定 价：88 元
丛书名：普通高等教育“十三五”规划教材普通高等院校工程实践系列规划教材
抱歉，本教材暂不参与当前样书赠送活动！
- 作者：阮新波 ... [等] 著
- 出版时间：2015/4/1
- ISBN：9787030438102
- 出 版 社：科学出版社
适用读者:高等院校电力电子技术专业硕士生、博士生及教师参阅
- 中图法分类：TM464
- 页码：258
- 纸张：胶版纸
- 版次：1
- 开本：16K
- 字数：(单位：千字)
作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，LCL型并网逆变器用来将直流电能转化为高质量的交流电能并馈入电网。《LCL型并网逆变器的控制技术》系统阐述LCL型并网逆变器的控制技术。介绍LCL滤波器的设计、磁集成及谐振尖峰阻尼方法。针对采用电容电流反馈有源阻尼的LCL型并网逆变器，提出电容电流反馈系数和并网电流调节器参数的设计方法，并提出抑制电网电压对并网电流影响的电网电压全前馈策略。针对数字控制LCL型并网逆变器，揭示控制延时对电容电流反馈有源阻尼和系统稳定性的影响，并提出闭环参数设计方法。提出即时采样方法和双采样模式实时运算方法，可减小甚至消除计算延时，进一步提高控制系统的稳定性和鲁棒性。提出虚拟串并联阻抗方法和电网电压加权前馈方法，有效提高弱电网下LCL型并网逆变器对电网阻抗变化的适应能力。介绍基于前置滤波器的锁相环的工作原理，采用复矢量滤波器方法揭示各种前置滤波器的相互关系，并提出动态性能更快的通用二阶复矢量前置滤波器和谐波抑制能力更好的三阶复矢量前置滤波器。
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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 能源现状和环境问题 1
1.2 基于可再生能源的分布式发电系统 1
1.2.1 基于可再生能源的分布式发电系统的优点 2
1.2.2 基于可再生能源的分布式发电系统结构 2
1.2.3 并网逆变器 3
1.3 LCL型并网逆变器的关键技术 4
1.3.1 LCL滤波器设计及其磁集成方法
1.3.2 LCL滤波器谐振尖峰的阻尼方法 6
1.3.3 并网逆变器闭环参数设计 7
1.3.4 控制延时影响及其减小方法 11
1.3.5 电网电压引起的并网电流谐波抑制方法 13
1.3.6 电网阻抗对并网逆变器稳定性的影响及其改善方法 19
1.4 本章小结 20
第2章 LCL滤波器设计 21
2.1 单相全桥并网逆变器的PWM控制 21
2.1.1 双极性SPWM控制 21
2.1.2 单极倍频SPWM控制 24
2.2 三相全桥并网逆变器的PWM控制 25
2.2.1 SPWM控制 27
2.2.2 谐波注入SPWM控制 29
2.3 LCL滤波器设计 33
2.3.1 逆变器侧电感的设计 34
2.3.2 滤波电容的设计 40
2.3.3 网侧电感的设汁 41
2.4 LCL滤波器的设计实例 42
2.4.1 单相LCL滤波器 42
2.4.2 三相LCL滤波器 44
2.5 本章小结 46
第3章 LCL滤波器的磁集成方法 47
3.1 LCL滤波器的磁集成方法 47
3.1.1 单相LCL滤波器的磁集成 47
3.1.2 三相LCL滤波器的磁集成 49
3.2 磁集成对LCL滤波器滤波特性的影响 50
3.2.1 集成电感的等效磁路模犁 50
3.2.2 采用耦合电感的LCL滤波器的滤波特性 52
3.3 设计实例 54
3.3.1 单相LCL滤波器的磁集成设计 54
3.3.2 三相LCL滤波器的磁集成设计 56
3.4 实验验证 56
3.5 本章小结 59
第4章 LCL滤波器谐振尖峰的阻尼方法 60
4.1 LCL滤波器谐振尖峰的危害 60
4.2 无源阻尼方法 61
4.2.1 基本的无源阻尼方法 61
4.2.2 改进的无源阻尼方法 65
4.3 有源阻尼方法 67
4.3.1 基于状态变量反馈的有源阻尼方法 68
4.3.2 基于陷波器的有源阻尼方法 69
