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 74
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
4.3.1 H∞控制问题的描述 87
4.3.2 广义对象的实现 88
4.3.3 Tew的状态空间实现 89
4.3.4 Tba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
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
6.5.1 H∞电压控制器的设计 122
6.5.2 H∞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
7.5 R型、L型和C型逆变器的仿真结果 141
7.5.1 滤波电感取L=2.3 5mH的情况 141
7.5.2 滤波电感取L=0.2 5mH的情况 142
7.6 R型、L型和C型逆变器的实验结果 144
7.6.1 滤波电感取L=2.3 5mH的情况 144
7.6.2 滤波电感取L=0.2 5mH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＝1 161
9.5 仿真结果 163
9.5.1 当cosθ≠1时 164
9.5.2 当cosθ＝1时 165
9.6 小结 165
第2部分 中线的提供 168
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CN 179
11.4.2 电感LN 179
11.5 仿真结果 180
11.5.1 iN=0时 180
11.5.2 50Hz中线电流时 181
11.5.3 150Hz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
12.2.1 P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
13.2 H∞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？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 224
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 232
16.2.2 abc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
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
19.4.4 R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
19.6 R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
19.7 C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
19.8 L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
20.2.1 1∶1功率分配 302
20.2.2 2∶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 324
第22章 常规同步技术 324
22.1 简介 324
22.2 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
22.7 SOGI-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
22.8 SOGI-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