构网型功率变流器——控制与应用

本书讨论了基于逆变器电源应用的构网型变流器，描述了构网型变流器的工作原理、数学模型、控制策略，以及电网接入构网型变流器面临的挑战（如低惯量系统和弱电网特性）和应用案例等。本书不仅向读者展示了构网型变流器和跟网型变流器的本质区别，还向读者介绍了构网型变流器在工程应用中的若干关键技术问题及解决办法，使读者能够全面掌握构网型变流器相关的基础知识，为构网型变流器的研发和应用提供理论依据。本书适合作为电气工程与储能领域的工程技术与科研开发人员的研究与工程应用参考书，也适合作为电气能源类专业高年级本科生、研究生的教学参考书。也适合从事电力电子技术、电力系统分析的工程师和科研人员阅读。

Nabil Mohammed博士是莫纳什大学的博士后研究员。他获得了澳大利亚新南威尔士州悉尼市麦考瑞大学的电力电子专业博士学位。2019年夏，他在丹麦奥尔堡大学能源技术系任客座研究员。他的研究方向包括电力电子变换器、可再生能源发电和一体化电力系统、微电网、储能和管理系统，以及电力系统的建模和控制。Hassan Haes Alhelou教授是IEEE的高级成员。他在莫纳什大学（Clayton校区）电气和计算机系统工程系工作。同时，他还是叙利亚蒂什林大学的教授，也是阿曼卡布斯苏丹大学的顾问。在此之前，他在爱尔兰都柏林大学（UCD）电气与电子工程学院工作，2020—2021年，他在伊朗伊斯法罕理工大学（IUT）工作。他于2011年在蒂什林大学获得学士学位，之后在伊斯法罕理工大学获得硕士和博士学位，期间获得多项荣誉。他入选了2018年和2019年Publons and Web of Science (WoS)全球工程和交叉领域前1%的最佳审稿人和研究人员名单。他是2011年在埃及亚历山大大学举办的阿拉伯学生论坛创意最佳年轻研究人员获得者，总共有来自16个国家的61名研究人员参评。他还获得了CSEE Journal of Power and Energy Systems （SCI IF: 3.938; Q1）2021/2022年度优秀论文奖。他在高质量期刊和国际会议上发表了200多篇研究论文。他的研究论文被引用2550次，其中H指数为26，i指数为56。他独著/参编了15本书，这些书在Springer、IET、Wiley、Elsevier、Taylor & Francis Group等知名出版社出版。他在IEEE Systems Journal，Computers and Electrical Engineering（CAEE-Elsevier），IET Journal of Engineering以及 Smart Cities等多个著名期刊担任编辑。他还在IEEE Transactions on Power Systems，IEEE Transactions on Smart Grid，IEEE Transactions on Industrial Informatics，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Energy Conversion and Management，Applied Energy和 International Journal of Electrical Power & Energy Systems等知名期刊发表了800多篇评论。他参与了超过15个国际工业项目。他的主要研究方向是可再生能源系统，电力系统，电力系统安全，电力系统动力学，电力系统网络安全，电力系统运行、控制、动态状态估计、频率控制，智能电网，微电网，响应要求和负荷削减。Behrooz Bahrani博士是澳大利亚墨尔本莫纳什大学电网创新中心的一名高级讲师和负责人。他分别于2006年获得伊朗德黑兰谢里夫理工大学的理学学士学位；2008年获得加拿大安大略省多伦多市多伦多大学的理学硕士学位；2012年获得瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的电气工程博士学位。2012年9月至2015年9月，他曾是瑞士洛桑联邦理工学院、美国印第安纳州西拉斐特普渡大学、美国佐治亚州亚特兰大佐治亚理工学院及德国慕尼黑工业大学的博士后研究员。他的研究方向包括电力电子变换器控制、电力电子变换器在电力系统中的应用，以及可再生能源接入集成逆变器电源。

