了得網工業技術_新能源接入智能電網的逆變控制關鍵技術

編輯推薦

本書是為數不多的繫統介紹並網逆變控制的一本好書。本書英文版曾經登上了亞馬遜發配電暢銷書排行榜第七，且多次作為國際研討會的教材。本書不僅簡要、清晰地介紹了電能變換以及新能源與智能電網接入等方面的相關基礎知識，而且對並網逆變器中電能質量控制、中線提供、功率控制以及同步技術等關鍵技術作了深入、細致的繫統理論分析和實驗驗證。本書是原著者十多年研究工作的結晶，其豐富的創新性理論成果（比如虛擬同步機）和大量的實驗結果有助於科研工作人員和工程技術人員理解並網逆變器的各種先進控制策略，並能夠將其引入到自己相關的工程實際應用中。更重要的是，通過對本書內容的深入理解，讀者還能夠從中體會到原著者科學的創新性理念和嚴謹的科研態度，從而使得自身的創新能力和科研思想得以培養和鍛煉。

內容簡介

能源危機和可持續發展是當今世界面臨的兩大難題，可再生的新能源為解決這些問題展示了廣闊的前景，如何將新能源接入智能電網已經成為了智能電網發展的“前沿陣地”。本書在簡要介紹電能變換以及新能源與智能電網接入等方面的相關基礎知識後，對並網逆變器中的電能質量控制、中線提供、功率控制以及同步技術等方面做了深入、細致的理論分析和實驗驗證，首次以中文詳細闡述了包括模擬同步電機的同步逆變器（也稱虛擬同步機）、魯棒下垂控制器以及C型逆變器等原創的繫列關鍵技術。本書豐富的創新性理論和大量的實驗結果有助於科研工作人員和工程技術人員理解智能電網接入的各種先進控制技術。本書既可作為電力電子、可再生能源、分布式發電、微電網、智能電網與電力繫統、柔性交流輸電、不間斷電源、高速鐵路、多電飛機、全電艦船、控制理論與工程等領域的研究與工程應用參考書，也可作為電力繫統、電力電子、控制理論與控制工程等專業的研究生教材。

作者簡介

著者簡介鐘慶昌博士是美國伊利諾理工大學(Illinois Institute of Technology，IIT)電氣與計算機工程繫能源與電力首席教授(Max McGraw Endowed Chair Professor)、英國謝菲爾德大學控制與繫統工程繫研究教授、中國國家電網公司特聘專家、IEEE電力電子學會和IEEE控制繫統學會雙傑出講員(Distinguished Lecturer)、國際控制與電力電子領域四大期刊（IEEE Transon AutomaticControl,IEEE TransPower Electronics，IEEE TransIndustrial Electronics，IEEE TransControl Systems Technology）的編委、英國工程技術學會(IET)會士、IEEE高級會員、國際自動控制聯合會(IFAC)電力與能源繫統技術委員會副主席，曾任歐洲控制協會英國代表、勞斯萊斯大學技術聯盟委員和美國FREEDM國家工程研究中心科學顧問。他應邀在十多個國際會議作主題報告，是世界上同時在控制與電力電子領域得到認可的少數專家之一。鐘教授1990畢業於湘潭機電專科學校（現湖南工程學院），1997年獲得湖南大學控制理論與控制工程專業碩士學位，2000年獲得上海交通大學控制理論與控制工程專業博士學位後前往以色列理工大學從事一年的博士後研究，2004年獲得英國帝國理工學院控制與電力工程專業博士學位後在英國格蘭摩根大學開始了他的學術生涯，六年後從英國利物浦大學高級講師直接受聘為英國拉夫堡大學終身首席教授、控制與可靠性研究組主任，2012年受聘為英國謝菲爾德大學控制與繫統工程繫控制與繫統工程終身首席教授。他在不到三年的時間內在謝菲爾德大學建立起了價值五的控制與電力繫統實驗室，得到了勞斯萊斯、西門子、阿爾斯通、國家儀器、德州儀器、橫河電機等國際一流大公司的支持。鐘教授的研究橫跨控制理論、電力電子與電力繫統三大學科，主要方向包括新能源與分布式發電、電力電子變換器、智能電網、微電網、電動汽車、高速鐵路供電與驅動繫統、時間滯後繫統、魯棒控制理論、化工過程控制等相關領域。他主要解決了關於時間滯後繫統魯棒控制的一繫列基礎理論問題，將逆變器與同步發電機從數學上等價了起來，提出了同步逆變器的思想，是虛擬同步機的主要發明人，提出了以同步機的同步機制來統一各種發電設備和用電設備接入電網的接口，並以此為基礎來構建下一代智能電網，從而實現電力繫統的自主運行，解決了新能源接入電網和逆變器並聯運行的繫列關鍵問題，取得了一繫列原創性的研究成果。

