能源危机和可持续发展是当今世界面临的两大难题，可再生的新能源为解决这些问题展现了广阔的前景，如何将新能源接入智能电网已经成为智能电网发展的最大“前沿阵地”。
本书在简要介绍电能变换以及新能源与智能电网接入等方面的相关基础知识后，对并网逆变器中的电能质量控制、中线提供、功率控制以及同步技术等方面做出深入、细致的理论分析和实验验证，详细阐述了包括模拟同步电机的同步逆变器（也称虚拟同步机）、鲁棒下垂控制器以及C型逆变器等一系列原创关键技术。
本书丰富的创新性理论和大量的实验结果有助于科研人员和工程技术人员理解智能电网接入的各种先进控制技术。本书既可作为电力电子、可再生能源、分布式发电、微电网、智能电网与电力系统、柔性交流输电、不间断电源、高速铁路、多电飞机、全电舰船、控制理论与工程等领域的研究与工程应用参考书，也可作为电力系统、电力电子、控制理论与控制工程等专业的研究生教材。

目录
出版说明
译者序
原书前言
原书致谢
原著者简介
缩略语
第1章 引言
1.1 章节安排 001
1.2 电能变换的基本知识 003
1.2.1 交直变换 004
1.2.2 直直变换 011
1.2.3 直交变换 015
1.2.4 交交变换 019
1.3 硬件设计 021
1.3.1 隔离 021
1.3.2 功率电路 023
1.3.3 输出滤波器 028
1.3.4 电压和电流检测 030
1.3.5 信号处理 031
1.3.6 保护 032
1.3.7 中央控制器 033
1.3.8 测试设备 036
1.4 风力发电系统 037
1.4.1 基本知识 037
1.4.2 风力机 039
1.4.3 发电机和拓扑结构 041
1.4.4 风力机系统的控制 043
1.5 太阳能发电系统 045
1.5.1 太阳能发电简介 045
1.5.2 对太阳能电力的处理 046
1.6 智能电网接入 047
1.6.1 电力系统的运行模式 047
1.6.2 智能电网简介 048
1.6.3 智能电网接入的要求 050
第2章 基础知识
2.1 电能质量问题 053
2.1.1 简介 053
2.1.2 电压质量的恶化机理 055
2.1.3 逆变器输出阻抗的作用 055
2.2 重复控制 056
2.2.1 基本原理 056
2.2.2 内部模型的极点 057
2.2.3 内部模型延迟时间的选择 058
2.3 参考坐标系 059
2.3.1 自然（abc）坐标系 059
2.3.2 静止参考（αβ）坐标系 060
2.3.3 同步旋转参考（dq）坐标系 062
2.3.4 相序为abc的情况 064
第3章 电流H∞重复控制
3.1 系统描述 068
3.2 控制器设计 069
3.2.1 控制对象P的状态空间模型 069
3.2.2 转化为标准H∞问题 071
3.2.3 系统稳定性的验证 072
3.3 设计实例 073
3.4 实验结果 074
3.4.1 同步过程 074
3.4.2 稳态性能 074
3.4.3 动态性能（空载） 076
3.5 小结 077
第4章 电压和电流H∞重复控制
4.1 系统描述 078
4.2 逆变器的建模 079
4.3 控制器设计 081
4.3.1 H∞控制问题的描述 081
4.3.2 广义对象的实现 082
4.3.3 Tew的状态空间实现 083
4.3.4 Tba的状态空间实现 084
4.4 设计实例 084
4.5 仿真结果 086
4.5.1 标称响应 086
4.5.2 变负载时的响应 088
4.5.3 对电网电压畸变的响应 088
4.6 小结 090
第5章 具有频率自适应的电压H∞重复控制
5.1 系统描述 091
5.2 控制器设计 092
5.2.1 控制对象P的状态空间模型 092
5.2.2 频率自适应内部模型M 093
5.2.3 标准H∞问题描述 094
5.2.4 系统稳定性验证 096
5.3 设计实例 098
5.4 实验结果 098
5.4.1 离网模式下的稳态性能 098
5.4.2 并网模式下的稳态性能 100
5.4.3 动态性能（无本地负载） 103
5.4.4 电网频率波动时的响应 103
5.5 小结 106
第6章 级联型电流-电压H∞重复控制
6.1 微电网的工作模式 107
6.2 控制策略 108
6.3 电压控制器的设计 110
6.3.1 对象Pu的状态空间模型 110
6.3.2 标准H∞问题的描述 111
6.4 电流控制器的设计 112
6.4.1 对象Pi的状态空间模型 112
6.4.2 标准H∞问题的描述 113
6.5 设计实例 113
