本书首先介绍了工业电力电子系统市场和相关技术的发展趋势，坐标变换、空间矢量、功率半导体器件等基础知识，以及矢量控制、直接转矩控制、载波调制和优化脉冲调制等经典控制和调制方法，为后续内容提供了合适的基础。本书的核心部分则介绍了适用于低开关频率大功率变换器和电机驱动领域的几种控制算法，解释了长预测范围预测控制的概念，介绍了基于滞环的模型预测转矩控制和基于脉冲调制的模型预测控制的控制方法，以及各种方法的优化。采用本书介绍的方法可以使大功率变换器系统在低开关频率下仍然具有优异的动态和稳态性能，从而能够提高大功率变换器的功率输出、降低电流畸变、减小滤波器体积、获得极快的动态响应并保证在安全工作区域限制内的可靠运行。本书适合电力电子与电力传动领域的研究生、教师、工程师和实践者阅读，尤其是对大功率变换器和工业传动的从业人员具有较大的参考价值。

出版说明
译者序
原书前言
缩略语中英文对照表
书中变量及符号等释义
第1章 概述
1.1 工业电力电子 002
1.1.1 中压变速传动 002
1.1.2 市场趋势 003
1.1.3 技术趋势 004
1.2 控制和调制策略 005
1.2.1 要求 005
1.2.2 最新策略 006
1.2.3 挑战 007
1.3 模型预测控制 008
1.3.1 控制问题 009
1.3.2 控制原理 010
1.3.3 优点及挑战 014
1.4 研究前景和动机 015
1.5 主要成果 016
1.6 本书概要 017
1.7 预备知识 020
参考文献 021
第2章 工业电力电子
2.1 预备知识 024
2.1.1 三相系统 024
2.1.2 标幺值系统 026
2.1.3 静止坐标系 027
2.1.4 旋转坐标系 030
2.1.5 空间矢量 033
2.2 感应电机 035
2.2.1 电机模型的空间矢量表示 035
2.2.2 电机模型的矩阵表示 037
2.2.3 电机模型的标幺值表示 038
2.2.4 电机模型的状态空间表示 040
2.2.5 电机谐波模型 042
2.3 功率半导体器件 043
2.3.1 集成门极换流晶闸管 043
2.3.2 功率二极管 045
2.4 多电平电压源型逆变器 045
2.4.1 中点钳位逆变器 045
2.4.2 五电平有源中点钳位逆变器 052
2.5 案例分析 058
2.5.1 中点钳位逆变器驱动系统 058
2.5.2 有缓冲约束的中点钳位逆变器驱动系统 060
2.5.3 五电平有源中点钳位逆变器驱动系统 061
2.5.4 并网中点钳位变换器系统 062
参考文献 064
第3章 经典控制与调制策略
3.1 控制与调制策略的要求 066
3.1.1 与电机相关的要求 066
3.1.2 与电网相关的要求 068
3.1.3 与变换器相关的要求 071
3.1.4 总结 071
3.2 控制与调制策略框图 072
3.3 基于载波的脉冲宽度调制 073
3.3.1 单相基于载波的脉冲宽度调制 073
3.3.2 三相基于载波的脉冲宽度调制 080
3.3.3 总结与特性 087
3.4 优化脉冲调制 089
3.4.1 脉冲模式与谐波分析 090
3.4.2 三电平变换器的优化问题 093
3.4.3 五电平变换器的优化问题 097
3.4.4 总结与特性 099
3.5 脉宽调制的性能权衡 102
3.5.1 电流总谐波畸变与开关损耗 102
3.5.2 转矩总谐波畸变与开关损耗 104
3.6 感应电机驱动控制方法 105
3.6.1 标量控制 105
3.6.2 磁场定向控制 107
3.6.3 直接转矩控制 112
附录3.A 单相OPP的谐波分析 120
附录3.B 数学优化 122
3.B.1 一般优化问题 122
3.B.2 混合整数优化问题 123
3.B.3 凸优化问题 124
参考文献 126
第4章 短步长预测控制
4.1 单相阻感负载电路的预测电流控制 132
