新能源接入智能电网的逆变控制关键技术

　　目录译者序
　　原书前言
　　原书致谢
　　原著者简介
　　缩略语
　　第1章引言1
　　1.1章节安排1
　　1.2电能变换的基本知识4
　　1.2.1交直变换4
　　1.2.2直直变换12
　　1.2.3直交变换17
　　1.2.4交交变换22
　　1.3硬件设计23
　　1.3.1隔离24
　　1.3.2功率电路24
　　1.3.3输出滤波器30
　　1.3.4电压和电流检测32
　　1.3.5信号处理34
　　1.3.6保护35
　　1.3.7中央控制器36
　　1.3.8测试设备40
　　1.4风力发电系统41
　　1.4.1基本知识41
　　1.4.2风力机42
　　1.4.3发电机和拓扑结构43
　　1.4.4风力机系统的控制47
　　1.5太阳能发电系统49
　　1.5.1太阳能发电简介49
　　1.5.2对太阳能电力的处理50
　　1.6智能电网接入51
　　1.6.1电力系统的运行模式51
　　1.6.2智能电网简介52
　　1.6.3智能电网接入的要求54
　　第2章基础知识57
　　2.1电能质量问题57
　　2.1.1简介57
　　2.1.2电压质量的恶化机理59
　　2.1.3逆变器输出阻抗的作用59
　　2.2重复控制60
　　2.2.1基本原理60
　　2.2.2内部模型的极点61
　　2.2.3内部模型延迟时间的选择62
　　2.3参考坐标系63
　　2.3.1自然（abc）坐标系63
　　2.3.2静止参考（αβ）坐标系65
　　2.3.3同步旋转参考(dq)坐标系67
　　2.3.4相序为acb的情况69
　　第1部分电能质量控制
　　第3章电流H∞重复控制74
　　3.1系统描述74
　　3.2控制器设计75
　　3.2.1控制对象P的状态空间模型75
　　3.2.2转化为标准H∞问题77
　　3.2.3系统稳定性的验证78
　　3.3设计实例79
　　3.4实验结果80
　　3.4.1同步过程80
　　3.4.2稳态性能80
　　3.4.3动态性能（空载）82
　　3.5小结83
　　第4章电压和电流H∞重复控制84
　　4.1系统描述84
　　4.2逆变器的建模85
　　4.3控制器设计87
　　4.3.1H∞控制问题的描述87
　　4.3.2广义对象的实现88
　　4.3.3Tew的状态空间实现89
　　4.3.4Tba的状态空间实现90
　　4.4设计实例91
　　4.5仿真结果92
　　4.5.1标称响应93
　　4.5.2变负载时的响应94
　　4.5.3对电网电压畸变的响应95
　　4.6小结97
　　ⅩⅦⅩⅧ第5章具有频率自适应的电压H∞重复控制98
　　5.1系统描述98
　　5.2控制器设计98
　　5.2.1控制对象P的状态空间模型99
　　5.2.2频率自适应内部模型M
　　101
　　5.2.3标准H∞问题描述101
　　5.2.4系统稳定性验证103
　　5.3设计实例105
　　5.4实验结果106
　　5.4.1离网模式下的稳态性能106
　　5.4.2并网模式下的稳态性能107
　　5.4.3动态性能（无本地负载）110
　　5.4.4电网频率波动时的响应110
　　5.5小结114
　　第6章级联型电流-电压H∞重复控制115
　　6.1微电网的工作模式115
　　6.2控制策略116
　　6.3电压控制器的设计118
　　6.3.1对象Pu的状态空间模型118
　　6.3.2标准H∞问题的描述119
　　6.4电流控制器的设计120
　　6.4.1对象Pi的状态空间模型121
　　6.4.2标准H∞问题的描述121
　　6.5设计实例122
　　6.5.1H∞电压控制器的设计122
　　6.5.2H∞电流控制器的设计123
　　6.6实验结果123
　　6.6.1离网模式下的稳态性能123
　　6.6.2并网模式下的稳态性能124
　　6.6.3动态性能128
　　6.6.4工作模式的无缝切换130
　　6.7小结133
　　第7章逆变器输出阻抗的控制134
　　7.1具有感性输出阻抗的逆变器（L型逆变器）134
　　7.2具有阻性输出阻抗的逆变器（R型逆变器）135
　　7.2.1控制器设计135
　　7.2.2稳定性分析136
