的普及。在20世纪80年代，电力电子学会曾和机械工业出版社合作，出版过一套“电力电子技术丛书”，那套丛书对推动电力电子技术的发展起过积极的作用。
最近，电力电子学会经过认真考虑，认为有必要以“电力电子新技术系列图书”的名义出版一系列著作。为此，成立了专门的编辑委员会，负责确定书目、组稿和审稿，向机械工业出版社推荐，仍由机械工业出版社出版。本系列图书有如下特色：本系列图书属专题论著性质，选题新颖，力求反映电力电子技术的新成就和新经验，以适应我国经济迅速发展的需要。理论联系实际，以应用技术为主。本系列图书组稿和评审过程严格，作者都是在电力电子技术第一线工作的专家，且有丰富的写作经验。内容力求深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。本系列图书编委会中，既有一大批国内资深的电力电子专家，也有不少已崭露头角的青年学者，其组成人员在国内具有较强的代表性。希望广大读者对本系列图书的编辑、出版和发行给予支持和帮助，并欢迎对其中的问题和错误给予批评指正。电力电子新技术系列图书编辑委员会