电力系统中的电压源变流器 建模、控制和应用

本书对电压源变流器（VSC）系统的基本理论及其在电力系统中的应用进行了全面介绍，主要内容包括VSC系统的基本原理、通用模型、控制器设计、基于空间相量的分析方法、不同类型VSC系统的模型和控制以及VSC系统在电力系统中的具体应用。本书适合发电、输电和配电领域的技术人员，特别是正在从事新能源接入和分布式能源系统运行的电力工程师，以及高等学校电气工程专业的教师和学生阅读。

译者序

原书序

第１ 章电力电子功率变换  １

１. １ 引言  １

１. ２ 电力电子变流器和变流器系统  １

１. ３ 电力电子变流器在电力系统中的应用  ２

１. ４ 电力电子开关  ４

１. ４. １ 开关分类  ４

１. ４. ２ 开关特性  ６

１. ５ 变流器的分类  ６

１. ５. １ 基于换相过程的分类  ７

１. ５. ２ 基于端电压和电流波形的分类  ７

１. ６ 电压源变流器（ＶＳＣ）   ８

１. ７ 基本结构  ８

１. ７. １ 多模块ＶＳＣ 系统  ８

１. ７. ２ 多电平ＶＳＣ 系统  １０

１. ８ 本书的范围  １３

第１ 部分 基本原理

第２ 章ＤＣ.ＡＣ 半桥变流器  １６

２. １ 引言  １６

２. ２ 变流器结构  １６

２. ３ 工作原理  １７

２. ３. １ 脉宽调制（ＰＷＭ）   １７

２. ３. ２ 变流器波形  １８

２. ４ 变流器的开关模型  ２０

２. ５ 变流器的平均值模型  ２２

２. ６ 非理想半桥变流器  ２７

２. ６. １ 非理想半桥变流器的分析： 正向交流侧电流  ２７

２. ６. ２ 非理想半桥变流器的分析： 反向交流侧电流  ３１

２. ６. ３ 非理想半桥变流器的平均值模型  ３１

第３ 章半桥变流器的控制  ３５

３. １ 引言  ３５

３. ２ 半桥变流器的交流侧控制模型  ３５

３. ３ 半桥变流器的控制  ３６

３. ４ 前馈补偿  ３９

３. ４. １ 对启动暂态的影响  ３９

３. ４. ２ 对变流器系统与交流系统间动态耦合的影响  ４０

３. ４. ３ 对抗干扰能力的影响  ４３

３. ５ 正弦指令跟踪  ４４

第４ 章空间相量与二维坐标系  ５２

４. １ 引言  ５２

４. ２ 三相对称函数的空间相量表示  ５３

４. ２. １ 空间相量的定义  ５３

４. ２. ２ 改变三相信号的幅值和相角  ５５

４. ２. ３ 幅值／频率可控的三相信号的产生  ５９

４. ２. ４ 谐波的空间相量表示  ６１

４. ３ 三相系统的空间相量表示  ６２

４. ３. １ 非耦合的三相对称系统  ６２

４. ３. ２ 耦合的三相对称系统  ６５

４. ３. ３ 三相不对称系统  ６６

４. ４ 三相三线制系统中的功率  ６６

４. ５ 三相信号与系统在αβ 坐标系中的表示和控制  ６８

４. ５. １ 空间相量在αβ 坐标系中的表示  ６８

４. ５. ２ 信号发生器／调节器在αβ 坐标系中的实现  ７０

４. ５. ３ αβ 坐标系中的功率表达式  ７２

４. ５. ４ αβ 坐标系中的控制  ７２

４. ５. ５ αβ 坐标系中系统的表示  ７４

４. ６ 三相系统在ｄｑ 坐标系中的表示和控制  ７６

４. ６. １ 空间相量在ｄｑ 坐标系中的表示  ７６

４. ６. ２ ｄｑ 坐标系中的功率表达式  ７９

４. ６. ３ ｄｑ 坐标系中的控制  ７９

４. ６. ４ ｄｑ 坐标系中系统的表示  ８０

第５ 章三相两电平电压源变流器  ８７

５. １ 引言  ８７

５. ２ 两电平电压源变流器  ８７

５. ２. １ 电路结构  ８７

５. ２. ２ 运行原理  ８８

５. ２. ３ 非理想两电平ＶＳＣ 的功率损耗  ８９

５. ３ 两电平ＶＳＣ 的模型和控制  ９０

５. ３. １ 两电平ＶＳＣ 的平均值模型  ９０