　　7.3具有容性输出阻抗的逆变器（C型逆变器）137
　　7.4改善输出电压THD的C型逆变器设计137
　　7.4.1普通情况137
　　7.4.2特殊情况Ⅰ：小化3次和5次谐波分量139
　　7.4.3特殊情况Ⅱ：小化3次谐波分量140
　　7.4.4特殊情况Ⅲ：小化5次谐波分量140
　　7.5R型、L型和C型逆变器的仿真结果141
　　7.5.1滤波电感取L=2.35mH的情况141
　　7.5.2滤波电感取L=0.25mH的情况142
　　7.6R型、L型和C型逆变器的实验结果144
　　7.6.1滤波电感取L=2.35mH的情况144
　　7.6.2滤波电感取L=0.25mH的情况145
　　7.7滤波电容的影响146
　　7.8小结146
　　第8章谐波电流旁路法147
　　8.1控制器的设计147
　　8.2控制器的物理解释149
　　8.3稳定性分析150
　　8.3.1忽略采样效应150
　　8.3.2考虑采样效应152
　　8.4实验结果152
　　8.5小结153
　　第9章牵引电力系统中的电能质量问题154
　　9.1简介154
　　9.2拓扑结构描述156
　　9.3负序电流、无功和谐波电流的补偿157
　　9.3.1补偿前的电网侧电流157
　　9.3.2有功补偿和无功补偿157
　　9.3.3谐波电流补偿160
　　9.3.4直流母线电压的调节160
　　9.3.5补偿策略的实现160
　　9.4特例：cosθ=1161
　　9.5仿真结果1639.5.1当cosθ≠1时164
　　9.5.2当cosθ=1时165
　　ⅩⅨⅩⅩ9.6小结165
　　第2部分中线的提供
　　第10章中线桥臂的拓扑结构168
　　10.1简介168
　　10.2裂相直流母线169
　　10.3传统的中线桥臂170
　　10.4独立控制的中线桥臂170
　　10.5小结171
　　第11章中线桥臂的经典控制172
　　11.1数学建模172
　　11.2控制器设计174
　　11.2.1电流控制器Ki的设计174
　　11.2.2电压控制器Kv的设计175
　　11.3性能分析177
　　11.4元器件的选择179
　　11.4.1电容CN179
　　11.4.2电感LN179
　　11.5仿真结果180
　　11.5.1iN=0时180
　　11.5.250Hz中线电流时181
　　11.5.3150Hz中线电流时181
　　11.5.4直流中线电流时181
　　11.6小结182
　　第12章中线桥臂的H∞电压-电流控制184
　　12.1数学模型184
　　12.2控制器的设计186
　　12.2.1P的状态空间实现187
　　12.2.2闭环传递函数的状态空间实现189
　　12.3加权函数的选择190
　　12.4设计实例191
　　12.5仿真结果192
　　12.6小结193
　　第13章中线桥臂的并联PI电压-H∞电流控制194
　　13.1中线桥臂的描述194
　　13.2H∞电流控制器的设计195
　　13.2.1控制器介绍195
　　13.2.2标准H∞问题的描述196
　　13.2.3对象P的状态空间实现197
　　13.2.4广义对象P~的状态空间实现197
　　13.2.5设计实例198
　　13.3附加的电压控制环200
　　13.4实验结果201
　　13.4.1稳态性能201
　　13.4.2中线电流变化的动态性能202
　　13.5小结206
　　第14章中线在单/三相变换器中的应用207
　　14.1简介207
　　14.2单/三相变换器的拓扑结构210
　　14.3基本原理分析211
　　14.4控制器的设计213
　　14.4.1同步单元213
　　14.4.2整流桥臂的控制213
　　14.4.3中线桥臂的控制215
　　14.4.4逆变桥臂的控制216
　　14.5仿真结果217
　　14.5.1三相平衡线性负载218
　　14.5.2三相不平衡非线性负载218
　　14.6小结221
　　第3部分功率控制
　　第15章电流比例积分控制224
　　15.1系统结构224
　　15.1.1在同步旋转(dq)参考坐标系中224
　　15.1.2自然(abc)坐标系中的等效结构225
