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第1章 电力电子功率变换1

1.1 引言1

1.2 电力电子变流器和变流器系统1

1.3 电力电子变流器在电力系统中的应用2

1.4 电力电子开关4

1.4.1 开关分类4

1.4.2 开关特性6

1.5 变流器的分类6

1.5.1 基于换相过程的分类7

1.5.2 基于端电压和电流波形的分类7

1.6 电压源变流器（VSC）8

1.7 基本结构8

1.7.1 多模块VSC系统8

1.7.2 多电平VSC系统10

1.8 本书的范围13

第1部分 基本原理16

第2章 DC-AC半桥变流器16

2.1 引言16

2.2 变流器结构16

2.3 工作原理17

2.3.1 脉宽调制（PWM）17

2.3.2 变流器波形18

2.4 变流器的开关模型20

2.5 变流器的平均值模型22

2.6 非理想半桥变流器27

2.6.1 非理想半桥变流器的分析：正向交流侧电流27

2.6.2 非理想半桥变流器的分析：反向交流侧电流31

2.6.3 非理想半桥变流器的平均值模型31

第3章 半桥变流器的控制35

3.1 引言35

3.2 半桥变流器的交流侧控制模型35

3.3 半桥变流器的控制36

3.4 前馈补偿39

3.4.1 对启动暂态的影响39

3.4.2 对变流器系统与交流系统间动态耦合的影响40

3.4.3 对抗干扰能力的影响43

3.5 正弦指令跟踪44

第4章 空间相量与二维坐标系52

4.1 引言52

4.2 三相对称函数的空间相量表示53

4.2.1 空间相量的定义53

4.2.2 改变三相信号的幅值和相角55

4.2.3 幅值/频率可控的三相信号的产生59

4.2.4 谐波的空间相量表示61

4.3 三相系统的空间相量表示62

4.3.1 非耦合的三相对称系统62

4.3.2 耦合的三相对称系统65

4.3.3 三相不对称系统66

4.4 三相三线制系统中的功率66

4.5 三相信号与系统在αβ坐标系中的表示和控制68

4.5.1 空间相量在αβ坐标系中的表示68

4.5.2 信号发生器/调节器在αβ坐标系中的实现70

4.5.3 αβ坐标系中的功率表达式72

4.5.4 αβ坐标系中的控制72

4.5.5 αβ坐标系中系统的表示74

4.6 三相系统在dq坐标系中的表示和控制76

4.6.1 空间相量在dq坐标系中的表示76

4.6.2 dq坐标系中的功率表达式79

4.6.3 dq坐标系中的控制79

4.6.4 dq坐标系中系统的表示80

第5章 三相两电平电压源变流器87

5.1 引言87

5.2 两电平电压源变流器87

5.2.1 电路结构87

5.2.2 运行原理88

5.2.3 非理想两电平VSC的功率损耗89

5.3 两电平VSC的模型和控制90

5.3.1 两电平VSC的平均值模型90

5.3.2 两电平VSC在αβ坐标系中的模型92

5.3.3 两电平VSC在dq坐标系中的模型和控制94

5.4 VSC系统的分类96

第6章 三相三电平中性点钳位型电压源变流器97

6.1 引言97

6.2 三电平半桥NPC98

6.2.1 生成正的交流电压99

6.2.2 生成负的交流电压99

6.3 用于三电平半桥NPC的PWM方案100

6.4 三电平半桥NPC的开关模型102

6.4.1 交流端电压102

6.4.2 直流端电流102

6.5 三电平半桥NPC的平均值模型103

6.5.1 交流端平均电压103

6.5.2 直流端平均电流104

6.6 三电平NPC104

6.6.1 电路结构104

6.6.2 工作原理105

6.6.3 中点电流106

6.6.4 带有外接直流电压的三电平NPC110

6.7 直流侧带有电容分压器的三电平NPC111

6.7.1 直流侧电压漂移现象112

6.7.2 直流侧电压平衡112

6.7.3 直流侧电流的推导117

6.7.4 三电平NPC和两电平VSC的统一模型117

6.7.5 直流电容电压纹波对交流侧谐波的影响119

第7章 电网定频的VSC系统：在αβ坐标系中的控制123

7.1 引言123

7.2 电网定频VSC系统的结构123

7.3 有功/无功功率控制器124

7.3.1 电流型控制和电压型控制124

7.3.2 有功/无功功率控制器的动态模型125

7.3.3 有功/无功功率控制器的电流型控制127

7.3.4 直流母线电压等级的选择130

7.3.5 现实的考量和权衡135

7.3.6 含三次谐波注入的PWM调制135

7.4 基于三电平NPC的有功/无功功率控制器141

7.4.1 基于三次谐波注入PWM的三电平NPC中点电流147