6.5.1 H∞电压控制器的设计 114
6.5.2 H∞电流控制器的设计 114
6.6 实验结果 115
6.6.1 离网模式下的稳态性能 115
6.6.2 并网模式下的稳态性能 117
6.6.3 动态性能 121
6.6.4 工作模式的无缝切换 122
6.7 小结 125
第7章 逆变器输出阻抗的控制
7.1 具有感性输出阻抗的逆变器（L型逆变器） 126
7.2 具有阻性输出阻抗的逆变器（R型逆变器） 127
7.2.1 控制器设计 127
7.2.2 稳定性分析 128
7.3 具有容性输出阻抗的逆变器（C型逆变器） 129
7.4 改善输出电压THD的C型逆变器设计 129
7.4.1 普通情况 129
7.4.2 特殊情况Ⅰ：最小化3次和5次谐波分量 131
7.4.3 特殊情况Ⅱ：最小化3次谐波分量 131
7.4.4 特殊情况Ⅲ：最小化5次谐波分量 132
7.5 R型、L型和C型逆变器的仿真结果 132
7.5.1 滤波电感取L=2.35mH的情况 132
7.5.2 滤波电感取L=0.25mH的情况 133
7.6 R型、L型和C型逆变器的实验结果 135
7.6.1 滤波电感取L=2.35mH的情况 135
7.6.2 滤波电感取L=0.25mH的情况 136
7.7 滤波电容的影响 137
7.8 小结 138
第8章 谐波电流旁路法
8.1 控制器的设计 139
8.2 控制器的物理解释 141
8.3 稳定性分析 142
8.3.1 忽略采样效应 142
8.3.2 考虑采样效应 143
8.4 实验结果 144
8.5 小结 144
第9章 牵引电力系统中的电能质量问题
9.1 简介 145
9.2 拓扑结构描述 147
9.3 负序电流、无功和谐波电流的补偿 147
9.3.1 补偿前的电网侧电流 147
9.3.2 有功补偿和无功补偿 148
9.3.3 谐波电流补偿 150
9.3.4 直流母线电压的调节 150
9.3.5 补偿策略的实现 151
9.4 特例：cosθ=1 152
9.5 仿真结果 154
9.5.1 当cosθ ≠ 1时 154
9.5.2 当cosθ = 1时 155
9.6 小结 156
第10章 中线桥臂的拓扑结构
10.1 简介 158
10.2 裂相直流母线 159
10.3 传统的中线桥臂 160
10.4 独立控制的中线桥臂 160
10.5 小结 161
第11章 中线桥臂的经典控制
11.1 数学建模 162
11.2 控制器设计 164
11.2.1 电流控制器Ki的设计 164
11.2.2 电压控制器Kv的设计 165
11.3 性能分析 167
11.4 元器件的选择 168
11.4.1 电容CN 168
11.4.2 电感LN 169
11.5 仿真结果 170
11.5.1 iN=0时 170
11.5.2 50Hz中线电流时 170
11.5.3 150Hz中线电流时 171
11.5.4 直流中线电流时 172
11.6 小结 172
第12章 中线桥臂的H∞电压-电流控制
12.1 数学模型 173
12.2 控制器的设计 175
12.2.1 P的状态空间实现 176
12.2.2 闭环传递函数的状态空间实现 178
12.3 加权函数的选择 179
12.4 设计实例 179
12.5 仿真结果 180
12.6 小结 181
第13章 中线桥臂的并联PI电压- H∞电流控制
13.1 中线桥臂的描述 183
13.2 H∞电流控制器的设计 184
13.2.1 控制器介绍 184
13.2.2 标准H∞问题的描述 184
13.2.3 对象P的状态空间实现 185
13.2.4 广义对象P~的状态空间实现 186
13.2.5 设计实例 187
13.3 附加的电压控制环 189
13.4 实验结果 189
13.4.1 稳态性能 190
13.4.2 中线电流变化的动态性能 192
13.5 小结 194
第14章 中线在单/三相变换器中的应用
14.1 简介 195
14.2 单/三相变换器的拓扑结构 198
14.3 基本原理分析 199
14.4 控制器的设计 200
14.4.1 同步单元 201
14.4.2 整流桥臂的控制 201
14.4.3 中线桥臂的控制 201
14.4.4 逆变桥臂的控制 203
14.5 仿真结果 204
14.5.1 三相平衡线性负载 205
14.5.2 三相不平衡非线性负载 205
14.6 小结 208
第15章 电流比例积分控制
15.1 系统结构 210
15.1.1 在同步旋转(dq)参考坐标系中 210