目錄譯者序
原書前言
原書致謝
原著者簡介
縮略語
第1章引言1
1.1章節安排1
1.2電能變換的基本知識4
1.2.1交直變換4
1.2.2直直變換12
1.2.3直交變換17
1.2.4交交變換22
1.3硬件設計23
1.3.1隔離24

目錄譯者序

原書前言

原書致謝

原著者簡介

縮略語

第1章引言1

1.1章節安排1

1.2電能變換的基本知識4

1.2.1交直變換4

1.2.2直直變換12

1.2.3直交變換17

1.2.4交交變換22

1.3硬件設計23

1.3.1隔離24

1.3.2功率電路24

1.3.3輸出濾波器30

1.3.4電壓和電流檢測32

1.3.5信號處理34

1.3.6保護35

1.3.7中央控制器36

1.3.8測試設備40

1.4風力發電繫統41

1.4.1基本知識41

1.4.2風力機42

1.4.3發電機和拓撲結構43

1.4.4風力機繫統的控制47

1.5太陽能發電繫統49

1.5.1太陽能發電簡介49

1.5.2對太陽能電力的處理50

1.6智能電網接入51

1.6.1電力繫統的運行模式51

1.6.2智能電網簡介52

1.6.3智能電網接入的要求54

第2章基礎知識57

2.1電能質量問題57

2.1.1簡介57

2.1.2電壓質量的惡化機理59

2.1.3逆變器輸出阻抗的作用59

2.2重復控制60

2.2.1基本原理60

2.2.2內部模型的極點61

2.2.3內部模型延遲時間的選擇62

2.3參考坐標繫63

2.3.1自然（abc）坐標繫63

2.3.2靜止參考（αβ）坐標繫65

2.3.3同步旋轉參考(dq)坐標繫67

2.3.4相序為acb的情況69

第1部分電能質量控制

第3章電流H∞重復控制74

3.1繫統描述74

3.2控制器設計75

3.2.1控制對像P的狀態空間模型75

3.2.2轉化為標準H∞問題77

3.2.3繫統穩定性的驗證78

3.3設計實例79

3.4實驗結果80

3.4.1同步過程80

3.4.2穩態性能80

3.4.3動態性能（空載）82

3.5小結83

第4章電壓和電流H∞重復控制84

4.1繫統描述84

4.2逆變器的建模85

4.3控制器設計87

4.3.1H∞控制問題的描述87

4.3.2廣義對像的實現88

4.3.3Tew的狀態空間實現89

4.3.4Tba的狀態空間實現90

4.4設計實例91

4.5仿真結果92

4.5.1標稱響應93

4.5.2變負載時的響應94

4.5.3對電網電壓畸變的響應95

4.6小結97

ⅩⅦⅩⅧ第5章具有頻率自適應的電壓H∞重復控制98

5.1繫統描述98

5.2控制器設計98

5.2.1控制對像P的狀態空間模型99

5.2.2頻率自適應內部模型M
101

5.2.3標準H∞問題描述101

5.2.4繫統穩定性驗證103

5.3設計實例105

5.4實驗結果106

5.4.1離網模式下的穩態性能106

5.4.2並網模式下的穩態性能107

5.4.3動態性能（無本地負載）110

5.4.4電網頻率波動時的響應110

5.5小結114

第6章級聯型電流-電壓H∞重復控制115

6.1微電網的工作模式115

6.2控制策略116

6.3電壓控制器的設計118

6.3.1對像Pu的狀態空間模型118

6.3.2標準H∞問題的描述119

6.4電流控制器的設計120

6.4.1對像Pi的狀態空間模型121

6.4.2標準H∞問題的描述121

6.5設計實例122

6.5.1H∞電壓控制器的設計122

6.5.2H∞電流控制器的設計123

6.6實驗結果123

6.6.1離網模式下的穩態性能123

6.6.2並網模式下的穩態性能124

6.6.3動態性能128

6.6.4工作模式的無縫切換130

6.7小結133

第7章逆變器輸出阻抗的控制134

7.1具有感性輸出阻抗的逆變器（L型逆變器）134

7.2具有阻性輸出阻抗的逆變器（R型逆變器）135

7.2.1控制器設計135