4.4 本章小结 71
第5章 LCL型并网逆变器的电容电流反馈有源阻尼和并网电流调节器设计 72
5.1 LCL型并网逆变器的数学模型 72
5.2 电容电流反馈有源阻尼和PI调节器的频率特性 75
5.3 闭环参数的约束条件 76
5.3.1 稳态误差要求 76
5.3.2 稳态误差和稳定裕度对闭环参数的约束 78
5.3.3 PWM对闭环参数的约束 79
5.4 电容电流反馈系数和PI调节器参数的设计步骤 80
5.5 设计方法的扩展 81
5.5.1 采用PI调节器加电网电压前馈 82
5.5.2 采用PR调节器 82
5.6 设计实例 84
5.6.1 采用PI调节器的设计结果 84
5.6.2 采用PR调节器的设计结果 87
5.7 实验验证 89
5.8 本章小结 93
第6章 单相LCL型并网逆变器电网电压全前馈策略 94
6.1 电网电压对并网电流的影响 94
6.2 单相LCL型并网逆变器电网电压全前馈策略 97
6.2.1 电网电压全前馈函数的推导 97
6.2.2 全前馈函数各项作用 99
6.2.3 电网电压全前馈策略对主电路参数偏差的适应性分析 101
6.3 实验验证 103
6.4 本章小结 107
第7章 三相LCL型并网逆变器电网电压全前馈策略 108
7.1 三相LCL型并网逆变器的数学模型 108
7.1.1 αβ静止坐标系下三相LCL型并网逆变器数学模型 108
7.1.2 αβ同步旋转坐标系下三相LCL型并网逆变器数学模型 111
7.2 电网电压全前馈策略的推导 112
7.2.1 αβ静止坐标系下电网电压全前馈策略 113
7.2.2 αβ同步旋转坐标系下电网电压全前馈策略 113
7.2.3 混合坐标系下电网电压全前馈策略 115
7.3 电网电压全前馈函数讨论 118
7.3.1 三相LCL型并网逆变器电网电压全前馈函数各项作用 118
7.3.2 三相LCL型并网逆变器滤波器参数变化对全前馈效果影响分析 121
7.3.3 三相L型和LCL型并网逆变器电网电压全前馈函数相互关系 122
7.4 实验验证 122
7.5 本章小结 129
第8章 数字控制LCL型并网逆变器的电容电流反馈有源阻尼及并网电流调节器的设计 130
8.1 控制延时产生的机理 131
8.2 存在控制延时的电容电流反馈有源阻尼及环路增益特性 132
8.2.1 电容电流反馈有源阻尼的等效阻抗 132
8.2.2 系统环路增益的离散域表达式 135
8.2.3 系统环路增益的右半平山极点 137
8.3 数字控制时系统稳定性约束条件 139
8.3.1 Nyquist稳定判据 139
8.3.2 系统稳定性约束条件 140
8.4 数字控制时LCL滤波器与电流调节器和电容电流反馈有源阻尼的设计 142
8.4.1 LCL滤波器谐振频率选取的禁止区域 142
8.4.2 稳态误差和稳定裕度对闭环参数的约束 143
8.4.3 LCL滤波器参数、PR调节器和电容电流反馈系数设计 145
8.5 无阻尼时数字控制LCL型并网逆变器的并网电流环设计 146
8.5.1 无阻尼时并网电流环控制下系统稳定的必要条件 146
8.5.2 无阻尼时并网电流环参数设计及系统性能分析 147
8.6 设计实例 148
8.6.1 有电容电流反馈有源阻尼的闭环参数设计实例 149
8.6.2 无阻尼时并网电流环闭环参数设计实例 152
8.7 实验验证 153
8.7.1 有电容电流反馈有源阻尼的实验验证 153
8.7.2 无阻尼时并网电流控制的实验验证 156
8.8 三种控制方式下设计系统性能比较 156
8.9 本章小结 157
第9章 减小计算延时以提高LCL型并网逆变器稳定性和控制性能的策略 158
9.1 控制延时对LCL型并网逆变器的影响 158
9.1.1 数字控制LCL型并网逆变器的数学模型 158
9.1.2 减小计算延时对电容电流反馈有源阻尼特牲的改善 162
9.1.3 减小计算延时对系统控制性能的改善 164
9.2 即时采样方法 167
9.2.1 电容电流即时采样引入的混叠 167