译者序原书序原书前言作者简介本书简介第1章　构网型变流器介绍11.1　概述11.2　虚拟同步发电机31.3　跟网型变流器和构网型变流器31.4　跟网型变流器和构网型变流器比较51.5　框架建模71.6　构网型变流器控制方法81.7　构网型变流器面临的挑战91.8　讨论101.9　总结11参考文献11第2章　构网型变流器的规范和并网标准142.1　引言142.2　高占比逆变器电源的系统稀缺性和稳定性问题142.3　构网型变流器、跟网型变流器和同步电源的比较：系统服务视角162.4　构网型变流器的系统服务和性能要求182.5　构网型变流器大规模集成面临的挑战222.6　构网型变流器在电力系统中大规模应用的路径232.7　构网型变流器并网导则的现状和进展252.8　总结30参考文献30第3章　电力系统中构网型变流器的要求343.1　引言：背景与驱动因素343.2　频率响应与控制353.2.1　惯量353.2.2　一次频率与下垂控制373.2.3　快速频率响应383.2.4　实现构网能力所需的能量储备/储存383.3　有功功率要求403.4　快速故障电流注入和短路贡献403.5　故障穿越413.5.1　电压穿越413.5.2　频率穿越423.6　无功功率要求与电压调节433.7　黑启动与孤岛运行44参考文献45第4章　构网型变流器的性能需求和通用模型474.1　引言474.2　不同构网控制类型的相似性484.2.1　B型下垂构网控制494.2.2　构网控制比较524.3　面向构网型变流器性能的互连要求544.4　用于大系统研究的通用模型发展584.5　总结64参考文献64第5章　构网型变流器的建模与控制675.1　引言675.2　构网型变流器基本定义685.3　构网型变流器建模705.4　构网型变流器控制715.4.1　构网型变流器通用控制结构715.4.2　外环：功率同步环715.4.3　外环：电压幅值计算735.4.4　内环：调制信号计算745.5　总结88参考文献89第6章　虚拟同步机状态空间与导纳模型的小信号建模和验证926.1　引言926.2　所研究系统和建模方法介绍926.2.1　系统描述936.3　元件连接法介绍946.4　虚拟同步机小信号建模946.4.1　LCL滤波器模型946.4.2　dq坐标系下考虑PWM延迟环节的电压电流控制966.4.3　轴摆动方程仿真1006.5　无功功率控制1026.5.1　使用低通滤波器和下垂控制的实现1026.6　坐标旋转1036.7　系统小信号模型的推导与验证1046.7.1　状态空间模型的推导与验证1046.8　导纳模型推导与验证1086.9　总结112参考文献112第7章　双馈式感应发电机的构网控制1147.1　引言1147.2　系统描述1157.3　双馈式感应发电机动态模型1167.4　双馈式感应发电机等效电路1177.5　双馈式感应发电机的电磁转矩和无功功率1197.6　双馈式感应发电机转矩同步环1207.7　双馈式感应发电机转子磁通控制1237.8　仿真结果1257.8.1　双馈式感应发电机带部分负荷下对风速阶跃变化的响应1267.8.2　双馈式感应发电机对无功功率阶跃指令的响应1287.8.3　双馈式感应发电机对系统负荷阶跃变化的响应1297.8.4　风电场对负荷阶跃变化的响应1307.8.5　双馈式感应发电机对并离网切换的响应1317.9　总结134附录135参考文献137第8章　利用构网型变流器阻尼电力系统的振荡1388.1　引言1388.2　系统描述与建模1398.3　构网型变流器稳定器1428.4　STATCOM稳定器1468.5　稳定性分析1488.5.1　小信号稳定性分析1488.5.2　时域响应1498.6　两区域系统1508.6.1　参数变化下的特征值轨迹1518.6.2　负荷变化的动态响应1528.6.3　线路跳闸的动态响应1558.7　