电力电子技术在电力系统中的应用

本书首先以人类如何利用能源的视角简要地回顾了电力技术的发展史，对直流发电机、交流发电机以及变压器的形成与发展进行了梳理，并讲述了直流电力系统和交流电力系统的发展以及电力电子技术对电力系统发电、输配电和用电负载领域的影响乃至未来电力系统的发展趋势。随后，对电力系统中的相关电功率的概念、定义、相量分析法、坐标变换以及p-q功率分析理论进行了简单的介绍和探讨；在分析谐波产生原因的基础上，就优选控制理论在有源滤波中的应用进行了分析与介绍；简单介绍了当今现代的新型电力传输技术、高压直流输电系统与柔性交流输电系统，并比较了各自的技术特点；简单介绍了新能源发电系统中光伏发电系统与风力发电系统的分类、系统构成及控制方法；介绍了各种新型的储能形式以及分布式发电系统和微电网的构成与特点；很后，简单介绍了电力系统中的计算机仿真技术，主要介绍了MATLAB和PSCAD的基本使用方法。

前言
第1章电力技术发展简史与趋势
1.1电磁学的发展
1.1.1直流电机的产生和发展
1.1.2交流电机的产生和发展
1.1.3变压器的产生和发展
1.2电力系统的形成和发展
1.2.1直流电力系统的形成和发展
1.2.2交流电力系统的形成和发展
1.3电力电子技术对电力系统的影响
1.3.1发电领域
1.3.2输配电领域
1.3.3用电负载领域
1.4电力系统的发展趋势
1.5本书主要内容

第2章电功率基础分析理论
2.1单相交流系统
2.1.1正弦条件下的功率分析法
2.1.2相量分析法
2.1.3非正弦条件下的功率分析法
2.2三相系统中的电功率
2.2.1三相系统的分类
2.2.2对称分量理论
2.2.3三相对称系统中的功率
2.2.4三相不对称系统中的功率
2.3坐标变换
2.3.1坐标变换的数学基础
2.3.2αβ坐标系统
2.4剔除零序分量时的电压和电流矢量
2.5pq功率基础理论
2.5.1三相三线制系统
2.5.2三相四线制系统
2.6本章小结
第3章电能质量优化与调节控制技术
3.1谐波的产生和危害
3.1.1谐波的产生
3.1.2谐波的危害
3.2谐波的治理
3.3无源电力滤波器
3.4有源电力滤波器
3.5谐波电流检测、跟踪补偿控制和直流侧电压控制技术
3.5.1谐波电流检测技术
3.5.2跟踪补偿控制技术
3.5.3直流侧电压控制技术
3.6有源电力滤波器的模糊控制
3.6.1模糊PI复合控制
3.6.2模糊控制器的设计
3.6.3有源电力滤波器的仿真
3.7有源滤波器电流自适应控制研究
3.7.1有源电力滤波器的动力学模型
3.7.2模型参考自适应控制
3.7.3仿真模型的建立及仿真结果与分析
3.8本章小结

第4章新型电力输电技术
4.1直流输电与交流输电系统的性能比较
4.1.1传输性能比较
4.1.2经济性比较
4.2高压直流输电概况
4.2.1国内外现状
4.2.2高压直流输电的分类
4.2.3高压直流输电系统基本架构
4.3换流器工作原理和电路分析
4.3.1单桥换流器运行分析
4.3.2双桥换流器运行分析
4.3.3换流器控制原理和控制特性
4.4高压直流输电的谐波抑制
4.4.1增加换流桥的数量
4.4.2加装滤波器
4.4.3加装平波电抗器
4.4.4加装中性点冲击电容器
4.5柔性交流输电的发展与概况
4.5.1国内外发展现状
4.5.2FACTS控制器的基本类型
4.5.3FACTS控制器的基本原理
4.6变换型FACTS技术
4.6.1静态同步补偿器（STATCOM）
4.6.2静态串联同步补偿器（SSSC）
4.7本章小结

第5章新能源发电系统
5.1光伏发电系统
5.1.1光伏电池的等效电路和基本特性
5.1.2光伏发电系统用变换器
5.1.3MPPT控制策略
5.1.4孤岛效应和反孤岛策略
5.2风力发电系统
5.2.1风力机的数学模型
5.2.2风力发电系统的分类
5.2.3典型风力发电系统及其控制
5.3本章小结

第6章储能系统、分布式发电系统和微电网
6.1储能系统
6.1.1抽水储能
6.1.2压缩空气储能
6.1.3飞轮储能
6.1.4蓄电池储能
6.1.5超导磁体储能
6.1.6超级电容器储能
6.2分布式发电系统
6.2.1分布式发电系统的基本概念和优势
6.2.2分布式发电系统的现状和关键技术
6.2.3分布式发电系统的基本结构
6.3微电网
6.3.1微电网的基本概念和特点
6.3.2微电网的研究现状和基本结构
6.3.3微电网的基本控制方法
6.4本章小结

第7章电力系统中的计算机仿真
7.1MATLAB仿真建模
7.1.1MATLAB和Simulink简介
7.1.2SFunction简介及其应用
7.1.3基于Boost变换器的MPPT仿真
7.1.4基于Boost变换器的PID稳压仿真
7.2PSCAD仿真建模
7.2.1PSCAD/EMTDC仿真环境
7.2.2PSCAD/EMTDC主程序结构与功能
7.2.3PSCAD仿真实例
7.3本章小结
附录A换流阀内部电路仿真建模
附录B控制系统电路仿真建模
参考文献