4.1.1 控制问题 132
4.1.2 电流轨迹预测 133
4.1.3 优化问题 134
4.1.4 控制算法 135
4.1.5 性能评估 136
4.1.6 多步长预测 139
4.1.7 总结 140
4.2 三相感应电机的预测电流控制 141
4.2.1 案例研究 141
4.2.2 控制问题 142
4.2.3 控制器模型 143
4.2.4 优化问题 144
4.2.5 控制算法 145
4.2.6 性能评估 146
4.2.7 关于范数的选择 151
4.2.8 延迟补偿 154
4.3 三相异步电机的预测转矩控制 158
4.3.1 案例研究 158
4.3.2 控制问题 159
4.3.3 控制器模型 160
4.3.4 优化问题 160
4.3.5 控制算法 161
4.3.6 代价函数分析 161
4.3.7 转矩与电流控制器的代价函数比较 162
4.3.8 性能评估 165
4.4 总结 167
参考文献 168
第5章 多步长预测控制
5.1 预备知识 169
5.1.1 案例研究 169
5.1.2 控制器模型 170
5.1.3 代价函数 171
5.1.4 优化问题 172
5.1.5 基于穷举搜索的控制算法 172
5.2 整数二次规划描述 174
5.2.1 优化问题的向量描述 174
5.2.2 无约束最小化求解 175
5.2.3 整数二次规划 175
5.2.4 预测步长为1的直接模型预测控制 176
5.3 一种求解优化问题的有效方法 177
5.3.1 准备知识和关键特性 177
5.3.2 改进的球形解码算法 178
5.3.3 一个预测范围为1的例子 180
5.3.4 一个预测范围为2的例子 180
5.4 计算负担 183
5.4.1 离线计算 183
5.4.2 在线预处理 184
5.4.3 球形解码 184
附录5.A 状态空间模型 185
附录5.B 向量形式的代价函数推导 186
参考文献 187
第6章 多步长预测控制性能评估
6.1 中点钳位逆变器驱动系统性能评估 189
6.1.1 性能评估框架 190
6.1.2 开关频率为250Hz时的性能对比 191
6.1.3 闭环成本 194
6.1.4 相对电流总谐波畸变率 196
6.1.5 暂态运行 200
6.2 基于直接求整的次优化模型预测控制 202
6.3 带LC滤波器的中点钳位逆变器驱动系统性能评估 204
6.3.1 案例研究 205
6.3.2 控制器模型 207
6.3.3 优化问题 207
6.3.4 稳态运行 209
6.3.5 暂态运行 211
6.4 总结与讨论 214
6.4.1 稳态性能 214
6.4.2 暂态性能 215
6.4.3 代价函数 215
6.4.4 控制目标 215
6.4.5 计算复杂度 216
附录6.A 状态空间模型 216
附录6.B 输出参考向量计算 217
6.B.1 第一步：定子频率 217
6.B.2 第二步：逆变器电压 217
6.B.3 第三步：输出参考向量 218
参考文献 219
第7章 模型预测直接转矩控制
7.1 引言 222
7.2 预备知识 224
7.2.1 案例分析 224
7.2.2 控制问题 225
7.2.3 控制器模型 226
7.2.4 开关动作 228
7.3 控制问题的描述 229
7.3.1 简单优化问题 230
7.3.2 约束条件 230
7.3.3 代价函数 231
7.4 模型预测直接转矩控制 232
7.4.1 定义 233
7.4.2 优化问题的简化 234
7.4.3 开关时域的概念 234
7.4.4 搜索树 239
7.4.5 基于穷举的MPDTC算法 241
7.5 扩展方法 243
7.5.1 对状态轨迹和输出轨迹进行分析 243
7.5.2 线性拟合方法 244
7.5.3 二次拟合方法 246
