直流配用电系统的小信号稳定性分析及致稳控制

针对高比例分布式新能源与新型直流负荷的大规模接入，直流配用电系统可有效减少变换环节，提高系统效率，促进新能源就地消纳，是构建新型电力系统的重要途径。东南大学陈武教授等撰写的著作《直流配用电系统的小信号稳定性分析及致稳控制》，从直流配用电系统的稳定性问题出发，采用阻抗分析法介绍了多类型直流配用电系统的稳定性评估、改进和设计方法，顺应了当前“碳达峰、碳中和”这一国家政策和直流配网快速发展的时代背景。 目前，市场上同类书籍多采用基于状态空间的分析方法研究电力系统的稳定性问题。尽管阻抗分析法近年来在学术界受到了广泛关注和青睐，但尚缺乏学术著作全面、系统地介绍阻抗分析法在直流配用电系统中的应用。在当前直流配用电系统示范工程和科技项目不断涌现的背景下，本书不仅可以为从事相关领域研究的学者和工程师提供较为详细全面的理论支持，还可以为现有直流配用电系统的设计和改造提供一定的技术指导。

本书针对直流配用电系统的小信号稳定性问题，从系统建模、稳定判据方法、致稳控制与稳定设计几个层面进行了系统性阐述。本书共10章，除第1章绪论外，其余章节主要分为三个部分：第2章简要介绍了本书所涉及的基本概念和控制原理，重点推导了典型DC-DC变换器和电压源换流器在不同控制方式下的闭环小信号等效模型；第3~8章由浅入深依次探讨了不同类型直流配用电系统的小信号建模与稳定分析方法，同时提出了多种稳定判据及其应用方法；第9、10章则针对直流配用电系统的致稳控制与稳定设计，重点讨论了恒功率负载的输入阻抗重塑方法，以及电压源换流器与直流变压器端口阻抗的设计规范。本书适合从事直流配用电系统及其装备研究、开发和应用的工程技术人员，以及电气工程相关专业高年级本科生、研究生阅读参考。