从发现电磁现象开始，人类就一直在探索如何高效地利用电磁能量来改造自然世界和提高生活品质，从而推动生产力的发展。从伟大的迈克尔·法拉第发现电磁感应定律，并研制出世界上第一台发电机开始，人类就逐步从詹姆斯·瓦特铸就的蒸汽机时代迈向了电气时代。迄今为止，电能一直是被我们所推崇的终端能源形式，自然界中的任何能源，包括太阳能、风能、石油、煤炭、潮汐、声音的波动以及核能，都可以通过相应的光—电、机—电以及压—电等形式转换变成电能，以供各类负载使用，人类开发自然能源和提高其利用率的脚步一刻都不会停歇，并且还会一直持续下去。
    人类最早大规模利用自然能源开发电能，主要采用的是机电能量转换装置。主要的机电能量转换装置有旋转电机和静止变压器。旋转电机可用于火电、风电、潮汐海浪发电等发电系统，而静止变压器则大多应用于输配电系统，承担着传输电能与电压变换的作用。早期的电力系统架构为美国爱迪生提出的直流输电系统，主要用于照明供电。当时，受到材料和拉伸生产技术与工艺的限制，制造的灯泡灯丝较粗，使得灯泡的耐压不能很高。因而，早期的电力系统大多设计成110V低压直流输电系统。该系统由于当时的技术条件而存在诸多缺陷：由于直流无法实现变压（即进行提高电压后传输）从而使得长距离传输电能变得异常困难，必须每隔一段距离增加相同容量的发电机组来弥补线路上的电压损失，因而投资巨大且可靠性低。交流电的出现，使得电压变换变得相对容易，通过电力变压器就可将发电机输出的交流电压进行提高，从而实现电能的远距离传输。
    电力电子学的诞生和发展推动了电力系统的进步和技术革新。面对能源危机，在倡导可持续发展和绿色能源的今天，光伏、风力发电等新能源发电技术，新型高压直流输电与柔性交流输电技术、有源滤波、无功补偿等谐波治理，以及分布式发电与储能技术等均建立在电力电子相关技术的基础之上。可以预见，电力电子技术正以令人难以置信的迅猛速度逐步深入到国民经济的各个领域，发挥着重要的作用。
    本书是作者近年来在讲授IT专业选修课程“电机运动控制简史及发展趋势”、“智能电网技术的发展与未来”以及“电力电子在电力系统中的应用”等课程后的阶段性总结。书中对电气学科的发展历史做了较为全面的回顾，对涉及电力系统的相关分析理论做了初步的梳理。在此基础上，结合当前电力系统的发展介绍了电力系统中相关的电力电子技术，如电能质量优化与调节控制技术，高压直流输电与柔性交流输电技术，光伏发电、风力发电新能源技术，储能装置、分布式发电及微网，以及电力系统中的计算机仿真技术等。
    本书为体现电力系统发展过程中相关电力电子技术的主流，本着通俗易懂、深入浅出的原则，对涉及电力系统领域的相关电力电子技术进行了较为全面的归纳总结。全书遵循先整体了解学科历史与发展、并在掌握电功率基础分析理论的基础上，再逐一介绍相关技术的原则进行编写。经过编者的多次商榷探讨，最终全书共分7个章节，较为全面地介绍了相关领域内的专业知识。在撰写安排上，全书的大部分章节由戴卫力副教授进行编写整理，其中，费峻涛教授在总结自身研究成果的基础上完成了书稿的第3章。研究生唐伟、侯世玺、丁骏、琪、田浩，本科生荀倩、任亮亮、刘晨和薛伟民等同学完成了本书中的第3章、第5章和第7章中的部分仿真工作，并进行了相关的整理和校对。全书由戴卫力老师进行了统稿与校验工作。同时，为了便于各位老师的教学工作，本书专门配备了电子课件。凡选用本书30册及以上作为教材的授课老师，我们都会免费赠送电子课件，联系的电子信箱是buptzjh@163com。
    在撰写本书的过程中，得到了许多老师、同学，还有社会各界人士的无私帮助。在此，致以诚挚的谢意。感谢相海涛博士提供了部分光伏发电的参考资料，感谢研究生侯世玺、唐伟、丁骏、田浩、琪，本科生荀倩、任亮亮、刘晨以及薛伟民所做的仿真工作以及文稿排版和文字图形校对工作。同时，本书在编写的过程中参考了大量近年来出版的专业书籍和发表的专业论文及其他相关资料，在此对参考文献的各位作者表示衷心的感谢！另外，由于编者平时还承担了大量的教学工作，使得本书的成稿时间一再后延，出版社的张俊红老师从中协调，给予了充分的理解，在此一并表示感谢！
    尽管作者试图对应用于电力系统中的相关电力电子技术做个全面、准确和详细的阐述，但限于编者的理解能力、专业水平和经验，加之投入撰写的时间有限，书中难免存在错漏之处，在此，恳请广大同行、读者能够谅解，并给予批评指正。
    电力电子技术在电力系统中的应用编者于常州