本書是在上海交通大學(xué)本科課程“微電網(wǎng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”迭代多年的講義基礎(chǔ)上，結(jié)合作者科研實(shí)踐凝練而成，重點(diǎn)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(chǔ)理論；同時(shí)精心設(shè)計(jì)了由淺入深、貼合實(shí)際的多個(gè)仿真任務(wù)，力求使讀者能充分理解典型微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，并能深刻體會(huì)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)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(yīng)用實(shí)例。每章后為應(yīng)用仿真實(shí)踐。
本書可以作為高等院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生教材，也能夠?yàn)樾履茉窗l(fā)電、微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究生及工程技術(shù)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(chǔ)理論，重點(diǎn)講解微電網(wǎng)中常見變流器的等效建模和分析設(shè)計(jì)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(shí)踐凝練而成。
由淺入深精心設(shè)計(jì)貼合實(shí)際的多個(gè)仿真任務(wù)，力求使讀者能充分理解典型微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，并能深刻體會(huì)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)及缺陷。
可以作為高等院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生教材，也能夠?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)發(fā)電、微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究生或相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。
前言
Preface
為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的全球變暖、能源短缺問(wèn)題，以風(fēng)電和光伏為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)受到了廣泛關(guān)注并得到了快速發(fā)展。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2023年上半年，我國(guó)可再生能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已突破13億kW，歷史性地超過(guò)了煤電比重；而其中風(fēng)電與光伏發(fā)電達(dá)到了8.59億kW，約為36個(gè)三峽電站的總裝機(jī)容量，已成為可再生能源發(fā)電的主要貢獻(xiàn)力量。
然而，風(fēng)力與光伏發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，如果采用集中發(fā)電和遠(yuǎn)距離輸送的傳統(tǒng)形式，將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，微電網(wǎng)概念得以提出：作為一個(gè)“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(chǔ)能及負(fù)荷，并通過(guò)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(yùn)行，這些特性緩解了可再生能源對(duì)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(shù)已成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，實(shí)際工程也在如火如荼地建設(shè)中。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制較為復(fù)雜，所涉及的電氣工程知識(shí)體系跨度大，現(xiàn)有文獻(xiàn)多關(guān)注復(fù)雜而先進(jìn)的控制策略，使得剛接觸該領(lǐng)域的讀者往往會(huì)出現(xiàn)難以理解、無(wú)從上手等問(wèn)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(guān)基礎(chǔ)理論的教材，幫助讀者加深對(duì)微電網(wǎng)特性的理解，并初步具備對(duì)其分析和設(shè)計(jì)的能力。
教材共分為9章5個(gè)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(duì)微電網(wǎng)技術(shù)的宏觀認(rèn)識(shí)；第2～4章聚焦微電網(wǎng)中單個(gè)電力電子變流器的原理和控制，首先講解了拓?fù)�、脈沖寬度調(diào)制、坐標(biāo)變換等基礎(chǔ)知識(shí)，并分別針對(duì)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(gè)電力電子變流器的協(xié)同和控制，對(duì)主從控制、下垂控制、二次控制等經(jīng)典協(xié)同方法進(jìn)行了細(xì)致的推導(dǎo)與分析，并就具體應(yīng)用場(chǎng)景中存在的局限性進(jìn)行了討論；第8章簡(jiǎn)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(duì)不同微電網(wǎng)類型的認(rèn)知；第9章通過(guò)結(jié)合一個(gè)實(shí)際微電網(wǎng)系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)案例，給出了仿真任務(wù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓讀者可以融會(huì)貫通本書所涵蓋的知識(shí)要點(diǎn)。
本書由上海交通大學(xué)馬柯任主編，梁克靖、許少倫任副主編，王嘉石、唐為禹、曹思語(yǔ)、朱文杰四位研究生參與了本書的章節(jié)設(shè)計(jì)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(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編者
2023年7月于上海交通大學(xué)
馬柯，上海交通大學(xué)長(zhǎng)聘副教授、博導(dǎo)，電力傳輸與功率變換控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。研究方向?yàn)殡娏﹄娮涌煽啃詼y(cè)評(píng)技術(shù)及其在可再生能源領(lǐng)域應(yīng)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(guó)發(fā)明專利30余項(xiàng)。入選國(guó)家高層次青年人才計(jì)劃、愛(ài)思唯爾“中國(guó)高被引學(xué)者”，獲歐洲風(fēng)能學(xué)會(huì)“優(yōu)秀青年風(fēng)能博士獎(jiǎng)”、中國(guó)電源學(xué)會(huì)“優(yōu)秀青年獎(jiǎng)”、臺(tái)達(dá)科教發(fā)展計(jì)劃“中達(dá)青年學(xué)者獎(jiǎng)”，以及數(shù)個(gè)國(guó)內(nèi)外論文獎(jiǎng)勵(lì)。目前擔(dān)任2個(gè)IEEE專委會(huì)副主席、3個(gè)IEEE Transaction期刊副主編/編委、電源學(xué)報(bào)編委。