　　15.2控制器的实现226
　　15.3实验结果226
　　15.3.1稳态性能227
　　15.3.2动态性能229
　　15.4小结231
　　第16章电流比例谐振控制232
　　16.1比例谐振控制器232
　　16.2系统的结构232
　　16.2.1在静止参考(αβ)坐标系中23216.2.2abc坐标系中的等效控制器233
　　16.3控制器的设计234
　　16.3.1对象模型234
　　16.3.2设计实例235
　　16.4实验结果237
　　16.4.1稳态性能237
　　16.4.2动态性能239
　　16.5小结241
　　ⅩⅪⅩⅫ第17章电流无差拍预测控制242
　　17.1系统结构242
　　17.2控制器的设计242
　　17.3实验结果244
　　17.3.1稳态性能244
　　17.3.2动态性能246
　　17.4小结247
　　第18章同步逆变器：模拟同步发电机的电网友好型逆变器
　　（虚拟同步机）248
　　18.1同步发电机的数学模型248
　　18.1.1电气部分249
　　18.1.2机械部分250
　　18.1.3有中线时的情况251
　　18.2同步逆变器的实现252
　　18.2.1功率部分252
　　18.2.2电子部分253
　　18.3同步逆变器的运行254
　　18.3.1有功功率调节和频率下垂控制254
　　18.3.2无功功率调节和电压下垂控制255
　　18.4仿真结果257
　　18.4.1不同电网频率时的情况257
　　18.4.2不同负载时的情况259
　　18.5实验结果259
　　18.5.1功率控制的性能259
　　18.5.2离网模式下的负载特性260
　　18.5.3并网模式下的负载特性262
　　18.6小结265
　　第19章逆变器的并联运行266
　　19.1简介266
　　19.2问题描述268
　　19.3向电压源输送功率268
　　19.4传统的下垂控制方法269
　　19.4.1对于R型逆变器269
　　19.4.2对于L型逆变器270
　　19.4.3对于C型逆变器270
　　19.4.4R型逆变器的实验结果271
　　19.5传统下垂控制的固有局限性273
　　19.5.1有功功率的分配274
　　19.5.2无功功率的分配275
　　19.6R型逆变器的鲁棒下垂控制276
　　19.6.1控制策略276
　　19.6.2由电压测量误差引起的功率分配误差277
　　19.6.3电压的调节278
　　19.6.4全局设定值的E*和ω*偏差所引起的误差279
　　19.6.5实验结果280
　　19.7C型逆变器的鲁棒下垂控制器286
　　19.7.1控制策略286
　　19.7.2仿真结果287
　　19.7.3实验结果290
　　19.8L型逆变器的鲁棒下垂控制器292
　　19.8.1控制策略292
　　19.8.2仿真结果293
　　19.8.3实验结果294
　　19.9小结299
　　第20章提高电压质量的鲁棒下垂控制300
　　20.1控制策略300
　　20.2实验结果301
　　20.2.11∶1功率分配302
　　20.2.22∶1功率分配304
　　20.3小结310
　　第21章谐波下垂控制器311
　　21.1逆变系统的模型311
　　21.2向电流源输送功率313
　　21.3减小输出电压的谐波314
　　21.4仿真结果315
　　21.5实验结果318
　　21.6小结320第4部分同步技术
　　第22章常规同步技术324
　　22.1简介324
　　ⅩⅩⅢ22.2过零点法325
　　22.3基本锁相环(PLL)325
　　22.4同步旋转参考坐标系锁相环（SRF-PLL）326
　　22.5二阶广义积分型锁相环(SOGI-PLL)328
　　22.6正弦跟踪算法(STA)329
　　22.7SOGI-PLL和STA的仿真结果331
　　22.7.1输入为频率可变有噪声且失真的信号331
　　22.7.2输入为含噪声的失真方波信号333
　　22.8SOGI-PLL及STA的实验结果333
　　22.8.1输入为电网电压333
　　22.8.2输入为频率可变有噪声且失真的信号333
　　22.8.3输入为含噪声的失真方波信号337
