本書是在上海交通大學本科課程“微電網(wǎng)控制系統(tǒng)綜合實驗”迭代多年的講義基礎上，結(jié)合作者科研實踐凝練而成，重點聚焦電力電子變流器及其所構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模及控制基礎理論；同時精心設計了由淺入深、貼合實際的多個仿真任務，力求使讀者能充分理解典型微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行原理，并能深刻體會其技術優(yōu)勢及不足。
教材系統(tǒng)介紹了微電網(wǎng)中常見變流器的等效建模和分析設計方法，以及多變流器之間的協(xié)調(diào)原理和控制策略，共分9章：緒論、微電網(wǎng)中的變流器、電流控制型DC-AC變流器、電壓控制型DC-AC變流器、微電網(wǎng)主從控制、微電網(wǎng)下垂控制、微電網(wǎng)二次控制、直流微電網(wǎng)及綜合應用實例。每章后為應用仿真實踐。
本書可以作為高等院校電氣工程及其自動化專業(yè)的本科生教材，也能夠為新能源發(fā)電、微電網(wǎng)領域的研究生及工程技術人員提供幫助。
聚焦電力電子變流器及其所構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模及控制基礎理論，重點講解微電網(wǎng)中常見變流器的等效建模和分析設計方法，以及多變流器之間的協(xié)調(diào)原理和控制策略；并結(jié)合作者多年科研實踐凝練而成。
由淺入深精心設計貼合實際的多個仿真任務，力求使讀者能充分理解典型微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行原理，并能深刻體會其技術優(yōu)勢及缺陷。
可以作為高等院校電氣工程及其自動化專業(yè)的本科生教材，也能夠為新能源并網(wǎng)發(fā)電、微電網(wǎng)領域的研究生或相關工程技術人員提供參考。
前言
Preface
為應對日益嚴峻的全球變暖、能源短缺問題，以風電和光伏為代表的可再生能源發(fā)電技術受到了廣泛關注并得到了快速發(fā)展。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2023年上半年，我國可再生能源發(fā)電累計裝機容量已突破13億kW，歷史性地超過了煤電比重；而其中風電與光伏發(fā)電達到了8.59億kW，約為36個三峽電站的總裝機容量，已成為可再生能源發(fā)電的主要貢獻力量。
然而，風力與光伏發(fā)電具有較強的隨機性和波動性，如果采用集中發(fā)電和遠距離輸送的傳統(tǒng)形式，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來較大風險。在此背景下，微電網(wǎng)概念得以提出：作為一個“五臟俱全”的小型電力生態(tài)系統(tǒng)，微電網(wǎng)完整涵蓋了分布式電源、儲能及負荷，并通過電力電子變流器加以連接和控制。微電網(wǎng)既可以并入大電網(wǎng)協(xié)同工作，也能夠脫離大電網(wǎng)孤島運行，這些特性緩解了可再生能源對大電網(wǎng)的沖擊，也有助于可再生能源的本地消納，并能極大提升區(qū)域供電質(zhì)量和輸電效率。
如今，微電網(wǎng)技術已成為學術界與工業(yè)界的研究熱點，實際工程也在如火如荼地建設中。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行機制較為復雜，所涉及的電氣工程知識體系跨度大，現(xiàn)有文獻多關注復雜而先進的控制策略，使得剛接觸該領域的讀者往往會出現(xiàn)難以理解、無從上手等問題。在此背景下，亟需一本深入淺出、系統(tǒng)梳理微電網(wǎng)建模與控制相關基礎理論的教材，幫助讀者加深對微電網(wǎng)特性的理解，并初步具備對其分析和設計的能力。