梁克靖，高校創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)師，實(shí)驗(yàn)師，上海交通大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)科普教育基地常務(wù)副主任，從事工業(yè)自動(dòng)化、人機(jī)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽指導(dǎo)。作為主要成員承擔(dān)國(guó)家自然基金科普專項(xiàng)2項(xiàng)，省部級(jí)科普專項(xiàng)1項(xiàng)，獲省部級(jí)科普獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng);指導(dǎo)學(xué)生獲中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)1項(xiàng)、銀獎(jiǎng)1項(xiàng)；國(guó)家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃3項(xiàng)、5項(xiàng)。
許少倫，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任上海交通大學(xué)電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任、閔行區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)科普教育基地主任，負(fù)責(zé)電氣工程學(xué)科的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)工作，同時(shí)從事電動(dòng)汽車充電管理、微電網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制方面的研究工作以及學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新指導(dǎo)。策劃建設(shè)的2門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)均獲上海市一流課程稱號(hào)，發(fā)表SCI、EI、教改論文等20余篇，主持多項(xiàng)省級(jí)和校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目，主編教材4本。曾獲上海市教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、上海交通大學(xué)教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、上海交通大學(xué)卓越獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃、晨星計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)工作者、招生先進(jìn)個(gè)人等稱號(hào)，指導(dǎo)學(xué)生獲全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽國(guó)家一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、上海市一等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，并獲優(yōu)秀組織獎(jiǎng)、優(yōu)秀指導(dǎo)教師。
目錄
Contents
前言
第1章緒論
1.1微電網(wǎng)技術(shù)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(guó)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(xiàn)
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?fù)?br>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(xué)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(biāo)變換
2.4.1從abc坐標(biāo)系到αβ0坐標(biāo)系
2.4.2從αβ0坐標(biāo)系到dq0坐標(biāo)系
2.4.3三相交流系統(tǒng)坐標(biāo)變換案例
2.5仿真任務(wù)：三相DC-AC變流器電壓開環(huán)控制
參考文獻(xiàn)
第3章電流控制型DC-AC變流器
3.1電流濾波器的設(shè)計(jì)及建模
3.1.1電感濾波器的紋波計(jì)算
3.1.2電感濾波器的dq0坐標(biāo)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(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)
3.4仿真任務(wù)：電流控制型并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
微電網(wǎng)建模與控制基礎(chǔ)
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(shè)計(jì)及建模
4.1.1LC濾波器設(shè)計(jì)
4.1.2帶LC型濾波器DC-AC變流器的dq0坐標(biāo)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(shè)計(jì)
4.2.2電壓控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
4.3仿真任務(wù)：電壓控制型變流器設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
第5章微電網(wǎng)主從控制
5.1單臺(tái)變流器的恒功率控制
5.1.1三相系統(tǒng)的瞬時(shí)功率計(jì)算
5.1.2三相DC-AC變流器的功率控制
5.2基于負(fù)載電流的主從控制
5.3無(wú)負(fù)載電流采樣的主從控制
5.4仿真任務(wù)：多臺(tái)變流器的主從控制器設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
第6章微電網(wǎng)下垂控制
6.1線路功率傳輸方程推導(dǎo)
6.1.1線路的簡(jiǎn)化與電流的推導(dǎo)
6.1.2不同電壓等級(jí)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(dǎo)
6.2.2電壓-無(wú)功下垂方程的推導(dǎo)
6.2.3下垂特性系數(shù)的選取
6.2.4變流器下垂控制實(shí)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(jī)制
6.3.2下垂控制無(wú)功功率自主分配機(jī)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(wù)：多臺(tái)電壓控制型變流器的下垂控制設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
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(biāo)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(wèn)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(wú)功功率分配補(bǔ)償?shù)募惺蕉慰刂?br>7.3.1下垂控制中的無(wú)功功率分配問(wèn)題
7.3.2無(wú)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(fù)雜通信系統(tǒng)下的分布式二次控制
7.4.3簡(jiǎn)化通信系統(tǒng)下的分布式二次控制
7.5仿真任務(wù)：多臺(tái)電壓控制型變流器的二次控制設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
第8章直流微電網(wǎng)
8.1直流微電網(wǎng)簡(jiǎn)介
8.2單臺(tái)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(wù)：雙有源全橋DC-DC變流器的設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
第9章綜合應(yīng)用實(shí)例
9.1實(shí)際微電網(wǎng)的應(yīng)用情況
9.2案例設(shè)計(jì)要求
9.3參考實(shí)現(xiàn)案例
書單推薦