总结156附录157附录A　系统参数及操作要点157附录B　线性化模型158附录C　模型参数159参考文献160第9章　大规模故障事件下构网动态稳定性—适用于爱尔兰100%基于逆变器的电力系统1619.1　可再生能源高渗透率下未来电网的构网需求1619.2　构网型变流器建模、限流及控制设计1639.2.1　内环级联电压和电流PI控制环的下垂控制1639.2.2　虚拟同步机控制1659.2.3　基于可调度虚拟振荡器控制的构网型变流器建模1669.2.4　构网型变流器角速度保持1679.3　爱尔兰100%构网型变流器电网案例研究1699.3.1　城市地区和偏远地区电网模型1699.3.2　爱尔兰城市地区100%构网型变流器电网（下垂和可调度虚拟振荡器控制）1719.3.3　爱尔兰偏远地区100%构网型变流器电网（限流策略和虚拟角速度保持）1759.4　总结182参考文献182第10章　采用电网阻抗参数在线识别的构网型变流器虚拟振荡器控制18510.1　概述18510.2　引言18510.3　传统虚拟振荡器控制18710.4　用于可调度虚拟振荡器控制的电网阻抗在线辨识策略18810.5　基于伪随机二进制序列注入的非参数化电网阻抗辨识19010.5.1　扰动注入法19010.5.2　非参数化电网阻抗辨识19010.6　基于复曲线拟合的参数化阻抗19110.7　仿真结果19210.7.1　有功和无功功率调度19310.7.2　在线电网阻抗辨识19410.7.3　陷波滤波器对总谐波畸变率的影响19510.8　硬件在环实验结果19610.8.1　有功和无功功率调度19710.8.2　在线电网阻抗辨识19910.9　总结201参考文献202第11章　电池储能系统构网型变流器20411.1　简介20411.2　逆变器结构20511.3　构网型变流器控制结构20611.3.1　跟网型控制20611.3.2　构网型控制20611.4　电池储能系统模型20711.4.1　电池储能系统组件20711.4.2　化学电池类型20811.5　集成电池储能系统的构网型变流器模型20911.5.1　集成模型：电池模型20911.5.2　集成模型：DC-AC滤波器20911.5.3　集成模型：DC-AC变流器21011.5.4　集成模型：太阳能光伏板21011.6　大型电池储能系统的并网/孤岛运行模式21011.7　应用示例：如何在软件平台中开发模型21111.7.1　详细的跟网型控制结构21111.7.2　详细的构网型控制结构21211.8　仿真结果21411.8.1　测试系统1：电池储能系统接入一台发电机21411.8.2　测试系统1案例21511.8.3　测试系统2：电池储能系统和光伏系统接入IEEE 13总线21911.8.4　测试系统2案例21911.9　总结222参考文献223第12章　孤岛模式下构网型变流器的运行22512.1　引言22512.2　微电网各部分的控制建模22712.2.1　风力发电机建模及其控制结构22712.2.2　光伏系统建模及其控制结构22912.2.3　储能系统控制结构建模23112.2.4　互连功率变流器控制结构建模23312.3　基于FCS-MPC的互连功率变流器控制策略23512.3.1　基于微电网运行模式的互连功率变流器控制方法23512.4　微电网能量管理系统协调控制23912.4.1　运行模式1（独立运行）24012.5　仿真结果与讨论24112.5.1　孤岛模式下SOC较高时的交流负荷阶跃变化24112.5.2　孤岛模式下SOC较低时的交流负荷阶跃变化24112.5.3　恒定直流负荷下的直流电压调节24412.5.4　直流电压变化时整流模式的直流电压调节24412.5.5　低直流负荷变化时整流模式的直流电压调节24412.5.6　直流负荷剧烈变化时整流模式的交流电压调节24612.5.7　孤岛模式下使用逆变器调节交流电压分析24612.5.8　孤岛模式下逆变器的交流电压调节24612.5.9　非线性交流负荷下的孤岛逆变器的应用24812.5.10　负荷波动和THD比较24812.6　总结250参考文献251