５. ３. ２ 两电平ＶＳＣ 在αβ 坐标系中的模型  ９２

５. ３. ３ 两电平ＶＳＣ 在ｄｑ 坐标系中的模型和控制  ９４

５. ４ ＶＳＣ 系统的分类  ９６

第６ 章三相三电平中性点钳位型电压源变流器  ９７

６. １ 引言  ９７

６. ２ 三电平半桥ＮＰＣ   ９８

６. ２. １ 生成正的交流电压  ９９

６. ２. ２ 生成负的交流电压  ９９

６. ３ 用于三电平半桥ＮＰＣ 的ＰＷＭ 方案  １００

６. ４ 三电平半桥ＮＰＣ 的开关模型  １０２

６. ４. １ 交流端电压  １０２

６. ４. ２ 直流端电流  １０２

６. ５ 三电平半桥ＮＰＣ 的平均值模型  １０３

６. ５. １ 交流端平均电压  １０３

６. ５. ２ 直流端平均电流  １０４

６. ６ 三电平ＮＰＣ   １０４

６. ６. １ 电路结构  １０４

６. ６. ２ 工作原理  １０５

６. ６. ３ 中点电流  １０６

６. ６. ４ 带有外接直流电压的三电平ＮＰＣ   １１０

６. ７ 直流侧带有电容分压器的三电平ＮＰＣ   １１１

６. ７. １ 直流侧电压漂移现象  １１２

６. ７. ２ 直流侧电压平衡  １１２

６. ７. ３ 直流侧电流的推导  １１７

６. ７. ４ 三电平ＮＰＣ 和两电平ＶＳＣ 的统一模型  １１７

６. ７. ５ 直流电容电压纹波对交流侧谐波的影响  １１９

第７ 章电网定频的ＶＳＣ 系统： 在αβ 坐标系中的控制  １２３

７. １ 引言  １２３

７. ２ 电网定频ＶＳＣ 系统的结构  １２３

７. ３ 有功／无功功率控制器  １２４

７. ３. １ 电流型控制和电压型控制  １２４

７. ３. ２ 有功／无功功率控制器的动态模型  １２５

７. ３. ３ 有功／无功功率控制器的电流型控制  １２７

７. ３. ４ 直流母线电压等级的选择  １３０

７. ３. ５ 现实的考量和权衡  １３５

７. ３. ６ 含三次谐波注入的ＰＷＭ 调制  １３５

７. ４ 基于三电平ＮＰＣ 的有功／无功功率控制器  １４１

７. ４. １ 基于三次谐波注入ＰＷＭ 的三电平ＮＰＣ 中点

电流  １４７

７. ５ 直流电压受控的功率端口  １４８

７. ５. １ 直流电压受控的功率端口模型  １４９

７. ５. ２ 直流电压受控功率端口的直流母线电压控制  １５３

７. ５. ３ 简化和模型  １５７

第８ 章电网定频的ＶＳＣ 系统： 在ｄｑ 坐标系中的控制  １６１

８. １ 引言  １６１

８. ２ 电网定频ＶＳＣ 系统的结构  １６２

８. ３ 有功／无功功率控制器  １６３

８. ３. １ 电流型控制与电压型控制  １６３

８. ３. ２ 空间相量在ｄｑ 坐标系中的表示  １６４

８. ３. ３ 有功／无功功率控制器的动态模型  １６５

８. ３. ４ 锁相环（ＰＬＬ）   １６６

８. ３. ５ ＰＬＬ 的补偿器设计  １６８

８. ４ 有功／无功功率控制器的电流型控制  １７３

８. ４. １ ＶＳＣ 的电流控制  １７３

８. ４. ２ 直流母线电压等级的选择  １７６

８. ４. ３ 交流侧等效电路  １７９

８. ４. ４ 三次谐波注入ＰＷＭ   １８２

８. ５ 基于三电平ＮＰＣ 的有功／无功功率控制器  １８４

８. ６ 直流电压受控的功率端口  １８５

８. ６. １ 直流电压受控的功率端口模型  １８６

８. ６. ２ 直流电压受控功率端口的控制  １８８

８. ６. ３ 简化模型和模型  １９３

第９ 章频率受控的ＶＳＣ 系统  １９５

９. １ 引言  １９５

９. ２ 频率受控的ＶＳＣ 系统结构  １９５

９. ３ 频率受控的ＶＳＣ 系统模型  １９７

９. ４ 电压控制  ２０１

９. ４. １ 自主运行  ２０８

第１０ 章变频ＶＳＣ 系统  ２１５

１０. １ 引言  ２１５