　　22.9小结338
　　第23章正弦波锁定器339
　　23.1并网的单相同步电机339
　　23.2正弦波锁定器的结构339
　　23.3频率和相位的跟踪341
　　23.4电压幅值的跟踪342
　　23.5参数整定342
　　23.6等效结构343
　　23.7仿真结果343
　　23.7.1输入为频率可变有噪声且失真的信号344
　　23.7.2输入为含噪声的失真方波信号344
　　23.8实验结果347
　　23.8.1输入为电网电压信号347
　　23.8.2输入为频率可变有噪声的信号347
　　23.8.3输入为含噪声的失真方波信号347
　　23.9小结351
　　参考文献352

　　著者简介钟庆昌博士是美国伊利诺理工大学(Illinois Institute of Technology，IIT)电气与计算机工程系能源与电力首席教授(Max McGraw Endowed Chair Professor)、英国谢菲尔德大学控制与系统工程系研究教授、中国国家电网公司特聘专家、IEEE电力电子学会和IEEE控制系统学会双杰出讲员(Distinguished Lecturer)、国际控制与电力电子领域四大期刊（IEEE Transon AutomaticControl,IEEE TransPower Electronics，IEEE TransIndustrial Electronics，IEEE TransControl Systems Technology）的编委、英国工程技术学会(IET)会士、IEEE高级会员、国际自动控制联合会(IFAC)电力与能源系统技术委员会副主席，曾任欧洲控制协会英国代表、劳斯莱斯大学技术联盟委员和美国FREEDM国家工程研究中心科学顾问。他应邀在十多个国际会议作主题报告，是世界上同时在控制与电力电子领域得到认可的少数专家之一。钟教授1990毕业于湘潭机电专科学校（现湖南工程学院），1997年获得湖南大学控制理论与控制工程专业硕士学位，2000年获得上海交通大学控制理论与控制工程专业博士学位后前往以色列理工大学从事一年的博士后研究，2004年获得英国帝国理工学院控制与电力工程专业博士学位后在英国格兰摩根大学开始了他的学术生涯，六年后从英国利物浦大学高级讲师直接受聘为英国拉夫堡大学终身首席教授、控制与可靠性研究组主任，2012年受聘为英国谢菲尔德大学控制与系统工程系控制与系统工程终身首席教授。他在不到三年的时间内在谢菲尔德大学建立起了价值五百万美元的控制与电力系统实验室，得到了劳斯莱斯、西门子、阿尔斯通、国家仪器、德州仪器、横河电机等国际一流大公司的支持。钟教授的研究横跨控制理论、电力电子与电力系统三大学科，主要方向包括新能源与分布式发电、电力电子变换器、智能电网、微电网、电动汽车、高速铁路供电与驱动系统、时间滞后系统、鲁棒控制理论、化工过程控制等相关领域。他主要解决了关于时间滞后系统鲁棒控制的一系列基础理论问题，将逆变器与同步发电机从数学上等价了起来，提出了同步逆变器的思想，是虚拟同步机的主要发明人，提出了以同步机的同步机制来统一各种发电设备和用电设备接入电网的接口，并以此为基础来构建下一代智能电网，从而实现电力系统的自主运行，解决了新能源接入电网和逆变器并联运行的系列关键问题，取得了一系列原创性的研究成果。

　　能源危机和可持续发展是当今世界面临的两大难题，可再生的新能源为解决这些问题展示了广阔的前景，如何将新能源接入智能电网已经成为了智能电网发展的“前沿阵地”。本书在简要介绍电能变换以及新能源与智能电网接入等方面的相关基础知识后，对并网逆变器中的电能质量控制、中线提供、功率控制以及同步技术等方面做了深入、细致的理论分析和实验验证，首次以中文详细阐述了包括模拟同步电机的同步逆变器（也称虚拟同步机）、鲁棒下垂控制器以及C型逆变器等原创的系列关键技术。本书丰富的创新性理论和大量的实验结果有助于科研工作人员和工程技术人员理解智能电网接入的各种先进控制技术。本书既可作为电力电子、可再生能源、分布式发电、微电网、智能电网与电力系统、柔性交流输电、不间断电源、高速铁路、多电飞机、全电舰船、控制理论与工程等领域的研究与工程应用参考书，也可作为电力系统、电力电子、控制理论与控制工程等专业的研究生教材。