9.2.2 设计实例 169
9.2.3 实验验证 171
9.3 双采样模式实时运算方法 174
9.3.1 双采样模式实时运算方法 174
9.3.2 设计实例 177
9.3.3 实验验证 179
9.4 本章小结 183
第10章 提高LCL型并网逆变器对弱电网适应能力的输出阻抗校正方法 184
10.1 基于阻抗的并网逆变器稳定性判据推导 184
10.2 并网逆变器的输出阻抗模型 185
10.3 输出阻抗与谐波抑制能力和鲁棒性 187
10.4 基于虚拟阻抗的输出阻抗校正方法 189
10.4.1 并联阻抗校正 189
10.4.2 串并联阻抗综合校正 191
10.4.3 参数设计和敏感性分析 194
10.5 实验验证 196
10.5.1 原理样机设计 196
10.5.2 实验结果 197
10.6 本章小结 201
第1章 弱电网下三相LCL型并网逆变器的电网电压加权前馈策略 202
11.1 基于阻抗的三相并网逆变器稳定性判据推导 202
11.2 弱电网下并网逆变器稳定性分析 203
11.2.1 并网逆变器输出阻抗推导 203
11.2.2 弱电网下并网逆变器稳定性判断 205
11.3 并网逆变器输出阻抗特性分析 207
11.3.1 无电网电压前馈控制的逆变器输出阻抗特性 207
1.3.2 电网电压全前馈控制对逆变器输出阻抗影响分析 209
11.4 电网电压加权前馈策略 211
11.4.1 电网电压加权前馈策略的提出 211
11.4.2 电网电压加权前馈策略的实现方式 212
11.4.3 电网电压加权前馈的权值设计 214
11.5 实验验证 217
11.5.1 稳定性测试 218
11.5.2 谐波抑制能力测试 219
11.6 本章小结 222
第12章 基于前置滤波器的同步旋转坐标系锁相技术 223
12.1 引言 223
12.2 SRF-PLL工作原理简介 224
12.3 基于前置滤波器的SRF-PLL 225
12.3.1 复矢量滤波器分析法 226
12.3.2 基于复欠量滤波器的前置滤波器推导 228
12.4 通用二阶复矢量滤波器 236
12.5 三阶复矢量滤波器 238
12.6 仿真及实验验证 240
12.6.1 仿真验证 240
12.6.2 实验验证 240
12.7 本章小结 248
参考文献 249
第1章绪论
1.1能源现状和环境问题
化石能源是人类现代文明的基石。历经两百多年的开发利用，化石能源已趋于枯竭。与此同时，化石能源的消耗产生了大量的废弃物，对环境造成了严重的污染，成为人类可持续发展的阻碍。表1.1给出了2012年一次能源消费量中各类能源所占比例及其储产比[1]。储产比是指任意一年的能源探明储量与该年度产量之比，反映了能源供应的可持续性。从表1.1中可以看出：①全球范围内石油、煤炭和天然气等化石能源的消费量之和占一次能源总消费量的86.9%，仍为主导能源，而这三种化石能源中仅有煤炭的储产比超过了100年，石油和天然气储产比均低于60年，中国的各类化石能源的储产比远低于世界平均水平；②中国煤炭消费量所占比例较大，而相对较清洁的天然气仅占4.7%。我国石油对外依存度已经从21世纪初的26%上升至2011年的57%[2]，能源紧缺问题十分严峻，能源安全保障压力巨大。近年来，中国已经超越美国成为二氧化碳排放总量的最大国，与此同时，雾霾天气和水污染等社会问题日益凸现。因此，能源的可持续供应以及环境保护问题是人类所面临的重大挑战，中国作为全球最大能源消耗国，任重道远。
表1.1 2012年一次能源消费量中各类能源所占比例及储产比
统计范围能源类型石油煤炭天然气水电核能可再生能源全球消费比例
为了应对能源紧缺和环境问题，人类在推行节能减排的同时，也在积极寻找新型清洁能源。
表1.1所示的全球水电和可再生能源消费分别占能源消费总量的6.7%和1.9%，均达到历史最高水平。目前，光伏发电和风力发电等可再生能源发电正在飞速发展，并将在应对能源紧缺和环境问题中扮演日益重要的角色。
1.2基于可再生能源的分布式发电系统