7.5 直流电压受控的功率端口148

7.5.1 直流电压受控的功率端口模型149

7.5.2 直流电压受控功率端口的直流母线电压控制153

7.5.3 简化和精确模型157

第8章 电网定频的VSC系统：在dq坐标系中的控制161

8.1 引言161

8.2 电网定频VSC系统的结构162

8.3 有功/无功功率控制器163

8.3.1 电流型控制与电压型控制163

8.3.2 空间相量在dq坐标系中的表示164

8.3.3 有功/无功功率控制器的动态模型165

8.3.4 锁相环（PLL）166

8.3.5 PLL的补偿器设计168

8.4 有功/无功功率控制器的电流型控制173

8.4.1 VSC的电流控制173

8.4.2 直流母线电压等级的选择176

8.4.3 交流侧等效电路179

8.4.4 三次谐波注入PWM182

8.5 基于三电平NPC的有功/无功功率控制器184

8.6 直流电压受控的功率端口185

8.6.1 直流电压受控的功率端口模型186

8.6.2 直流电压受控功率端口的控制188

8.6.3 简化模型和精确模型193

第9章 频率受控的VSC系统195

9.1 引言195

9.2 频率受控的VSC系统结构195

9.3 频率受控的VSC系统模型197

9.4 电压控制201

9.4.1 自主运行208

第10章 变频VSC系统215

10.1 引言215

10.2 变频VSC系统的结构215

10.3 变频VSC系统的控制217

10.3.1 异步电机218

10.3.2 双馈异步电机230

10.3.3 永磁同步电机245

第2部分 应用250

第11章 静止补偿器（STATCOM）250

11.1 引言250

11.2 直流电压受控的功率端口250

11.3 STATCOM的结构251

11.4 PCC电压控制的动态模型252

11.4.1 PCC电压动态的大信号模型252

11.4.2 PCC电压动态的小信号模型254

11.4.3 稳态工作点256

11.5 PCC电压动态特性的近似模型257

11.6 STATCOM的控制258

11.7 PCC电压控制器的补偿器设计259

11.8 模型评估259

第12章 背靠背HVDC变换系统267

12.1 引言267

12.2 HVDC系统结构267

12.3 HVDC系统模型269

12.3.1 电网和连接变压器模型269

12.3.2 背靠背变换系统的模型270

12.4 HVDC系统控制274

12.4.1 锁相环（PLL）274

12.4.2 dq坐标系电流控制方案276

12.4.3 PWM门控信号发生器279

12.4.4 直流侧分压的平衡279

12.4.5 潮流控制279

12.4.6 直流母线电压调节281

12.5 不对称故障下HVDC系统的性能283

12.5.1 不对称故障下的PCC电压283

12.5.2 不对称故障下PLL的运行特性285

12.5.3 不对称故障下dq坐标系电流控制器的运行特性286

12.5.4 不对称故障下直流母线电压的动态288

12.5.5 不对称故障下低次谐波的产生292

12.5.6 不对称故障下的稳态潮流295

12.5.7 不对称故障下的直流母线电压控制296

第13章 变速风力发电系统308

13.1 引言308

13.2 恒速和变速风力发电系统308

13.2.1 恒速风力发电系统308

13.2.2 变速风力发电系统309

13.3 风力机特性310

13.4 变速风力发电系统的最大功率捕获312

13.5 基于双馈异步电机的变速风力发电系统315

13.5.1 基于双馈异步电机的风力发电系统的结构315

13.5.2 变频VSC系统的电机转矩控制316

13.5.3 直流电压受控的功率端口的直流母线电压控制318

13.5.4 直流电压受控的功率端口的补偿器设计321

附录331

附录A对称三相电机的空间相量表示331

A.1 引言331

A.2 对称三相电机的结构331

A.3 电机的电气模型332

A.3.1 端电压/电流方程332

A.3.2 定子磁链的空间相量表示333

A.3.3 转子磁链的空间相量表示334

A.3.4 电机电磁转矩334

A.4 电机的等效电路335

A.4.1 电机的动态等效电路335

A.4.2 电机的稳态等效电路336

A.5 永磁同步电机（PMSM）337

A.5.1 永磁同步电机的电气模型337

A.5.2 永磁同步电机的稳态等效电路339

附录B VSC系统的标么值340

B.1 引言340

B.1.1 交流侧参数的基准值340

B.1.2 直流侧参数的基准值340

参考文献343