教材共分為9章5個模塊：第1章概述了微電網(wǎng)的提出背景、概念、意義、分類與現(xiàn)狀，旨在幫助讀者建立對微電網(wǎng)技術的宏觀認識；第2～4章聚焦微電網(wǎng)中單個電力電子變流器的原理和控制，首先講解了拓撲、脈沖寬度調(diào)制、坐標變換等基礎知識，并分別針對最常見的電流控制型和電壓控制型兩類DC-AC變流器展開介紹；第5～7章聚焦微電網(wǎng)中多個電力電子變流器的協(xié)同和控制，對主從控制、下垂控制、二次控制等經(jīng)典協(xié)同方法進行了細致的推導與分析，并就具體應用場景中存在的局限性進行了討論；第8章簡要介紹了直流微電網(wǎng)中變流器的控制及協(xié)同方法，旨在豐富讀者對不同微電網(wǎng)類型的認知；第9章通過結(jié)合一個實際微電網(wǎng)系統(tǒng)的分析設計案例，給出了仿真任務和實驗現(xiàn)象，讓讀者可以融會貫通本書所涵蓋的知識要點。
本書由上海交通大學馬柯任主編，梁克靖、許少倫任副主編，王嘉石、唐為禹、曹思語、朱文杰四位研究生參與了本書的章節(jié)設計及編寫工作。
受限于編者水平，書中難免有疏漏和不妥之處，懇請讀者批評指正。
編者
2023年7月于上海交通大學
馬柯，上海交通大學長聘副教授、博導，電力傳輸與功率變換控制重點實驗室副主任。研究方向為電力電子可靠性測評技術及其在可再生能源領域應用，以第一或通訊作者發(fā)表中科院一區(qū)SCI期刊論文50余篇、獲授權(quán)中國發(fā)明專利30余項。入選國家高層次青年人才計劃、愛思唯爾“中國高被引學者”，獲歐洲風能學會“優(yōu)秀青年風能博士獎”、中國電源學會“優(yōu)秀青年獎”、臺達科教發(fā)展計劃“中達青年學者獎”，以及數(shù)個國內(nèi)外論文獎勵。目前擔任2個IEEE專委會副主席、3個IEEE Transaction期刊副主編/編委、電源學報編委。
梁克靖，高校創(chuàng)業(yè)指導師，實驗師，上海交通大學能源互聯(lián)網(wǎng)科普教育基地常務副主任，從事工業(yè)自動化、人機交互、能源互聯(lián)網(wǎng)、科研資源科普轉(zhuǎn)化方面的研究工作以及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽指導。作為主要成員承擔國家自然基金科普專項2項，省部級科普專項1項，獲省部級科普獎勵1項;指導學生獲中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎1項、銀獎1項；國家級、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃3項、5項。
許少倫，博士，高級工程師，現(xiàn)任上海交通大學電氣工程實驗教學中心主任、閔行區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)科普教育基地主任，負責電氣工程學科的專業(yè)實踐教學工作，同時從事電動汽車充電管理、微電網(wǎng)、運動控制方面的研究工作以及學生實踐創(chuàng)新指導。策劃建設的2門虛擬仿真實驗均獲上海市一流課程稱號，發(fā)表SCI、EI、教改論文等20余篇，主持多項省級和校級教學改革項目，主編教材4本。曾獲上海市教學成果獎二等獎3項、上海交通大學教學成果獎一等獎3項、上海交通大學卓越獎勵計劃、晨星計劃、實驗室先進工作者、招生先進個人等稱號，指導學生獲全國大學生電子設計競賽國家一等獎4項、上海市一等獎10余項，并獲優(yōu)秀組織獎、優(yōu)秀指導教師。
目錄
Contents
前言
第1章緒論
1.1微電網(wǎng)技術的提出背景
1.1.1分布式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
1.1.2微電網(wǎng)的概念及意義
1.1.3微電網(wǎng)的構(gòu)成要素及分類
1.1.4國內(nèi)外微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
1.2微電網(wǎng)控制系統(tǒng)概述
1.2.1變流器本地控制
1.2.2微電網(wǎng)協(xié)同控制
1.2.3上層系統(tǒng)交互
參考文獻
第2章微電網(wǎng)中的變流器
2.1微電網(wǎng)中常見的電力電子變流器拓撲
