新能源接入智能电网的逆变控制关键技术

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，抢先发售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优选控制技术。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。

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、中国国家电网公司国家特聘专家、IEEE电力电子学会和IEEE控制系统学会双杰出讲员（Distinguished Lecturer）、靠前控制与电力电子领域四大很好期刊（IEEE Trans.On Automatic Control， 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）Fellow、IEEE不错会员、靠前自动控制联合会（IFAC）电力与能源系统技术委员会副，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。他应邀在十多个靠前会议做主题报告，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。
托马斯·霍尔尼克，博士，毕业于捷克布拉格Uzlabine技术学院电气工程系，分别于2007年和2010年获英国利物浦大学电气电子工程专业硕士和博士学位。自2010年至2011年，留任该校作博士后研究员。2011年进入英国Turbo Power Systems公司任控制工程师，他的研究兴趣涉及电力电子技术、优选的控制理论和基于DSP的应用工程。他曾经在工业界担任过十多年的系统工程师，他是IEEE和IET的会员。

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章节安排
1.2电能变换的基本知识
1.2.1交直变换
1.2.2直直变换
1.2.3直交变换
1.2.4交交变换
1.3硬件设计
1.3.1隔离
1.3.2功率电路
1.3.3输出滤波器
1.3.4电压和电流检测
1.3.5信号处理
1.3.6保护
1.3.7中央控制器
1.3.8测试设备
1.4风力发电系统
1.4.1基本知识
1.4.2风力机
1.4.3发电机和拓扑结构
1.4.4风力机系统的控制
1.5太阳能发电系统
1.5.1太阳能发电简介
1.5.2对太阳能电力的处理
1.6智能电网接入
1.6.1电力系统的运行模式
1.6.2智能电网简介
1.6.3智能电网接入的要求
第2章基础知识
2.1电能质量问题
2.1.1简介
2.1.2电压质量的恶化机理
2.1.3逆变器输出阻抗的作用
2.2重复控制
2.2.1基本原理
2.2.2内部模型的极点
2.2.3内部模型延迟时间的选择
2.3参考坐标系
2.3.1自然（abc）坐标系
2.3.2静止参考（αβ）坐标系
2.3.3同步旋转参考（dq）坐标系
2.3.4相序为acb的情况
第1部分电能质量控制
第3章电流H∞重复控制
3.1系统描述
3.2控制器设计
3.2.1控制对象P的状态空间模型
3.2.2转化为标准H∞问题
3.2.3系统稳定性的验证
3.3设计实例
3.4实验结果
3.4.1同步过程
3.4.2稳态性能
3.4.3动态性能（空载）
3.5小结
第4章电压和电流H∞重复控制
4.1系统描述
4.2逆变器的建模
4.3控制器设计
4.3.1H∞控制问题的描述
4.3.2广义对象的实现
4.3.3Tew的状态空间实现
4.3.4Tba的状态空间实现
4.4设计实例
4.5仿真结果
4.5.1标称响应
4.5.2变负载时的响应
4.5.3对电网电压畸变的响应
4.6小结
第5章具有频率自适应的电压H∞重复控制
5.1系统描述
5.2控制器设计
5.2.1控制对象P的状态空间模型
5.2.2频率自适应内部模型
5.2.3标准H∞问题描述
5.2.4系统稳定性验证
5.3设计实例
5.4实验结果
5.4.1离网模式下的稳态性能
5.4.2并网模式下的稳态性能
5.4.3动态性能（无本地负载）
5.4.4电网频率波动时的响应
5.5小结
第6章级联型电流-电压H∞重复控制
6.1微电网的工作模式
6.2控制策略
6.3电压控制器的设计
6.3.1对象Pu的状态空间模型
6.3.2标准H∞问题的描述
6.4电流控制器的设计
6.4.1对象Pi的状态空间模型
6.4.2标准H∞问题的描述
6.5设计实例
6.5.1H∞电压控制器的设计
6.5.2H∞电流控制器的设计
6.6实验结果
6.6.1离网模式下的稳态性能
6.6.2并网模式下的稳态性能
6.6.3动态性能
6.6.4工作模式的无缝切换
6.7小结
第7章逆变器输出阻抗的控制
7.1具有感性输出阻抗的逆变器（L型逆变器）
7.2具有阻性输出阻抗的逆变器（R型逆变器）
7.2.1控制器设计
7.2.2稳定性分析
7.3具有容性输出阻抗的逆变器（C型逆变器）
7.4改善输出电压THD的C型逆变器设计
7.4.1普通情况
7.4.2特殊情况Ⅰ：最小化3次和5次谐波分量
7.4.3特殊情况Ⅱ：最小化3次谐波分量
7.4.4特殊情况Ⅲ：最小化5次谐波分量
7.5R型、L型和C型逆变器的仿真结果
7.5.1滤波电感取L=2.35mH的情况
7.5.2滤波电感取L=0.25mH的情况
7.6R型、L型和C型逆变器的实验结果
7.6.1滤波电感取L=2.35mH的情况
7.6.2滤波电感取L=0.25mH的情况
7.7滤波电容的影响
7.8小结
第8章谐波电流旁路法
8.1控制器的设计
8.2控制器的物理解释
8.3稳定性分析
8.3.1忽略采样效应
8.3.2考虑采样效应
8.4实验结果
8.5小结
第9章牵引电力系统中的电能质量问题
9.1简介
9.2拓扑结构描述
9.3负序电流、无功和谐波电流的补偿