7.2.2穩定性分析136

7.3具有容性輸出阻抗的逆變器（C型逆變器）137

7.4改善輸出電壓THD的C型逆變器設計137

7.4.1普通情況137

7.4.2特殊情況Ⅰ：小化3次和5次諧波分量139

7.4.3特殊情況Ⅱ：小化3次諧波分量140

7.4.4特殊情況Ⅲ：小化5次諧波分量140

7.5R型、L型和C型逆變器的仿真結果141

7.5.1濾波電感取L=2.35mH的情況141

7.5.2濾波電感取L=0.25mH的情況142

7.6R型、L型和C型逆變器的實驗結果144

7.6.1濾波電感取L=2.35mH的情況144

7.6.2濾波電感取L=0.25mH的情況145

7.7濾波電容的影響146

7.8小結146

第8章諧波電流旁路法147

8.1控制器的設計147

8.2控制器的物理解釋149

8.3穩定性分析150

8.3.1忽略采樣效應150

8.3.2考慮采樣效應152

8.4實驗結果152

8.5小結153

第9章牽引電力繫統中的電能質量問題154

9.1簡介154

9.2拓撲結構描述156

9.3負序電流、無功和諧波電流的補償157

9.3.1補償前的電網側電流157

9.3.2有功補償和無功補償157

9.3.3諧波電流補償160

9.3.4直流母線電壓的調節160

9.3.5補償策略的實現160

9.4特例：cosθ=1161

9.5仿真結果1639.5.1當cosθ≠1時164

9.5.2當cosθ=1時165

ⅩⅨⅩⅩ9.6小結165

第2部分中線的提供

第10章中線橋臂的拓撲結構168

10.1簡介168

10.2裂相直流母線169

10.3傳統的中線橋臂170

10.4獨立控制的中線橋臂170

10.5小結171

第11章中線橋臂的經典控制172

11.1數學建模172

11.2控制器設計174

11.2.1電流控制器Ki的設計174

11.2.2電壓控制器Kv的設計175

11.3性能分析177

1器件的選擇179

11.4.1電容CN179

11.4.2電感LN179

11.5仿真結果180

11.5.1iN=0時180

11.5.250Hz中線電流時181

11.5.3150Hz中線電流時181

11.5.4直流中線電流時181

11.6小結182

第12章中線橋臂的H∞電壓-電流控制184

12.1數學模型184

12.2控制器的設計186

12.2.1P的狀態空間實現187

12.2.2閉環傳遞函數的狀態空間實現189

12.3加權函數的選擇190

12.4設計實例191

12.5仿真結果192

12.6小結193

第13章中線橋臂的並聯PI電壓-H∞電流控制194

13.1中線橋臂的描述194

13.2H∞電流控制器的設計195

13.2.1控制器介紹195

13.2.2標準H∞問題的描述196

13.2.3對像P的狀態空間實現197

13.2.4廣義對像P~的狀態空間實現197

13.2.5設計實例198

13.3附加的電壓控制環200

13.4實驗結果201

13.4.1穩態性能201

13.4.2中線電流變化的動態性能202

13.5小結206

第14章中線在單/三相變換器中的應用207

14.1簡介207

14.2單/三相變換器的拓撲結構210

14.3基本原理分析211

14.4控制器的設計213

14.4.1213

14.4.2整流橋臂的控制213

14.4.3中線橋臂的控制215

14.4.4逆變橋臂的控制216

14.5仿真結果217

14.5.1三相平衡線性負載218

14.5.2三相不平衡非線性負載218

14.6小結221

第3部分功率控制

第15章電流比例積分控制224

15.1繫統結構224

15.1.1在同步旋轉(dq)參考坐標繫中224

15.1.2自然(abc)坐標繫中的等效結構225

15.2控制器的實現226

15.3實驗結果226

15.3.1穩態性能227

15.3.2動態性能229

15.4小結231

第16章電流比例諧振控制232

