电力电子变换器的建模和控制

现代电力电子变换器有着广泛的应用范围：开关电源、电机运行控制、有源电力滤波器、分布式发电、柔性交流输电系统、可再生能源转换系统、车辆技术等。

国内现有关于电力电子变换器的著作偏应用较多，而关于基础理论的讨论较少。这本身与国内电力电子行业应用的快速发展相呼应，具有其合理性。但关于基础理论的思考和研究是支撑应用发展的活力源泉，知行合一，方得始终。这也是《电力电子变换器的建模和控制》区别于国内著作的独特之处。

《电力电子变换器的建模和控制》主要作者在电力电子及相关领域工作30多年，理论与实践均积累深厚。书的内容立足于电力电子、控制系统和信号处理的学科交叉，覆盖部分工业电子领域。本书涵盖了电力电子变换器建模的绝大多数方面，以及已经证明有效并广泛使用的控制方法。书中，关于每个问题都将理论和实践相结合，并给出直观的案例。书中案例研究问题源于工程实际，并给出完整的求解过程。本书应用MATLAB、Simulink软件，给出了必要的仿真和注解，以便读者深刻理解控制结构运行的要点。

《电力电子变换器的建模和控制》可作为电力电子领域硕士研究生教材使用，也可供从事电力电子技术领域研究工作的研究者和专业人士参考。
 

《电力电子变换器的建模和控制》内容立足于电力电子、控制系统和信号处理的学科交叉，覆盖部分工业电子领域。《电力电子变换器的建模和控制》分为两部分：1）电力电子变换器建模，涵盖电力电子变换器建模的主要主题，包括开关模型、典型和通用平均模型及降阶模型；2）电力电子变换器控制，探讨电力电子变换器控制方法，涵盖线性和非线性控制方法。书中关于每个问题都将理论和实践相结合，并给出直观的案例。书中案例研究问题源于工程实际，并给出完整的求解过程。《电力电子变换器的建模和控制》应用MATLAB®- Simulink ®软件，给出了必要的仿真和注解，以便读者深刻理解控制结构运行的要点。
《电力电子变换器的建模和控制》可作为电力电子领域硕士研究生教材使用，也可供从事电力电子技术领域研究工作的研究者和专业人士参考。

Seddik Bacha是法国格勒诺布尔约瑟夫•傅里叶大学的教授，并且积极地在格勒诺布尔电气工程实验室（G2Elab）的电力系统课题组开展研究。他在2001～2012年间担任课题组组长。自1990年以来，他研究和教学的领域是电力电子结构的建模和非线性控制，取得不同程度的进展之后，现阶段他的研究重点为电力电子控制、可再生能源并网和电网能量优化[电动汽车入网技术（V2G）、智能家居等]。他在格勒诺布尔约瑟夫•傅里叶大学和格勒诺布尔理工学院教授的课程中，“电力电子结构”是本科生课程，“电力电子系统建模”和“电力电子系统控制”是电气工程研究生课程。除了担任科研项目负责人之外，Bacha教授作为合作者拥有3项专利，参加了17本书部分章节的编写，发表了200多篇期刊论文和高水平国际会议论文。

Iulian Munteanu在1996年于罗马尼亚多瑙河下游大学取得了应用电子学士学位，在1997年于法国勒阿弗尔大学取得了仪器测量与控制硕士学位，在2006年于罗马尼亚多瑙河下游大学取得了自动化控制博士学位。从1998年到2011年，他在多瑙河下游大学电子和通信系工作。从2000年开始，在法国格勒诺布尔电气工程实验室，以Daniel Roye和Seddik Bacha作为导师，他进行了博士和博士后的研究，主要方向为用于可再生能源转换的电力电子系统。这期间他作为合著者编写了2本书，获得了1项专利，参加了1本书部分章节的编写，发表了7份研究报告以及40多篇期刊论文和高水平国际会议论文。现阶段，Iulian Munteanu 作为博士后研究员在法国格勒诺布尔图像、语音、信号与自动化控制实验室（GIPSA-lab）的控制系统课题组工作。他的研究方向为电力电子变换器控制以及可再生能源转换系统控制。