以风能和太阳能为代表的可再生能源在自然界中分布广泛，开发利用过程中对环境产生的污染小，近年来受到越来越多国家和地区的重视。美国、日本和德国等发达国家已把开发利用可再生能源作为解决能源危机和环境污染问题的重要发展方向[1]。
1.2.1基于可再生能源的分布式发电系统的优点
目前，大规模开发可再生能源的主要途径是基于可再生能源的分布式发电。分布式发电系统是一种建在负荷中心的分散式电能供应系统，具有独立运行和并网运行两种工作模式。基于可再生能源的分布式发电系统(renewable energy based distributed power generation system，RE-DPGS)具有如下优点：
(1) 环境友好。风能和太阳能等可再生能源发电产生的污染小，不排放二氧化碳。
(2) 能源安全。多元化的可再生能源发电有利于缓解能源紧缺，同时也可降低我国对于进口化石能源的依赖，保障能源安全，有助于我国经济的可持续发展。
(3) 损耗降低。发电系统接近负荷中心，电力就地生产、就地消化，避免了长距离输电带来的损耗。
(4) 可靠性高。当电网故障时，分布式发电系统仍可以给系统内用户供电，同时对电网提供一定支撑，有利于电网的安全运行。
(5) 投资节省。由于单个分布式发电系统容量相对较小，小型模块化，土建与安装成本低，能量输送投资少。
根据BP 2013年世界能源统计年鉴[1]的报道，截至2012年年底，RE-DPGS产生的电能已经达到全球总发电量的4.7%，比2011年增长了15.2%，其增长量占2012年全球发电量增长的31%，已成为一些国家能源供应的重要组成部分。2012年，全球共有15个国家的RE-DPGS发电量占全国总发电量的10%以上。其中，丹麦的风电发电量约占34%，葡萄牙的风电发电量约占21%，西班牙的风电发电量约占17%，爱尔兰的风电发电量约占16%。
1.2.2基于可再生能源的分布式发电系统结构
图1.1给出了基于风能和太阳能组成的两种RE-DPGS典型网络拓扑结构。由飞轮、蓄电池和超级电容组成的储能单元用来改善可再生能源发电的间歇性和随机性问题[3-6]。图1.1(a)为基于直流母线方式的RE-DPGS示意图，各种可再生能源发电单元和储能单元通过电力电子变换器接入直流母线，经过集中的DC/AC逆变器 (RE-DPGS中通常称为并网逆变器)和工频变压器后馈入电网[7， 8]。这类系统的直流母线电压控制相对简单，易于扩展。图1.1(b)为基于交流母线方式的RE-DPGS示意图，可再生能源发电单元和储能单元通过电力电子变换器接入交流母线，并经过电力变压器馈入电网[9， 10]。这类系统中并网逆变器分布于各种发电和储能单元中，容量相对较小，可靠性高。
图1.1RE-DPGS网络拓扑结构示意图
1.2.3并网逆变器
从图1.1可以看出，电力电子变换器是RE-DPGS的重要组成部分，其中并网逆变器用来将直流电能转化为高质量的交流电能并馈入电网。作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口，并网逆变器对RE-DPGS的安全、稳定和高质量运行具有十分重要的作用。
1.3LCL型并网逆变器的关键技术
并网逆变器有单相和三相两种，前者主要用于容量较小的户用型发电系统，后者则广泛应用于大规模的基于可再生能源分布式发电站中。并网逆变器通常采用脉冲宽度调制(pulse-width modulation， PWM)策略，其输出PWM电压中存在丰富的开关谐波，为了抑制并网电流中的开关谐波，需要选取合适的输出滤图1.2L滤波器和LCL滤波器及其频率特性波器。输出滤波器主要有L型和LCL型两种，分别如图1.2(a)和(b)所示。其中，L滤波器由单个电感L组成，而LCL滤波器由两个电感L1、L2和一个电容C组成。与L滤波器相比，LCL滤波器中含有滤波电容C，为高频谐波电流提供了旁路通路，在实现相同滤波效果的前提下，LCL滤波器中两个电感的电感量之和小于L滤波器中单个电感的电感量，因此其体积更小，成本更低[11-13]。然而，LCL滤波器的频率响应存在谐振尖峰，同时相位在谐振频率处会发生-180°跳变，如图1.2(c)所示，如果不对这个谐振尖峰进行有效阻尼，就可能造成并网逆变器输出电流振荡甚至导致系统不稳定[14， 15]。因此，近年来针对LCL型并网逆变器，国内外学者展开了广泛的研究。