7.5.4 二次插值拟合法 247
7.6 总结和讨论 249
附录7.A NPC逆变器驱动系统的控制器模型 251
参考文献 252
第8章 模型预测直接转矩控制的性能评估
8.1 中点钳位逆变器驱动系统的性能评估 254
8.1.1 仿真设置 254
8.1.2 稳态运行 255
8.1.3 暂态运行 261
8.2 ANPC逆变器驱动系统的性能评估 263
8.2.1 控制器模型 265
8.2.2 改进的MPDTC算法 266
8.2.3 仿真设置 267
8.2.4 稳态运行 268
8.2.5 暂态运行 274
8.3 总结和讨论 276
附录8.A ANPC型逆变器驱动系统的控制器模型 277
参考文献 279
第9章 模型预测直接转矩控制的分析与可行性
9.1 目标集 280
9.2 状态反馈控制律 282
9.2.1 预备知识 282
9.2.2 给定转子磁链矢量的控制律 284
9.2.3 目标集边缘的控制律 291
9.3 死锁现象分析 292
9.3.1 死锁的根本原因分析 292
9.3.2 死锁的位置 295
9.4 死锁的解决方法 297
9.5 死锁的避免 299
9.5.1 死锁避免策略 300
9.5.2 性能评估 301
9.6 总结和讨论 305
9.6.1 状态反馈控制律的推导与分析 305
9.6.2 死锁的分析、解决与避免 306
参考文献 306
第10章 高效模型预测直接转矩控制
10.1 预备知识 309
10.2 基于分支定界法的MPDTC 310
10.2.1 概念和原理 310
10.2.2 分支定界法的特性 311
10.2.3 限制最大计算数 313
10.2.4 高效MPDTC算法 314
10.3 性能评估 315
10.3.1 案例研究 315
10.3.2 稳态运行时的性能标准 316
10.3.3 稳态运行时的计算指标 320
10.4 总结和讨论 323
参考文献 324
第11章 模型预测直接转矩控制的推演
11.1 模型预测直接电流控制 325
11.1.1 案例研究 326
11.1.2 控制问题 328
11.1.3 定子电流边界的描述 328
11.1.4 控制器模型 331
11.1.5 控制问题的描述 332
11.1.6 MPDCC 算法 333
11.1.7 性能评估 335
11.1.8 整定 342
11.2 模型预测直接功率控制 343
11.2.1 案例研究 344
11.2.2 控制问题 346
11.2.3 控制器模型 346
11.2.4 控制问题的描述 347
11.2.5 性能评估 348
11.3 总结和讨论 355
11.3.1 模型预测直接电流控制 355
11.3.2 模型预测直接功率控制 355
11.3.3 目标集 356
附录11.A MPDCC中使用的控制器模型 358
附录11.B 有功和无功功率 359
附录11.C MPDPC中使用的控制器模型 361
参考文献 362
第12章 模型预测脉冲模式控制
12.1 最新控制方法 366
12.2 优化脉冲模式 367
12.2.1 概要、性能及计算 367
12.2.2 磁链幅值与调制度的关系 369
12.2.3 时间与角度的关系 370
12.2.4 定子磁链参考轨迹 370
12.2.5 查表法 372
12.3 定子磁链控制 372
12.3.1 控制目标 372
12.3.2 控制原理 373
12.3.3 控制问题 373
12.3.4 控制方法 374
12.4 MP3C算法 375
12.4.1 观测器 377
12.4.2 速度控制器 377
12.4.3 转矩控制器 377
12.4.4 磁链控制器 378
12.4.5 脉冲模式加载器 378
12.4.6 参考磁链 378
12.4.7 脉冲模式控制器 379
12.5 MP3C求解方法 381