9.3.1补偿前的电网侧电流
9.3.2有功补偿和无功补偿
9.3.3谐波电流补偿
9.3.4直流母线电压的调节
9.3.5补偿策略的实现
9.4特例：cosθ
9.5仿真结果1639.5.1当cosθ≠1时
9.5.2当cosθ=1时
9.6小结
第2部分中线的提供
第10章中线桥臂的拓扑结构
10.1简介
10.2裂相直流母线
10.3传统的中线桥臂
10.4独立控制的中线桥臂
10.5小结
第11章中线桥臂的经典控制
11.1数学建模
11.2控制器设计
11.2.1电流控制器Ki的设计
11.2.2电压控制器Kv的设计
11.3性能分析
11.4元器件的选择
11.4.1电容
11.4.2电感
11.5仿真结果
11.5.1iN=0时
11.5.250Hz中线电流时
11.5.3150Hz中线电流时
11.5.4直流中线电流时
11.6小结
第12章中线桥臂的H∞电压-电流控制
12.1数学模型
12.2控制器的设计
12.2.1P的状态空间实现
12.2.2闭环传递函数的状态空间实现
12.3加权函数的选择
12.4设计实例
12.5仿真结果
12.6小结
第13章中线桥臂的并联PI电压-H∞电流控制
13.1中线桥臂的描述
13.2H∞电流控制器的设计
13.2.1控制器介绍
13.2.2标准H∞问题的描述
13.2.3对象P的状态空间实现
13.2.4广义对象P~的状态空间实现
13.2.5设计实例
13.3附加的电压控制环
13.4实验结果
13.4.1稳态性能
13.4.2中线电流变化的动态性能
13.5小结
第14章中线在单/三相变换器中的应用
14.1简介
14.2单/三相变换器的拓扑结构
14.3基本原理分析
14.4控制器的设计
14.4.1同步单元
14.4.2整流桥臂的控制
14.4.3中线桥臂的控制
14.4.4逆变桥臂的控制
14.5仿真结果
14.5.1三相平衡线性负载
14.5.2三相不平衡非线性负载
14.6小结
第3部分功率控制
第15章电流比例积分控制
15.1系统结构
15.1.1在同步旋转（dq）参考坐标系中
15.1.2自然（abc）坐标系中的等效结构
15.2控制器的实现
15.3实验结果
15.3.1稳态性能
15.3.2动态性能
15.4小结
第16章电流比例谐振控制
16.1比例谐振控制器
16.2系统的结构
16.2.1在静止参考（αβ）坐标系中
16.2.2abc坐标系中的等效控制器
16.3控制器的设计
16.3.1对象模型
16.3.2设计实例
16.4实验结果
16.4.1稳态性能
16.4.2动态性能
16.5小结
第17章电流无差拍预测控制
17.1系统结构
17.2控制器的设计
17.3实验结果
17.3.1稳态性能
17.3.2动态性能
17.4小结
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）
18.1同步发电机的数学模型
18.1.1电气部分
18.1.2机械部分
18.1.3有中线时的情况
18.2同步逆变器的实现
18.2.1功率部分
18.2.2电子部分
18.3同步逆变器的运行
18.3.1有功功率调节和频率下垂控制
18.3.2无功功率调节和电压下垂控制
18.4仿真结果
18.4.1不同电网频率时的情况
18.4.2不同负载时的情况
18.5实验结果
18.5.1功率控制的性能
18.5.2离网模式下的负载特性
18.5.3并网模式下的负载特性
18.6小结
第19章逆变器的并联运行
19.1简介
19.2问题描述
19.3向电压源输送功率
19.4传统的下垂控制方法
19.4.1对于R型逆变器
19.4.2对于L型逆变器
19.4.3对于C型逆变器
19.4.4R型逆变器的实验结果
19.5传统下垂控制的固有局限性
19.5.1有功功率的分配
19.5.2无功功率的分配
19.6R型逆变器的鲁棒下垂控制
19.6.1控制策略
19.6.2由电压测量误差引起的功率分配误差
19.6.3电压的调节
19.6.4全局设定值的E*和ω*偏差所引起的误差
19.6.5实验结果
19.7C型逆变器的鲁棒下垂控制器
19.7.1控制策略
19.7.2仿真结果
19.7.3实验结果
19.8L型逆变器的鲁棒下垂控制器
19.8.1控制策略
19.8.2仿真结果
19.8.3实验结果
19.9小结
第20章提高电压质量的鲁棒下垂控制
20.1控制策略
20.2实验结果
20.2.11∶1功率分配
20.2.22∶1功率分配
20.3小结
第21章谐波下垂控制器
21.1逆变系统的模型
21.2向电流源输送功率
21.3减小输出电压的谐波
21.4仿真结果
21.5实验结果
21.6小结320第4部分同步技术
第22章常规同步技术
22.1简介
22.2过零点法
22.3基本锁相环（PLL）
22.4同步旋转参考坐标系锁相环（SRF-PLL）
22.5二阶广义积分型锁相环（SOGI-PLL）
22.6正弦跟踪算法（STA）
22.7SOGI-PLL和STA的仿真结果
22.7.1输入为频率可变有噪声且失真的信号
22.7.2输入为含噪声的失真方波信号
22.8SOGI-PLL及STA的实验结果
22.8.1输入为电网电压
22.8.2输入为频率可变有噪声且失真的信号
22.8.3输入为含噪声的失真方波信号
22.9小结
第23章正弦波锁定器
23.1并网的单相同步电机
23.2正弦波锁定器的结构
23.3频率和相位的跟踪
23.4电压幅值的跟踪
23.5参数整定
23.6等效结构
23.7仿真结果
23.7.1输入为频率可变有噪声且失真的信号
23.7.2输入为含噪声的失真方波信号
23.8实验结果
23.8.1输入为电网电压信号
23.8.2输入为频率可变有噪声的信号
23.8.3输入为含噪声的失真方波信号
23.9小结
参考文献

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。