15.1.2 自然(abc)坐标系中的等效结构 211
15.2 控制器的实现 212
15.3 实验结果 212
15.3.1 稳态性能 213
15.3.2 动态性能 214
15.4 小结 216
第16章 电流比例谐振控制
16.1 比例谐振控制器 217
16.2 系统的结构 217
16.2.1 在静止参考(αβ)坐标系中 217
16.2.2 abc坐标系中的等效控制器 218
16.3 控制器的设计 219
16.3.1 对象模型 219
16.3.2 设计实例 220
16.4 实验结果 221
16.4.1 稳态性能 221
16.4.2 动态性能 223
16.5 小结 224
第17章 电流无差拍预测控制
17.1 系统结构 225
17.2 控制器的设计 225
17.3 实验结果 227
17.3.1 稳态性能 227
17.3.2 动态性能 228
17.4 小结 229
第18章 同步逆变器：模拟同步发电机的电网友好型逆变器
（虚拟同步机）
18.1 同步发电机的数学模型 230
18.1.1 电气部分 231
18.1.2 机械部分 232
18.1.3 有中线时的情况 233
18.2 同步逆变器的实现 234
18.2.1 功率部分 234
18.2.2 电子部分 235
18.3 同步逆变器的运行 236
18.3.1 有功功率调节和频率下垂控制 236
18.3.2 无功功率调节和电压下垂控制 237
18.4 仿真结果 238
18.4.1 不同电网频率时的情况 239
18.4.2 不同负载时的情况 240
18.5 实验结果 240
18.5.1 功率控制的性能 241
18.5.2 离网模式下的负载特性 242
18.5.3 并网模式下的负载特性 244
18.6 小结 246
第19章 逆变器的并联运行
19.1 简介 247
19.2 问题描述 248
19.3 向电压源输送功率 249
19.4 传统的下垂控制方法 250
19.4.1 对于R型逆变器 250
19.4.2 对于L型逆变器 250
19.4.3 对于C型逆变器 251
19.4.4 R型逆变器的实验结果 252
19.5 传统下垂控制的固有局限性 253
19.5.1 有功功率的分配 254
19.5.2 无功功率的分配 255
19.6 R型逆变器的鲁棒下垂控制 256
19.6.1 控制策略 256
19.6.2 由电压测量误差引起的功率分配误差 258
19.6.3 电压的调节 258
19.6.4 全局设定值的E*和ω*偏差所引起的误差 259
19.6.5 实验结果 260
19.7 C型逆变器的鲁棒下垂控制器 266
19.7.1 控制策略 266
19.7.2 仿真结果 267
19.7.3 实验结果 270
19.8 L型逆变器的鲁棒下垂控制器 272
19.8.1 控制策略 272
19.8.2 仿真结果 273
19.8.3 实验结果 276
19.9 小结 279
第20章 提高电压质量的鲁棒下垂控制
20.1 控制策略 280
20.2 实验结果 281
20.2.1 1∶1功率分配 282
20.2.2 2∶1功率分配 285
20.3 小结 290
第21章 谐波下垂控制器
21.1 逆变系统的模型 291
21.2 向电流源输送功率 293
21.3 减小输出电压的谐波 294
21.4 仿真结果 295
21.5 实验结果 298
21.6 小结 300
第22章 常规同步技术
22.1 简介 302
22.2 过零点法 303
22.3 基本锁相环(PLL) 303
22.4 同步旋转参考坐标系锁相环（SRF-PLL） 304
22.5 二阶广义积分型锁相环(SOGI-PLL) 306
22.6 正弦跟踪算法(STA) 307
22.7 SOGI-PLL和STA的仿真结果 308
22.7.1 输入为频率可变有噪声且失真的信号 308
22.7.2 输入为含噪声的失真方波信号 310
22.8 SOGI-PLL及STA的实验结果 312
22.8.1 输入为电网电压 312
22.8.2 输入为频率可变有噪声且失真的信号 313
22.8.3 输入为含噪声的失真方波信号 314
22.9 小结 316
第23章 正弦波锁定器
23.1 并网的单相同步电机 317
23.2 正弦波锁定器的结构 318
23.3 频率和相位的跟踪 319
23.4 电压幅值的跟踪 319
23.5 参数整定 320
23.6 等效结构 321
23.7 仿真结果 321
23.7.1 输入为频率可变有噪声且失真的信号 322