前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2直流配用电系统小信号稳定性研究现状4
1.2.1基于状态空间模型的特征值分析法4
1.2.2阻抗分析法5
1.3直流配用电系统稳定性提升方法研究现状14
1.3.1基于无源元件的稳定性提升方法15
1.3.2基于源侧虚拟阻抗控制的稳定性提升方法16
1.3.3基于负载侧虚拟阻抗控制的稳定性提升方法17
1.3.4基于振荡抑制设备的稳定性提升方法19
1.4本书的主要内容20
第2章相关控制理论简介与电力电子变换器小信号建模21
2.1相关控制理论的基本概念与频域稳定判据21
2.1.1传递函数21
2.1.2控制系统稳定性的概念与稳定判据22
2.1.3稳定裕度25
2.2网络理论26
2.2.1一端口网络及其等效电路26
2.2.2二端口网络及其参数方程27
2.2.3多端口网络及其参数方程27
2.3DC-DC变换器的小信号建模方法28
2.3.1DC-DC变换器的开环小信号模型28
2.3.2基于单电压环控制的DC-DC变换器小信号模型34
2.3.3基于单电流环控制的DC-DC变换器小信号模型36
2.3.4基于下垂控制的DC-DC变换器小信号模型36
2.3.5基于电压电流双闭环控制的DC-DC变换器小信号模型37
2.4电压源换流器(VSC)的小信号建模方法39
2.4.1VSC的开环小信号模型39
2.4.2基于电压电流双闭环控制的VSC闭环小信号模型43
2.4.3基于P-Q控制的VSC闭环小信号模型46
2.5本章小结48
第3章两变换器级联直流系统稳定分析与判据49
3.1系统建模与稳定性分析49
3.1.1系统小信号模型49
3.1.2小信号稳定性分析50
3.2小信号稳定判据及对比分析51
3.2.1阻抗比判据51
3.2.2反阻抗比判据52
3.2.3阻抗和判据53
3.2.4导纳和判据53
3.2.5母线阻抗判据与无源判据54
3.2.6几类稳定判据的对比分析54
3.3案例分析与实验验证56
3.3.1系统介绍56
3.3.2基于阻抗比判据的稳定性分析57
3.3.3基于反阻抗比判据的稳定性分析58
3.3.4基于阻抗和判据的稳定性分析60
3.3.5基于导纳和判据的稳定性分析60
3.3.6基于母线阻抗的稳定性分析61
3.3.7实验验证62
3.4本章小结63
第4章多变换器单母线直流配用电系统稳定分析与判据64
4.1系统建模与稳定性分析64
4.1.1系统统一形式与小信号模型64
4.1.2小信号稳定性分析66
4.2小信号稳定判据及对比分析67
4.2.1子系统阻抗比判据67
4.2.2全局导纳判据69
4.2.3母线阻抗判据70
4.2.4无右半平面极点型判据71
4.3案例分析与实验验证72
4.3.1案例1：单电压源多负载系统72
4.3.2案例2：基于下垂控制的多电压源直流配用电系统79
4.4本章小结85
第5章分布式直流配用电系统稳定分析与判据87
5.1系统建模与小信号稳定性分析87
5.2基于阻抗行列式的稳定判据90
5.2.1阻抗行列式判据90
5.2.2与其他行列式判据的对比分析91
5.2.3阻抗行列式判据与无右半平面极点型判据的相关性93
5.3基于母线节点阻抗的稳定判据95
5.3.1母线节点阻抗判据95
5.3.2母线节点阻抗判据与母线阻抗判据的相关性96
5.3.3母线节点阻抗判据与阻抗行列式判据的简单比较97
5.4案例分析与实验验证97
5.4.1系统介绍97
5.4.2基于阻抗行列式判据的稳定性分析99
5.4.3基于母线节点阻抗判据的稳定性分析100
5.4.4实验验证101
5.5本章小结103
第6章接入弱电网的直流配用电系统稳定分析与判据105
6.1系统建模105
6.2稳定性分析与基于等效环路增益的稳定判据109
6.3基于子系统的稳定判据113
6.3.1基于交流侧子系统回路比矩阵的稳定判据113
6.3.2基于直流侧子系统阻抗比的稳定判据114
6.3.3四种稳定判据的对比分析115
6.4案例分析与实验验证116
6.4.1系统介绍116
6.4.2基于等效环路增益的稳定性分析117
6.4.3基于子系统的稳定性分析119
6.4.4实验验证121
6.5本章小结123
第7章两电压等级直流配用电系统稳定分析与判据124
7.1三级级联直流系统124
7.1.1系统建模124
7.1.2小信号稳定性分析与稳定判据127
7.1.3子系统稳定性与系统全局稳定性的关系131
7.2两电压等级直流配用电系统133
7.2.1系统建模133
7.2.2稳定性分析139
7.2.3基于等效环路增益的稳定判据142
7.2.4基于子系统阻抗比的稳定判据144
7.2.5基于母线阻抗的稳定判据148
7.3案例分析与实验验证149
7.3.1案例1：三级级联直流系统149
7.3.2案例2：直流变压器采用输出电流控制的两电压等级直流配用电系统159
7.4本章小结167
第8章多电压等级直流配用电系统稳定分析与判据168
8.1级联型多电压等级直流配用电系统168
8.1.1系统建模168
8.1.2系统小信号稳定性分析方法173
8.2并联型多电压等级直流配用电系统176
8.2.1系统建模176
8.2.2系统小信号稳定性分析方法180
8.3案例分析与实验验证182
8.3.1系统介绍182
8.3.2系统稳定性分析182
8.3.3实验验证186
8.4本章小结189
第9章用于提高级联直流系统稳定性的虚拟阻抗控制策略190
9.1级联直流系统不稳定问题与阻抗重塑思路190
9.1.1级联直流系统阻抗特性与失稳机理190
9.1.2阻抗重塑基本思路191
9.2四种提高级联直流系统稳定性的虚拟阻抗控制策略193
9.2.1源侧串联虚拟阻抗控制策略193
9.2.2源侧并联虚拟阻抗控制策略195
9.2.3负载侧串联虚拟阻抗控制策略197
9.2.4负载侧并联虚拟阻抗控制策略199
9.3面向Buck类恒功率负载的功率自适应并联虚拟阻抗控制策略201
9.3.1Buck类恒功率负载的传递函数与输入阻抗特性201
9.3.2自适应并联虚拟阻抗设计202
9.3.3控制器设计与简化203
9.3.4控制器的数字实现205
9.4案例分析与实验验证206
9.4.1系统介绍206
9.4.2系统稳定性与动态特性分析206
9.4.3实验验证209
9.5本章小结210
第10章直流配用电系统阻抗稳定规范211
10.1多类型负载的幅相频率特性211
10.2接入弱电网的直流配用电系统阻抗稳定规范213
10.2.1系统稳定的充分非必要条件213
10.2.2AC-DC变换器的交流侧导纳稳定边界条件214
10.2.3直流侧阻抗稳定边界条件216
10.3多电压等级直流配用电系统阻抗稳定规范217
10.3.1系统稳定的充分非必要条件217
10.3.2直流变压器输出阻抗的稳定边界条件220
10.3.3电压源输出阻抗的稳定边界条件221
10.4案例分析与实验验证223
10.4.1案例1：接入弱电网的直流配用电系统阻抗稳定设计223
10.4.2案例2：多电压等级直流配用电系统阻抗稳定设计229
10.5本章小结231
附录A必要的数学证明与计算233
参考文献237