电力电子并网变流器运行韧性分析及控制

随着大规模新能源并网发电、大容量直流输电技术的应用，传统电力系统正在向以半导体材料为基础的电力电子化电力系统转变。大功率电力电子并网变流器的安全稳定运行已成为电力系统可靠运行的重要保证。
本书提出电力电子并网变流器的运行韧性概念，系统性地描述其在电网扰动下的运行特性。面向新能源并网、直流输电等应用需求，从系统聚合建模出发，揭示电网扰动下并网变流器的动态响应机理，分析并网变流器受扰运行时的稳定问题和非线性运行问题，提出并网变流器安全运行域分析方法及改进控制策略。
本书可供从事新能源发电、电力电子工程技术方面和从事电力电子化电力系统方面的科研人员、教师、工程师等参考。

前言 i
目录 iii
第1章 绪论 1
1.1 大功率电力电子技术发展概述 2
1.2 电力电子并网变流器应用现状 5
1.2.1 在新能源发电中的应用 5
1.2.2 在直流输电中的应用 7
1.2.3 在电能质量治理中的应用 9
1.3 电力电子并网变流器运行挑战 11
1.3.1 电网强弱程度影响 12
1.3.2 电网故障扰动的影响 13
1.3.3 新能源发电并网导则要求 15
1.4 电力电子并网变流器运行韧性 17
1.4.1 电力电子并网变流器运行韧性概念 17
1.4.2 电力电子并网变流器安全运行边界 20
第2章 电力电子并网变流器及其控制 23
2.1 电压源变流器概述 24
2.1.1 电压源变流器拓扑结构 24
2.1.2 电压源变流器主电路数学模型 25
2.1.3 电压源变流器控制 26
2.1.4 脉宽调制 30
2.2 模块化多电平变流器概述 34
2.2.1 模块化多电平变流器拓扑结构 34
2.2.2 模块化多电平变流器主电路数学模型 36
2.2.3 模块化多电平变流器控制 37
2.2.4 最近电平逼近调制 43
2.3 并网变流器电网同步控制 44
2.3.1 电网跟踪型控制 44
2.3.2 电网构造型控制 45
第3章 规模化并网变流器同调等值聚合方法 49
3.1 并网变流器的哈密顿模型 50
3.1.1 哈密顿原理在电路系统中的应用 51
3.1.2 并网变流器的哈密顿建模 53
3.1.3 并网变流器的广义哈密顿作用量 54
3.2 基于广义哈密顿作用量的同调判别方法 56
3.2.1 基于广义哈密顿作用量的同调判据 56
3.2.2 实用化变流器同调判据 57
3.2.3 广义哈密顿作用量比例判据的应用及讨论 59
3.3 基于同调变流器单机聚合的等值方法及其适用场景 61
3.3.1 单机聚合模型及参数聚合方法 61
3.3.2 同调变流器单机聚合模型的效果验证 63
3.3.3 单机聚合模型的适用场景分析 69
第4章 并网变流器同步稳定性分析 73
4.1 锁相环的准确小信号模型 74
4.1.1 锁相环非线性模型 74
4.1.2 锁相环准确线性化模型 76
4.2 锁相环准稳态分析 79
4.2.1 锁相环准稳态时域模型 79
4.2.2 变流器输出有功功率/无功功率状态下的锁相环暂态过程解析 81
4.2.3 锁相环稳定边界 86
4.2.4 准稳态时域模型的误差分析 91
4.3 锁相同步控制的并网变流器大信号稳定性分析 93
4.3.1 李雅普诺夫稳定性理论应用 93
4.3.2 系统大信号模型 95
4.3.3 系统大信号稳定性分析 97
4.4 功率同步控制的并网变流器大信号稳定性分析 99
4.4.1 系统大信号模型 99
4.4.2 系统大信号稳定性分析 101
4.4.3 电网构造型/跟踪型变流系统参数影响对比分析 103
第5章 并网变流器运行边界 105
5.1 电网相位扰动下并网变流器暂态响应 106
5.2 并网变流器电流控制状态空间模型 110
5.2.1 子模块电容电压波动动态方程 112
5.2.2 桥臂电流动态方程 113
5.2.3 电流控制方程 115
5.3 并网变流器电流控制多约束运行域 116
5.3.1 稳定边界 117
5.3.2 调制边界 119
5.3.3 功率传输边界 122
5.3.4 多约束运行域 122
5.3.5 参数影响分析 123
5.4 运行边界验证 126
5.4.1 仿真验证 126
5.4.2 参数对运行边界影响验证 131
5.4.3 实验验证 132
第6章 并网变流器中控制交互作用 137
6.1 电网阻抗变化时控制交互机理 138
6.1.1 交互现象 138
6.1.2 机理分析 141
6.2 考虑交互作用的小信号分析 145
6.2.1 小信号模型 145
6.2.2 稳定性分析 148
6.3 验证 149
6.3.1 仿真验证 149
6.3.2 实验验证 154
第7章 不对称电网条件下并网变流器运行边界 157
7.1 不对称电网条件下并网变流器稳定边界 158
7.1.1 小信号模型 159
7.1.2 稳定边界 171
7.1.3 仿真验证 175
7.2 不对称电网条件下并网变流器暂态电流峰值 177
7.2.1 不对称电网条件下的MMC暂态电流特性 178
7.2.2 暂态运行边界 182
7.2.3 仿真验证 184
第8章 并网变流器运行韧性提升策略 189
8.1 并网变流器锁相环输出限幅策略 190
8.1.1 基于阻尼的系统控制参数设计 190
8.1.2 基于时域解析稳定域的锁相环输出限幅 195
8.2 并网变流器电流动态限幅策略 204
8.2.1 稳定性运行约束 204
8.2.2 器件耐受电流约束 206
8.2.3 重合闸时外环积分约束 207
8.3 不对称电网条件下电流限幅策略 213
8.3.1 不同电压跌落程度下的电流指令范围 213
8.3.2 限幅方案设计 215
参考文献 219