１０. ２ 变频ＶＳＣ 系统的结构  ２１５

１０. ３ 变频ＶＳＣ 系统的控制  ２１７

１０. ３. １ 异步电机  ２１８

１０. ３. ２ 双馈异步电机  ２３０

１０. ３. ３ 永磁同步电机  ２４５

第２ 部分 应 用

第１１ 章静止补偿器（ＳＴＡＴＣＯＭ）   ２５０

１１. １ 引言  ２５０

１１. ２ 直流电压受控的功率端口  ２５０

１１. ３ ＳＴＡＴＣＯＭ 的结构  ２５１

１１. ４ ＰＣＣ 电压控制的动态模型  ２５２

１１. ４. １ ＰＣＣ 电压动态的大信号模型  ２５２

１１. ４. ２ ＰＣＣ 电压动态的小信号模型  ２５４

１１. ４. ３ 稳态工作点  ２５６

１１. ５ ＰＣＣ 电压动态特性的近似模型  ２５７

１１. ６ ＳＴＡＴＣＯＭ 的控制  ２５８

１１. ７ ＰＣＣ 电压控制器的补偿器设计  ２５９

１１. ８ 模型评估  ２５９

第１２ 章背靠背ＨＶＤＣ 变换系统  ２６７

１２. １ 引言  ２６７

１２. ２ ＨＶＤＣ 系统结构  ２６７

１２. ３ ＨＶＤＣ 系统模型  ２６９

１２. ３. １ 电网和连接变压器模型  ２６９

１２. ３. ２ 背靠背变换系统的模型  ２７０

１２. ４ ＨＶＤＣ 系统控制  ２７４

１２. ４. １ 锁相环（ＰＬＬ）   ２７４

１２. ４. ２ ｄｑ 坐标系电流控制方案  ２７６

１２. ４. ３ ＰＷＭ 门控信号发生器  ２７９

１２. ４. ４ 直流侧分压的平衡  ２７９

１２. ４. ５ 潮流控制  ２７９

１２. ４. ６ 直流母线电压调节  ２８１

１２. ５ 不对称故障下ＨＶＤＣ 系统的性能  ２８３

１２. ５. １ 不对称故障下的ＰＣＣ 电压  ２８３

１２. ５. ２ 不对称故障下ＰＬＬ 的运行特性  ２８５

１２. ５. ３ 不对称故障下ｄｑ 坐标系电流控制器的运行

特性  ２８６

１２. ５. ４ 不对称故障下直流母线电压的动态  ２８８

１２. ５. ５ 不对称故障下低次谐波的产生  ２９２

１２. ５. ６ 不对称故障下的稳态潮流  ２９５

１２. ５. ７ 不对称故障下的直流母线电压控制  ２９６

第１３ 章变速风力发电系统  ３０８

１３. １ 引言  ３０８

１３. ２ 恒速和变速风力发电系统  ３０８

１３. ２. １ 恒速风力发电系统  ３０８

１３. ２. ２ 变速风力发电系统  ３０９

１３. ３ 风力机特性  ３１０

１３. ４ 变速风力发电系统的大功率捕获  ３１２

１３. ５ 基于双馈异步电机的变速风力发电系统  ３１５

１３. ５. １ 基于双馈异步电机的风力发电系统的结构  ３１５

１３. ５. ２ 变频ＶＳＣ 系统的电机转矩控制  ３１６

１３. ５. ３ 直流电压受控的功率端口的直流母线电压控制  ３１８

１３. ５. ４ 直流电压受控的功率端口的补偿器设计  ３２１

附录  ３３１

附录Ａ 对称三相电机的空间相量表示  ３３１

Ａ. １ 引言  ３３１

Ａ. ２ 对称三相电机的结构  ３３１

Ａ. ３ 电机的电气模型  ３３２

Ａ. ３. １ 端电压／电流方程  ３３２

Ａ. ３. ２ 定子磁链的空间相量表示  ３３３

Ａ. ３. ３ 转子磁链的空间相量表示  ３３４

Ａ ３. ４ 电机电磁转矩  ３３４

Ａ. ４ 电机的等效电路  ３３５

Ａ. ４. １ 电机的动态等效电路  ３３５

Ａ. ４. ２ 电机的稳态等效电路  ３３６

Ａ. ５ 永磁同步电机（ＰＭＳＭ）   ３３７

Ａ. ５. １ 永磁同步电机的电气模型  ３３７

Ａ. ５. ２ 永磁同步电机的稳态等效电路  ３３９

附录Ｂ ＶＳＣ 系统的标幺值  ３４０

Ｂ. １ 引言  ３４０

Ｂ. １. １ 交流侧参数的基准值  ３４０

Ｂ. １. ２ 直流侧参数的基准值  ３４０

参考文献  ３４３