Antoneta Iuliana Bratcu在1996年于罗马尼亚多瑙河下游大学取得了电气工程硕士学位，在2001年于法国弗朗什-孔泰大学取得了自动化控制与计算机工程博士学位。在1995～2011年，她在多瑙河下游大学工作。2002～2005年，她分别在法国特鲁瓦技术大学和圣太田国立高等矿业学校完成了两项博士后研究。在2007年12月至2009年12月，她作为格勒诺布尔电气工程实验室的博士后研究员在Seddik Bacha教授领导的课题组工作。她作为合著者编写了3本书，获得了1项专利，发表了5份研究报告以及60多篇期刊论文和高水平国际会议论文。现阶段她是格勒诺布尔理工学院的副教授，并且与GIPSA-lab展开合作。她的研究方向为用于能量转换系统的连续和断续优化控制。

目　录
译者序
原书序一
原书序二
原书前言
第1章　简介1
　1.1　电力系统中电力电子变换器的功能和目标1
　1.2　电力电子变换器建模、仿真和控制需求分析2
　1.3　本书内容的涉及范围和结构3
　参考文献3
第一部分　电力电子变换器建模
第2章　电力电子变换器建模简介5
　2.1　模型5
　　2.1.1　什么是模型5 　　
2.1.2　建模的范围5
　2.2　模型的类型6
　　2.2.1　开关模型8 　
　 2.2.2　采样数据模型9
　　2.2.3　平均模型10
　　2.2.4　大信号和小信号模型10 　　
2.2.5　行为模型13
　　2.2.6　示例14
　2.3　模型应用16 　
　 2.3.1　各种模型之间的联系16
　　2.3.2　建模和控制之间的联系16
　　2.3.3　模型的其他可能用途16
2.4　本章小结18
　参考文献18
第3章　开关模型19
　3.1　数学建模19 　　
3.1.1　通用数学框架19 　
　 3.1.2　双线性形式21
　3.2　建模方法21 　　
3.2.1　基本假定：状态变量21 　
　 3.2.2　通用算法22 　
　 3.2.3　示例23
　3.3　案例研究：三相电压源型整流器29
3.4　本章小结36
　思考题36 　
参考文献41
第4章　经典平均模型42
　4.1　本章简介42 　
4.2　定义和基础知识43 　　
4.2.1　滑动平均43 　
　 4.2.2　状态变量平均44 　
　 4.2.3　开关周期平均44 　　
4.2.4　电力电子电路平均化完整过程44 　
4.3　平均方法45 　　
4.3.1　图形法45 　
　 4.3.2　解析法46
4.4　平均化误差分析47 　
　 4.4.1　精确采样数据模型47 　
　 4.4.2　精确采样模型和精确平均模型之间的联系49
　4.5　小信号平均模型51
4.5.1　连续小信号平均模型51
4.5.2　采样数据小信号模型52 　
　 4.5.3　示例52 　
4.6　案例研究：buck-boost变换器54 　
4.7　平均模型的优点和局限性63
思考题63
参考文献75
第5章　通用平均模型77
　5.1　本章简介77 　
5.2　原理78
5.2.1　基础知识78
　　5.2.2　与一阶分量模型的联系79
　　5.2.3　与经典平均模型的联系80
　5.3　示例80
　　5.3.1　状态变量实例81 　
　 5.3.2　无源电路实例81
　5.3.3　耦合电路实例81
　 5.3.4　开关函数83 　
5.4　平均方法84 　　
5.4.1　解析法84 　
　 5.4.2　图形法85
5.5　通用平均模型和实际波形之间的联系86 　
　 5.5.1　从通用平均模型中提取时变信号86 　　
5.5.2　从时变信号中提取通用平均模型87
5.6　采用通用平均模型表示交流变量中有功和无功分量89
5.7　案例研究92 　
　 5.7.1　感应加热电流源型逆变器92 　
　 5.7.2　串联谐振变换器96 　
　 5.7.3　通用平均模型的局限性：示例98 　　
5.7.4　PWM变换器100
　5.8　本章小结110 　
思考题110 　
附录115 　
参考文献116
第6章　降阶平均模型118
　6.1　本章简介118
　6.2　原理119 　
6.3　通用方法120 　　
6.3.1　交流变量示例：感应加热电流源型逆变器121
　6.3.2　断续导通模式示例：buck-boost变换器124
　6.4　案例研究127
6.4.1　晶闸管控制电抗器建模127 　
　 6.4.2　DC-DC boost变换器工作在断续导通模式129
　6.5　本章小结134
　思考题134 　
参考文献138
第二部分 电力电子变换器控制
第7章　电力电子变换器通用控制理论140
　7.1　电力电子变换器控制目标140
　7.2　电力电子变换器特殊的控制问题142
　7.3　不同控制方法144
　7.4　本章小结145
　参考文献146
第8章　DC-DC功率变换器线性控制方法147
　8.1　线性化平均模型，控制目标和相关的设计方法147
　8.2　直接输出控制148
8.2.1　假设和算法设计148
　　8.2.2　buck-boost变换器示例150
　8.3　间接输出控制：双环级联控制结构153 　
　 8.3.1　假设和算法设计154 　
　 8.3.2　双向DC-DC变换器示例157
8.3.3　带有非最小相位行为的DC-DC变换器双环级联控制结构160 　
8.4　通过极点配置调整系统动态的变换器控制方法164 　
　 8.4.1　假设和算法设计164
8.4.2　buck变换器示例167
　8.5　数字控制问题169
8.5.1　数字控制方法设计169 　
　 8.5.2　光伏应用中boost DC-DC变换器获取数字控制律示例171 　
8.6　案例研究173
　　8.6.1　用超前－滞后控制实现的boost变换器输出电压直接控制173 　　
8.6.2　通过极点配置实现的boost变换器输出电压直接控制177
　8.7　本章小结182 　
思考题183
参考文献188
第9章　DC-AC和AC-DC功率变换器线性控制方法190
　9.1　背景190 　
9.2　旋转dq坐标下控制方法191 　
　 9.2.1　单相并网逆变器示例195 　
9.3　谐振控制器199 　
　 9.3.1　谐振控制的必要性199 　
　 9.3.2　比例谐振控制的基础200
9.3.3　设计方法204 　
　 9.3.4　具体实现时的若干问题209 　
　 9.3.5　复合