LCL型并网逆变器需解决的关键问题主要包括并网电流质量和稳定性两大方面，具体如下：
(1) LCL滤波器的设计。为了衰减PWM调制产生的开关谐波，需要选取合理的LCL滤波器参数，以保证并网电流满足谐波标准。为减小滤波器体积，有时可以将两个电感进行磁集成。
(2) LCL滤波器谐振尖峰引起的稳定性问题。LCL滤波器存在谐振尖峰，会影响并网逆变器的稳定性。为保证并网逆变器稳定，需要对该谐振尖峰进行阻尼，并合理设计闭环控制参数。
(3) 数字控制延时引起的稳定性问题。当并网逆变器采用数字控制时，会存在计算延时和调制延时。该延时会改变有源阻尼的特性，并且降低并网电流闭环的控制性能，因此需要采取有效控制策略减小延时的影响。
（4） 电网电压背景谐波对并网逆变器的影响。实际的电网电压连接在公共耦点(point of common coupling，PCC)处，而PCC附近通常连接有本地负载，其中的非线性设备(如弧焊机、电气化轨道交通、饱和变压器等)产生的谐波电流流经线路阻抗，会使PCC处的电网电压含有背景谐波[16]。电网电压背景谐波不仅会影响并网电流的波形质量，还会影响锁相环的锁相性能，需要采取有效措施抑制电网电压背景谐波对并网电流质量和锁相环的影响。
（5） 电网阻抗对并网逆变器稳定性的影响。从PCC处向电网看进去，可将电网等效为一个电压源和线路阻抗，该线路阻抗会影响并网逆变器的稳定性。
针对上述问题，下文将简述国内外研究现状。
1.3.1LCL滤波器设计及其磁集成方法
为衰减PWM调制产生的开关谐波，保证并网电流满足如IEEE Std. 929-2000[17]和IEEE Std. 1547-2003[18]等标准，需要选取合理的LCL滤波器参数。设计LCL滤波器时需考虑三个因素：①并网电流单次谐波和总谐波含量。表1.2给出了IEEE Std. 929-2000和IEEE Std. 1547-2003对并网电流的谐波含量限制，LCL滤波器的参数设计需要满足这些限制条件。②逆变器侧电感电流纹波。为减小逆变器侧电感的磁芯损耗和开关管的导通损耗，通常需要对电感电流纹波的大小进行限制。③滤波电容引入的无功分量。合理控制滤波电容导致的无功分量，有助于减小开关管的电流应力。本书第2章将详细阐述LCL滤波器的设计方法，使其满足上述约束条件。
表1.2并网电流谐波分量最大限值谐波次数h(奇次谐波)
总谐波畸变率占额定并网电流比例
当谐波为偶数次时，其允许的最大谐波限值为表中所示奇次谐波的25%。
为进一步减小LCL滤波器的体积，可以将逆变器侧电感和网侧电感集成起来。磁集成技术在开关电源，特别是DC/DC变换器中已得到广泛应用。根据集成后各磁件之间是否存在耦合，磁集成技术可分为解耦磁集成和耦合磁集成两类[19， 20]。
采用解耦磁集成时，各磁件的绕组所交链的磁通相互独立，集成后各磁件仍然保持着与原分立磁件相同的特性。文献[19]阐述了解耦磁集成的应用机理，即利用无气隙的磁柱作为低磁阻的公共磁路，通过合理的绕组分布，使各绕组交链的磁通在公共磁路上相互抵消，以降低公共磁芯的磁通量，由此可减小公共磁芯截面积，从而减小磁芯体积。基于这一原理，文献[21]将交错并联的准方波DC/DC变换器中两个滤波电感集成在一个磁芯上，文献[22]实现了零电压开关混合DC/DC变换器中两个变压器的集成，文献[23]则实现了LLC谐振变换器中谐振电感和变压器的集成。
采用耦合磁集成时，各磁件的绕组所交链的磁通之间存在一定的耦合，因而集成后的磁件的特性与原分立磁件有所改变。在某些特定的场合，耦合磁集成可以提高变换器的稳态或动态性能[24-28]。例如，通过选取适当的耦合方式，在交错并联的DC/DC变换器中，可以减小电感电流的纹波[24-26]；而在Cuk变换器[27]和多路输出的Buck类DC/DC变换器[28]中，甚至可以实现电感电流的零纹波。
……
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