16.1比例諧振控制器232

16.2繫統的結構232

16.2.1在靜止參考(αβ)坐標繫中23216.2.2abc坐標繫中的等效控制器233

16.3控制器的設計234

16.3.1對像模型234

16.3.2設計實例235

16.4實驗結果237

16.4.1穩態性能237

16.4.2動態性能239

16.5小結241

ⅩⅪⅩⅫ第17章電流無差拍預測控制242

17.1繫統結構242

17.2控制器的設計242

17.3實驗結果244

17.3.1穩態性能244

17.3.2動態性能246

17.4小結247

第18章同步逆變器：模擬同步發電機的電網友好型逆變器

（虛擬同步機）248

18.1同步發電機的數學模型248

18.1.1電氣部分249

18.1.2機械部分250

18.1.3有中線時的情況251

18.2同步逆變器的實現252

18.2.1功率部分252

18.2.2電子部分253

18.3同步逆變器的運行254

18.3.1有功功率調節和頻率下垂控制254

18.3.2無功功率調節和電壓下垂控制255

18.4仿真結果257

18.4.1不同電網頻率時的情況257

18.4.2不同負載時的情況259

18.5實驗結果259

18.5.1功率控制的性能259

18.5.2離網模式下的負載特性260

18.5.3並網模式下的負載特性262

18.6小結265

第19章逆變器的並聯運行266

19.1簡介266

19.2問題描述268

19.3向電壓源輸送功率268

19.4傳統的下垂控制方法269

19.4.1對於R型逆變器269

19.4.2對於L型逆變器270

19.4.3對於C型逆變器270

19.4.4R型逆變器的實驗結果271

19.5傳統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無功功率的分配275

19.6R型逆變器的魯棒下垂控制276

19.6.1控制策略276

19.6.2由電壓測量誤差引起的功率分配誤差277

19.6.3電壓的調節278

19.6.4全局設定值的E*和ω*偏差所引起的誤差279

19.6.5實驗結果280

19.7C型逆變器的魯棒下垂控制器286

19.7.1控制策略286

19.7.2仿真結果287

19.7.3實驗結果290

19.8L型逆變器的魯棒下垂控制器292

19.8.1控制策略292

19.8.2仿真結果293

19.8.3實驗結果294

19.9小結299

第20章提高電壓質量的魯棒下垂控制300

20.1控制策略300

20.2實驗結果301

20.2.11∶1功率分配302

20.2.22∶1功率分配304

20.3小結310

第21章諧波下垂控制器311

21.1逆變繫統的模型311

21.2向電流源輸送功率313

21.3減小輸出電壓的諧波314

21.4仿真結果315

21.5實驗結果318

21.6小結320第4部分同步技術

第22章常規同步技術324

22.1簡介324

ⅩⅩⅢ22.2過零點法325

22.3基本鎖相環(PLL)325

22.4同步旋轉參考坐標繫鎖相環（SRF-PLL）326

22.5二階廣義積分型鎖相環(SOGI-PLL)328

22.6正弦跟蹤算法(STA)329

22.7SOGI-PLL和STA的仿真結果331

22.7.1輸入為頻率可變有噪聲且失真的信號331

22.7.2輸入為含噪聲的失真方波信號333

22.8SOGI-PLL及STA的實驗結果333

22.8.1輸入為電網電壓333

22.8.2輸入為頻率可變有噪聲且失真的信號333

22.8.3輸入為含噪聲的失真方波信號337

22.9小結338

第23章正弦波鎖定器339

23.1並網的單相同步電機339

23.2正弦波鎖定器的結構339

23.3頻率和相位的跟蹤341

23.4電壓幅值的跟蹤342

23.5參數整定342

23.6等效結構343

23.7仿真結果343

