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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M101

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＝1161

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CN179

11.4.2 电感LN179

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