23.7.2 输入为含噪声的失真方波信号 323
23.8 实验结果 324
23.8.1 输入为电网电压信号 325
23.8.2 输入为频率可变有噪声的信号 326
23.8.3 输入为含噪声的失真方波信号 327
23.9 小结 329
参考文献 330

功率逆变器是新能源和分布式发电系统接入智能电网的通用关键设备，我在很早以前就打算撰写一本有关功率逆变器控制的专著。在2001年加盟英国帝国理工学院从事逆变器控制的研究开始，我就意识到这一领域存在很多挑战性的问题，新能源接入电网的研究工作将会在全世界范围内受到密切关注。在此期间，我归纳了四类关键问题，即电能质量问题、中线的提供、功率控制和同步问题。过去10年里，虽然经历了几次工作上的变动，但我一直专注于这些问题的研究，有时也与其他合作者或我的博士研究生一起探索。本书的第二作者作为博士研究生于2007年加入了我的团队，我们很快搭建了一个原理验证实验平台，从而促进了该项研究的顺利进行，并验证了本书中的很多想法。2009年，英国皇家工程学院（Royal Academy of Engineering）资助的Leverhulme信托基金高级研究员项目使得我有更多的时间来潜心研究，从而大大加快了本书的出版进程。2011年，英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）资助我到美国进行为期一年的游学访问，最终促成了本书的出版。
能源和可持续发展，是当今世界面临的两大问题。可再生能源作为解决这些问题的有效手段具有很好的前景；同时，智能电网也因为提高电力系统的能源使用效率、安全性和灵活性而得到快速发展。可再生能源和其他分布式能源如何接入智能电网已经成为智能电网发展的最大“前沿阵地”。合理的控制策略可以使其接入电力系统时不但不会危及系统的稳定性和性能，反而会为智能电网的其他功能和服务提供坚实的基础。
逆变器的控制有几个非常重要的问题。比如，在有非线性负载和/或电网电压失真时如何确保输送到电网的电能能量；当某些场合需要中线时，例如当三相负载不对称时，如何确保提供一条平衡的中线；如何确保逆变器可以工作在并网模式或离网模式，以及如何最大限度地减少运行模式切换时的动态变化甚至做到无缝切换；如何实现逆变器的同步并网；逆变器并联时，如何根据各自的容量实现合理的功率分配以免造成不必要的损害；如何实现并网逆变器的友好连接，使其对电网的影响最小等。本书包含作者过去10年对这些问题提出的许多原创性想法和控制策略,其中包括用于改善智能电网（或微电网）电能质量的不同控制策略、具有电容输出阻抗的逆变器（C型逆变器）、逆变器中线的提供、利用模拟同步发电机的逆变器（称为同步逆变器或虚拟同步机）实现友好并网、利用鲁棒下垂控制器实现逆变器并联运行和功率自主分配、可改善电能质量的谐波下垂控制器，以及不仅可以锁定电网电压的相位，而且还能锁定频率和幅值的正弦波锁定器，等等。这些先进的控制策略，有望大大促进可再生能源大规模接入智能电网的应用。
本书包括：引言（第1章），基础知识（第2章），以及4个部分：电能质量控制（第3~9章）、中线的提供（第10~14章）、功率控制（第15~21章）和同步技术（第22、23章）。在第1章引言中，介绍了一些有关功率变换和逆变器硬件设计的基本知识，并简要描述了风力发电、太阳能发电以及智能电网接入等。在第2章基础知识中，介绍了一些关于电能质量、重复控制和参考坐标系等的基本理论。在第1部分中，根据电能质量恶化的不同机制提出了几种相应的控制策略，以此提高并网逆变器的电压和电流质量。第2部分讨论了提供中线的拓扑结构，并给出了保持中线均衡稳定的几种控制策略，使得逆变器各相具有独立运行的能力。第3部分介绍了多种电流控制和电压控制策略来控制逆变器与电网之间的能量传输，包括同步逆变器（模拟同步发电机的逆变器，也称虚拟同步机）、鲁棒下垂控制器以及谐波下垂控制器等全新概念。第4部分在介绍传统同步方法的基础上，根据同步发电机与电网交换功率的基本原理，介绍了正弦波锁定器来实现与电网的快速同步。
本书既适合于即将进入电力电子、可再生能源和分布式发电、智能电网、柔性交流输电系统、多电飞机和全电舰船电力系统等领域的控制工程师，也适合于一直从事这些领域研究并渴望利用各种先进控制策略来提高逆变器性能的研究人员和工业界朋友。本书系统地探讨了并网逆变器控制的本质和挑战性的问题，充分体现了控制和电力电子技术的完美结合。本书所提及的大多数控制策略均有大量的实验结果，从而为工业界的朋友如何将先进控制策略用于工程应用来提高系统性能提供了非常高的参考价值。本书还可以作为先进控制工程、电力电子技术、可再生能源和智能电网集成等领域的研究生课程教材。