23.7.1輸入為頻率可變有噪聲且失真的信號344

23.7.2輸入為含噪聲的失真方波信號344

23.8實驗結果347

23.8.1輸入為電網電壓信號347

23.8.2輸入為頻率可變有噪聲的信號347

23.8.3輸入為含噪聲的失真方波信號347

23.9小結351

參考文獻352

前言

隨著經濟的快速發展，當今世界能源短缺、環境污染和氣候變暖已經成為影響社會進步的嚴重問題，經濟、清潔、可再生的新能源作為解決這些問題的有效手段備受各國政府和業界的廣泛關注。推進新能源和智能電網的融合是未來電網發展的必然趨勢，如何確保各種新能源的友好接入、有效調控以及穩定運行是目前的研究熱點。新能源一般通過電力電子逆變器接入智能電網，合理的控制策略可以使其接入電力繫統時不但不會危及繫統的穩定性和性能，反而會為智能電網的其他功能和服務提供堅實的基礎。新能源接入智能電網的技術方興未艾、日新月異，新技術、新方法、新理念不斷湧現，但此方面的技術書籍目前還很缺乏，尤其是繫統介紹該領域中並網逆變控制策略的中文書籍更是寥寥無幾。而我國從事電力繫統、電力電子技術以及控制工程領域的研發人員眾多，為了盡快傳播相關領域的世界前沿發展、積極推進我國建設智能堅強電網和全球能源互聯網的步伐，急需一本既具有理論研究成果，又能為工程應用實例提供指導的專著。本書原版是為數不多的繫統介紹並網逆變控制技術的一本暢銷書，曾經登上了亞馬遜發配電暢銷書排行榜第七名，且多次被選為國際研討會和研究生課程的教材。本書不僅簡要、清晰地介紹了電能變換以及新能源與智能電網接入等方面的相關基礎知識，而且對並網逆變器中的電能質量控制、中線提供、功率控制以及同步技術等關鍵技術做了深入、細致的繫統理論分析和實驗驗證。本書是原著者十多年研究工作的結晶，其豐富的創新性理論成果和大量的實驗結果有助於科研工作人員和工程技術人員理解並網逆變器的各種先進控制策略，並將其應用到相關的工程實際中。更重要的是，通過對本書內容的深入理解，讀者還能夠從中體會到原著者科學的創新理念和嚴謹的科研態度，從而使得自身的創新能力和科研思想得以培養和升華。全書總共23章，除引言和基礎知識以外，主體內容分為4個部分。第1部分（第3~9章）針對電能質量控制提出了幾種不同機制下的控制策略。第2部分（第10~14章）討論了提供中線的拓撲結構，給出了保持中線均衡穩定的多種控制策略。第3部分（第15~21章）詳細分析了功率控制中的各項關鍵技術，包括同步逆變器（也就是模擬同步發電機的逆變器，也稱虛擬同步機）、魯棒下垂控制器以及諧波下垂控制器等全新的概念。第4部分（第22、23章）在介紹傳統同步方法的基礎上，詳細介紹了基於同步機運行機制的正弦波鎖定和重構的方案。本書原著者鐘慶昌是中國國家電網公司特聘專家、美國伊利諾理工大學Max McGraw能源與電力首席教授、英國謝菲爾德大學自動控制與繫統工程繫研究教授（曾任控制與繫統工程終身首席教授），Tomas Hornik是英國Turbo Power Systems公司控制工程師，他們的介紹請參見“原著者簡介”，此處不再贅述。本書既可作為電力電子、可再生能源、分布式發電、微電網、智能電網與電力繫統、柔性交流輸電、不間斷電源、軌道交通、多電飛機、全電艦船、控制理論與工程等領域的研究與工程應用參考書，也可以作為電力繫統、電力電子、控制理論與控制工程等專業的研究生教材。本書由原書作者鐘慶昌教授領銜翻譯，其他譯校人員都曾經或現在是鐘慶昌教授團隊的研究人員。全書的譯校經歷了翻譯、一校、二校、三校和兩次統校，終由鐘慶昌教授定稿。雖然大家都竭盡全力以求譯文準確，但還是難免存在一些錯誤和不足之處，譯者熱切期待各位讀者對本書提出寶貴意見、建議和勘誤。本書中文版能夠出版發行，要感謝機械工業出版社的慧眼，在原書出版三個月之內就引進了本書的中文版權，並在時間與原著者取得了聯繫。特別要感謝的是本書的策劃編輯付承桂女士，她以巨大的熱情和高度的責任心為本書的出版做了大量繁瑣細致的出版業務工作和聯絡工作。也要感謝眾多的排版與編印人員，是他們的辛勤勞動纔得以使本書付梓。在此，譯者對為本書的出版做出過貢獻的所有人員表示深深的感謝。

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