原书前言

现代电力电子学开启了电能处理的新时代。在这种背景下，对于正常运行的电力系统，电力电子控制系统已经成为不可或缺的。在过去的几十年，控制系统理论和信号处理技术在电力电子领域中成为了技术创新的前沿。随着这个趋势，《电力电子变换器的建模和控制》将控制系统理论应用于电力电子领域，可供从事电力系统领域研究工作的在校学生和专业人士参考。《电力电子变换器的建模和控制》为读者提供了工具，可以获取多种类型开关变换器的不同模型和控制结构（直流和交流电路）。这些主题不仅涵盖线性控制技术（该技术源于20世纪80年代，普遍采用比例积分控制器），而且还涵盖了现代非线性连续或变结构控制。
《电力电子变换器的建模和控制》来源于Seddik Bacha教授1994年来为法国格勒诺布尔理工学院和约瑟夫•傅里叶大学电气工程硕士和本科生开设的课程——“电力电子拓扑的建模和控制”。法国格勒诺布尔电气工程实验室在开关变换器和可再生能源转换控制方面的研究工作也丰富了本书的内容和案例研究。本书的编写得到法国国立高等工艺学校前校长Jean-Paul Hautier教授的支持鼓励。
《电力电子变换器的建模和控制》的编写方式与主要内容相呼应，立足于电力电子、控制系统和信号处理的学科交叉，覆盖部分工业电子领域。本书编写时假设读者具备上述学科的基本知识。在书中，每个问题都有理论和实践的方法，并且给出直观的案例。案例研究问题源于实际，并给出最完整的解决途径。本书给出了必要的仿真和注解，以便读者深刻理解开关变换器控制结构闭环运行的要点。
为了便于电力工程师和控制工程师理解，本书做了许多努力，包括丰富的参考书目以提供成熟领域的综合信息、关键术语的归并、完备的案例研究以及统一的表述符号和风格。
《电力电子变换器的建模和控制》作者Iulian Munteanu博士和Antoneta Iuliana Bratcu博士，在罗马尼亚多瑙河下游大学Emil Ceangǎ教授处的求学和共同的工作经历对于本书的论述影响重大。我们感谢Emil Ceangǎ教授提供的宝贵建议，这些建议对于本书许多控制方法的教学演示颇具启发意义。感谢西班牙塞维利亚大学的Leopoldo García Franquelo教授对我们工作的评价和对本书的认可。还要感谢法国格勒诺布尔理工学院的Jean-Pierre Rognon教授为提高本书的质量提供的有益意见和建议。
Seddik Bacha
Iulian Munteanu
Antoneta Iuliana Bratcu
法国格勒诺布尔