12.5.1 基于二次规划的MP3C 382
12.5.2 基于无差拍控制的MP3C 385
12.6 脉冲插入 387
12.6.1 定义 387
12.6.2 算法 387
附录12.A 二次规划 390
附录12.B 无约束求解 391
附录12.C 无差拍MP3C的转换 392
参考文献 393
第13章 模型预测脉冲模式控制性能评估
13.1 NPC逆变器驱动系统性能评估 394
13.1.1 仿真设置 394
13.1.2 稳态运行 394
13.1.3 瞬态运行 401
13.2 ANPC逆变器驱动系统实验结果 407
13.2.1 实验设置 407
13.2.2 分层控制结构 409
13.2.3 稳态运行 410
13.3 总结和讨论 412
13.3.1 与现有先进控制方法的区别 413
13.3.2 讨论 415
参考文献 416
第14章 模块化多电平变换器的模型预测控制
14.1 引言 417
14.2 预备知识 418
14.2.1 拓扑 418
14.2.2 变换器非线性模型 418
14.3 模型预测控制 422
14.3.1 控制问题 422
14.3.2 控制器结构 422
14.3.3 线性预测模型 423
14.3.4 代价函数 423
14.3.5 硬约束与软约束 424
14.3.6 优化问题 426
14.3.7 多电平基于载波的脉冲宽度调制 426
14.3.8 平衡控制 427
14.4 性能评估 427
14.4.1 系统和控制参数 428
14.4.2 稳态运行 429
14.4.3 瞬态运行 433
14.5 参数设计 438
14.5.1 开环预测偏差 438
14.5.2 闭环性能 439
14.6 总结和讨论 440
附录14.A 动态电流方程 441
附录14.B 变换器系统的控制器模型 441
参考文献 444
第15章 结论和总结
15.1 直接模型预测方法的性能比较 446
15.1.1 案例研究 447
15.1.2 性能权衡曲线 447
15.1.3 总结与讨论 452
15.2 控制和调制方法的评估 456
15.2.1 基于SVM的FOC和VOC 456
15.2.2 DTC和DPC 457
15.2.3 基于参考值跟踪的直接MPC 457
15.2.4 带边界的直接MPC 458
15.2.5 基于OPP的MP3C 459
15.2.6 间接MPC 460
15.3 结论 461
15.4 展望 462
参考文献 462

本书主要讲述了模型预测控制（MPC）方法在工业电力电子方面的应用，尤其是三相交流- 直流、直流- 交流变换系统在1MVA及以上大功率场合的应用。这些系统主要是基于开关频率在1kHz 以下的多电平电压源变换器。书中主要考虑中压、变速驱动系统，以及少量的中压并网逆变器。书中所提出的控制方法也可以应用于工作在低脉冲数（即开关频率与基波频率的比值小）的低压功率变换器。
对于大功率变换器，脉冲数通常在5 ~ 15之间。由此带来的后果是，电力电子系统中用于掩盖开关特性对控制问题影响的“平均值”概念会导致低脉冲下的性能恶化。一般来说，为了实现大功率变换器的最优性能必须避免“平均”，传统方法中的电流控制环和调制应该由一个单独控制部分来代替。
本书提出并回顾了开发大功率变换器性能潜力的各种控制方法，确保在非常低的开关频率和低谐波畸变下实现快速控制。为了实现这一点，控制和调制问题需要在一个计算周期得到解决。为了达到良好的稳态性能，MPC 控制器需要较长的预测步长。由此产生的优化问题在计算上是非常具有挑战性的，但这可以采用分支定界算法实时求解。或者，用于稳态运行的最优开关切换序列，即所谓的优化脉冲模式（OPP），可以预先离线计算并在线优化以实现快速闭环控制。
为此，研究目标是将无差拍控制（如直接转矩控制）的优点与OPP的最优稳态性能相结合，并解决两者之间的矛盾。本书详细介绍了针对此问题的三种MPC 方法。