2.1.1不同輸入輸出電壓類型的變流器
2.1.2不同輸出電平數(shù)的變流器
2.2微電網(wǎng)中的DC-AC功率變換
2.2.1單相及三相DC-AC功率變換
2.2.2電流控制型及電壓控制型DC-AC功率變換
2.3DC-AC變流器的脈沖寬度調(diào)制
2.3.1變流器PWM環(huán)節(jié)及半橋電路的數(shù)學建模
2.3.2變流器空間矢量調(diào)制及等效
2.4三相交流系統(tǒng)坐標變換
2.4.1從abc坐標系到αβ0坐標系
2.4.2從αβ0坐標系到dq0坐標系
2.4.3三相交流系統(tǒng)坐標變換案例
2.5仿真任務：三相DC-AC變流器電壓開環(huán)控制
參考文獻
第3章電流控制型DC-AC變流器
3.1電流濾波器的設計及建模
3.1.1電感濾波器的紋波計算
3.1.2電感濾波器的dq0坐標系建模
3.2電流型DC-AC變流器的控制理論
3.2.1電流控制系統(tǒng)架構(gòu)
3.2.2鎖相環(huán)
3.2.3電流控制器
3.2.4控制參數(shù)設計
3.3高階電流濾波器
3.3.1LCL濾波器的頻域特性
3.3.2LCL濾波器的參數(shù)設計
3.4仿真任務：電流控制型并網(wǎng)逆變器設計
參考文獻
微電網(wǎng)建模與控制基礎
目錄第4章電壓控制型DC-AC變流器
4.1電壓型變流器的設計及建模
4.1.1LC濾波器設計
4.1.2帶LC型濾波器DC-AC變流器的dq0坐標系模型
4.2電壓控制系統(tǒng)
4.2.1電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
4.2.2電壓控制系統(tǒng)參數(shù)設計
4.3仿真任務：電壓控制型變流器設計
參考文獻
第5章微電網(wǎng)主從控制
5.1單臺變流器的恒功率控制
5.1.1三相系統(tǒng)的瞬時功率計算
5.1.2三相DC-AC變流器的功率控制
5.2基于負載電流的主從控制
5.3無負載電流采樣的主從控制
5.4仿真任務：多臺變流器的主從控制器設計
參考文獻
第6章微電網(wǎng)下垂控制
6.1線路功率傳輸方程推導
6.1.1線路的簡化與電流的推導
6.1.2不同電壓等級下線路特性
6.2感性線路下垂控制原理及下垂曲線
6.2.1頻率-有功下垂方程的推導
6.2.2電壓-無功下垂方程的推導
6.2.3下垂特性系數(shù)的選取
6.2.4變流器下垂控制實現(xiàn)方法
6.3感性線路下垂控制的功率分配特性
6.3.1下垂控制有功功率自主分配機制
6.3.2下垂控制無功功率自主分配機制
6.4阻性線路中的下垂控制
6.4.1阻性線路下的下垂控制原理
6.4.2阻性線路下的下垂控制功率分配特性
6.5仿真任務：多臺電壓控制型變流器的下垂控制設計
參考文獻
第7章微電網(wǎng)二次控制
7.1微電網(wǎng)分層控制策略
7.1.1分層控制策略概述
7.1.2二次控制的目標與分類
7.2用于電壓幅值和頻率校正的集中式二次控制
7.2.1下垂控制中的電壓幅值和頻率偏差問題
7.2.2電壓幅值和頻率校正的集中式二次控制結(jié)構(gòu)
7.3用于無功功率分配補償?shù)募惺蕉慰刂?br>7.3.1下垂控制中的無功功率分配問題
7.3.2無功分配的集中式二次控制結(jié)構(gòu)
7.4分布式二次控制
7.4.1分布式二次控制概述
7.4.2復雜通信系統(tǒng)下的分布式二次控制
7.4.3簡化通信系統(tǒng)下的分布式二次控制
7.5仿真任務：多臺電壓控制型變流器的二次控制設計
參考文獻
第8章直流微電網(wǎng)
8.1直流微電網(wǎng)簡介
8.2單臺變流器的控制方式
8.2.1調(diào)制算法
8.2.2電壓控制
8.3直流微電網(wǎng)的控制
8.3.1直流微電網(wǎng)控制架構(gòu)
8.3.2直流下垂控制
8.3.3直流二次控制
8.4仿真任務：雙有源全橋DC-DC變流器的設計
參考文獻
第9章綜合應用實例
9.1實際微電網(wǎng)的應用情況
9.2案例設計要求
9.3參考實現(xiàn)案例
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