新能源接入智能电网的逆变控制关键技术

本书是为数不多的系统介绍并网逆变控制的一本好书。本书英文版曾经登上了亚马逊发配电畅销书排行榜第七，且多次作为国际研讨会的教材。本书不仅简要、清晰地介绍了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，而且对并网逆变器中电能质量控制、中线提供、功率控制以及同步技术等关键技术作了深入、细致的系统理论分析和实验验证。本书是原著者十多年研究工作的结晶，其丰富的创新性理论成果（比如虚拟同步机）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并网逆变器的各种先进控制策略，并能够将其引入到自己相关的工程实际应用中。更重要的是，通过对本书内容的深入理解，读者还能够从中体会到原著者科学的创新性理念和严谨的科研态度，从而使得自身的创新能力和科研思想得以培养和锻炼。 

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。

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。

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：最小化3次和5次谐波分量139

7.4.3特殊情况Ⅱ：最小化3次谐波分量140

7.4.4特殊情况Ⅲ：最小化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

随着经济的快速发展，当今世界能源短缺、环境污染和气候变暖已经成为影响社会进步的严重问题，经济、清洁、可再生的新能源作为解决这些问题的有效手段备受各国政府和业界的广泛关注。推进新能源和智能电网的融合是未来电网发展的必然趋势，如何确保各种新能源的友好接入、有效调控以及稳定运行是目前的研究热点。新能源一般通过电力电子逆变器接入智能电网，合理的控制策略可以使其接入电力系统时不但不会危及系统的稳定性和性能，反而会为智能电网的其他功能和服务提供坚实的基础。新能源接入智能电网的技术方兴未艾、日新月异，新技术、新方法、新理念不断涌现，但此方面的技术书籍目前还很缺乏，尤其是系统介绍该领域中并网逆变控制策略的中文书籍更是寥寥无几。而我国从事电力系统、电力电子技术以及控制工程领域的研发人员众多，为了尽快传播相关领域的世界前沿最新发展、积极推进我国建设智能坚强电网和全球能源互联网的步伐，急需一本既具有最新理论研究成果，又能为工程应用实例提供指导的专著。本书原版是为数不多的系统介绍并网逆变控制技术的一本畅销书，曾经登上了亚马逊发配电畅销书排行榜第七名，且多次被选为国际研讨会和研究生课程的教材。本书不仅简要、清晰地介绍了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，而且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关键技术做了深入、细致的系统理论分析和实验验证。本书是原著者十多年研究工作的结晶，其丰富的创新性理论成果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并网逆变器的各种先进控制策略，并将其应用到相关的工程实际中。更重要的是，通过对本书内容的深入理解，读者还能够从中体会到原著者科学的创新理念和严谨的科研态度，从而使得自身的创新能力和科研思想得以培养和升华。全书总共23章，除引言和基础知识以外，主体内容分为4个部分。第1部分（第3~9章）针对电能质量控制提出了几种不同机制下的控制策略。第2部分（第10~14章）讨论了提供中线的拓扑结构，给出了保持中线均衡稳定的多种控制策略。第3部分（第15~21章）详细分析了功率控制中的各项关键技术，包括同步逆变器（也就是模拟同步发电机的逆变器，也称虚拟同步机）、鲁棒下垂控制器以及谐波下垂控制器等全新的概念。第4部分（第22、23章）在介绍传统同步方法的基础上，详细介绍了基于同步机运行机制的正弦波锁定和重构的方案。本书原著者钟庆昌是中国国家电网公司国家级特聘专家、美国伊利诺理工大学Max McGraw能源与电力首席教授、英国谢菲尔德大学自动控制与系统工程系研究教授（曾任控制与系统工程终身首席教授），Tomas Hornik是英国Turbo Power Systems公司控制工程师，他们的介绍请参见“原著者简介”，此处不再赘述。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、轨道交通、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，也可以作为电力系统、电力电子、控制理论与控制工程等专业的研究生教材。本书由原书第一作者钟庆昌教授领衔翻译，其他译校人员都曾经或现在是钟庆昌教授团队的研究人员。全书的译校经历了翻译、一校、二校、三校和两次统校，最终由钟庆昌教授定稿。虽然大家都竭尽全力以求译文准确，但还是难免存在一些错误和不足之处，译者热切期待各位读者对本书提出宝贵意见、建议和勘误。本书中文版能够出版发行，要感谢机械工业出版社的慧眼，在原书出版三个月之内就引进了本书的中文版权，并在第一时间与原著者取得了联系。特别要感谢的是本书的策划编辑付承桂女士，她以巨大的热情和高度的责任心为本书的出版做了大量繁琐细致的出版业务工作和联络工作。也要感谢众多的排版与编印人员，是他们的辛勤劳动才得以使本书付梓。在此，译者对为本书的出版做出过贡献的所有人员表示深深的感谢。