出版日期:2016-8
ISBN:9787111540107
作者:钟庆昌,托马斯.霍尔尼克
页数:373页
内容概要
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 Transon Automatic
Control,IEEE TransPower Electronics,IEEE TransIndustrial Electronics,IEEE TransControl 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。
书籍目录
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
11章节安排1
12电能变换的基本知识4
121交直变换4
122直直变换12
123直交变换17
124交交变换22
13硬件设计23
131隔离24
132功率电路24
133输出滤波器30
134电压和电流检测32
135信号处理34
136保护35
137中央控制器36
138测试设备40
14风力发电系统41
141基本知识41
142风力机42
143发电机和拓扑结构43
144风力机系统的控制47
15太阳能发电系统49
151太阳能发电简介49
152对太阳能电力的处理50
16智能电网接入51
161电力系统的运行模式51
162智能电网简介52
163智能电网接入的要求54
第2章基础知识57
21电能质量问题57
211简介57
212电压质量的恶化机理59
213逆变器输出阻抗的作用59
22重复控制60
221基本原理60
222内部模型的极点61
223内部模型延迟时间的选择62
23参考坐标系63
231自然(abc)坐标系63
232静止参考(αβ)坐标系65
233同步旋转参考(dq)坐标系67
234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
31系统描述74
32控制器设计75
321控制对象P的状态空间模型75
322转化为标准H∞问题77
323系统稳定性的验证78
33设计实例79
34实验结果80
341同步过程80
342稳态性能80
343动态性能(空载)82
35小结83
第4章电压和电流H∞重复控制84
41系统描述84
42逆变器的建模85
43控制器设计87
431H∞控制问题的描述87
432广义对象的实现88
433Tew的状态空间实现89
434Tba的状态空间实现90
44设计实例91
45仿真结果92
451标称响应93
452变负载时的响应94
453对电网电压畸变的响应95
46小结97
ⅩⅦⅩⅧ第5章具有频率自适应的电压H∞重复控制98
51系统描述98
52控制器设计98
521控制对象P的状态空间模型99
522频率自适应内部模型M 101
523标准H∞问题描述101
524系统稳定性验证103
53设计实例105
54实验结果106
541离网模式下的稳态性能106
542并网模式下的稳态性能107
543动态性能(无本地负载)110
544电网频率波动时的响应110
55小结114
第6章级联型电流-电压H∞重复控制115
61微电网的工作模式115
62控制策略116
63电压控制器的设计118
631对象Pu的状态空间模型118
632标准H∞问题的描述119
64电流控制器的设计120
641对象Pi的状态空间模型121
642标准H∞问题的描述121
65设计实例122
651H∞电压控制器的设计122
652H∞电流控制器的设计123
66实验结果123
661离网模式下的稳态性能123
662并网模式下的稳态性能124
663动态性能128
664工作模式的无缝切换130
67小结133
第7章逆变器输出阻抗的控制134
71具有感性输出阻抗的逆变器(L型逆变器)134
72具有阻性输出阻抗的逆变器(R型逆变器)135
721控制器设计135
722稳定性分析136
73具有容性输出阻抗的逆变器(C型逆变器)137
74改善输出电压THD的C型逆变器设计137
741普通情况137
742特殊情况Ⅰ:最小化3次和5次谐波分量139
743特殊情况Ⅱ:最小化3次谐波分量140
744特殊情况Ⅲ:最小化5次谐波分量140
75R型、L型和C型逆变器的仿真结果141
751滤波电感取L=235mH的情况141
752滤波电感取L=025mH的情况142
76R型、L型和C型逆变器的实验结果144
761滤波电感取L=235mH的情况144
762滤波电感取L=025mH的情况145
77滤波电容的影响146
78小结146
第8章谐波电流旁路法147
81控制器的设计147
82控制器的物理解释149
83稳定性分析150
831忽略采样效应150
832考虑采样效应152
84实验结果152
85小结153
第9章牵引电力系统中的电能质量问题154
91简介154
92拓扑结构描述156
93负序电流、无功和谐波电流的补偿157
931补偿前的电网侧电流157
932有功补偿和无功补偿157
933谐波电流补偿160
934直流母线电压的调节160
935补偿策略的实现160
94特例:cosθ=1161
95仿真结果163951当cosθ≠1时164
952当cosθ=1时165
ⅩⅨⅩⅩ96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
101简介168
102裂相直流母线169
103传统的中线桥臂170
104独立控制的中线桥臂170
105小结171
第11章中线桥臂的经典控制172
111数学建模172
112控制器设计174
1121电流控制器Ki的设计174
1122电压控制器Kv的设计175
113性能分析177
114元器件的选择179
1141电容CN179
1142电感LN179
115仿真结果180
1151iN=0时180
115250Hz中线电流时181
1153150Hz中线电流时181
1154直流中线电流时181
116小结182
第12章中线桥臂的H∞电压-电流控制184
121数学模型184
122控制器的设计186
1221P的状态空间实现187
1222闭环传递函数的状态空间实现189
123加权函数的选择190
124设计实例191
125仿真结果192
126小结193
第13章中线桥臂的并联PI电压-H∞电流控制194
131中线桥臂的描述194
132H∞电流控制器的设计195
1321控制器介绍195
1322标准H∞问题的描述196
1323对象P的状态空间实现197
1324广义对象P~的状态空间实现197
1325设计实例198
133附加的电压控制环200
134实验结果201
1341稳态性能201
1342中线电流变化的动态性能202
135小结206
第14章中线在单/三相变换器中的应用207
141简介207
142单/三相变换器的拓扑结构210
143基本原理分析211
144控制器的设计213
1441同步单元213
1442整流桥臂的控制213
1443中线桥臂的控制215
1444逆变桥臂的控制216
145仿真结果217
1451三相平衡线性负载218
1452三相不平衡非线性负载218
146小结221
第3部分功率控制
第15章电流比例积分控制224
151系统结构224
1511在同步旋转(dq)参考坐标系中224
1512自然(abc)坐标系中的等效结构225
152控制器的实现226
153实验结果226
1531稳态性能227
1532动态性能229
154小结231
第16章电流比例谐振控制232
161比例谐振控制器232
162系统的结构232
1621在静止参考(αβ)坐标系中232
1622abc坐标系中的等效控制器233
163控制器的设计234
1631对象模型234
1632设计实例235
164实验结果237
1641稳态性能237
1642动态性能239
165小结241
ⅩⅪⅩⅫ第17章电流无差拍预测控制242
171系统结构242
172控制器的设计242
173实验结果244
1731稳态性能244
1732动态性能246
174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
181同步发电机的数学模型248
1811电气部分249
1812机械部分250
1813有中线时的情况251
182同步逆变器的实现252
1821功率部分252
1822电子部分253
183同步逆变器的运行254
1831有功功率调节和频率下垂控制254
1832无功功率调节和电压下垂控制255
184仿真结果257
1841不同电网频率时的情况257
1842不同负载时的情况259
185实验结果259
1851功率控制的性能259
1852离网模式下的负载特性260
1853并网模式下的负载特性262
186小结265
第19章逆变器的并联运行266
191简介266
192问题描述268
193向电压源输送功率268
194传统的下垂控制方法269
1941对于R型逆变器269
1942对于L型逆变器270
1943对于C型逆变器270
1944R型逆变器的实验结果271
195传统下垂控制的固有局限性273
1951有功功率的分配274
1952无功功率的分配275
196R型逆变器的鲁棒下垂控制276
1961控制策略276
1962由电压测量误差引起的功率分配误差277
1963电压的调节278
1964全局设定值的E*和ω*偏差所引起的误差279
1965实验结果280
197C型逆变器的鲁棒下垂控制器286
1971控制策略286
1972仿真结果287
1973实验结果290
198L型逆变器的鲁棒下垂控制器292
1981控制策略292
1982仿真结果293
1983实验结果294
199小结299
第20章提高电压质量的鲁棒下垂控制300
201控制策略300
202实验结果301
20211∶1功率分配302
20222∶1功率分配304
203小结310
第21章谐波下垂控制器311
211逆变系统的模型311
212向电流源输送功率313
213减小输出电压的谐波314
214仿真结果315
215实验结果318
216小结320第4部分同步技术
第22章常规同步技术324
221简介324
ⅩⅩⅢ222过零点法325
223基本锁相环(PLL)325
224同步旋转参考坐标系锁相环(SRF-PLL)326
225二阶广义积分型锁相环(SOGI-PLL)328
226正弦跟踪算法(STA)329
227SOGI-PLL和STA的仿真结果331
2271输入为频率可变有噪声且失真的信号331
2272输入为含噪声的失真方波信号333
228SOGI-PLL及STA的实验结果333
2281输入为电网电压333
2282输入为频率可变有噪声且失真的信号333
2283输入为含噪声的失真方波信号337
229小结338
第23章正弦波锁定器339
231并网的单相同步电机339
232正弦波锁定器的结构339
233频率和相位的跟踪341
234电压幅值的跟踪342
235参数整定342
236等效结构343
237仿真结果343
2371输入为频率可变有噪声且失真的信号344
2372输入为含噪声的失真方波信号344
238实验结果347
2381输入为电网电压信号347
2382输入为频率可变有噪声的信号347
2383输入为含噪声的失真方波信号347
239小结351
参考文献352
作者简介
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”。《新能源接入智能电网的逆变控制关键技术》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。《新能源接入智能电网的逆变控制关键技术》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。