电力电子新技术系列图书 无功补偿理论及其应用 程汉湘 编 2016年版

电力电子新技术系列图书 无功补偿理论及其应用  

作者：程汉湘 编  

出版时间：2016年版 

丛编项：电力电子新技术系列图书 

内容简介 

　　无功补偿是提高输、配电系统电能质量的有效途径，庞大的电力系统可借助远程通信方式实现工业园区、枢纽变电站、地区，乃至全省的无功优化调度和控制。本着通俗易懂、循序渐进的原则，本书除了介绍常规的并联型和串联型无功补偿的理论和控制外，还详细阐述了怎样通过无功补偿对三相不对称系统实现平衡补偿的理论和方法；推导并分析了各类电力滤波器的基本计算公式，以及实现滤波的控制。利用有载调压对无功的影响，书中专门介绍了变压器有载调压中的电压调节器和相位调节器、自动电压控制（AVC）系统，以及电压无功控制（VQC）等。考虑到磁控电抗器（MCR）和静止同步补偿器也逐渐融入到无功补偿的行列之中，并逐渐成为高电压等级无功补偿的重要形式，本书对它们的构成、实现原理，以及有关特性也进行了详细分析和计算说明。此外，书中还介绍了RTU、DTU、FTU、TTU等智能终端的概念及其在远程无功补偿控制中的作用。本书特别注重应用算例与有关概念的有效联系，文字精炼、物理概念清晰、理论推导严密、前后逻辑对应，这几点始终贯穿于本书的所有章节。本书可作为电气工程类各专业工程技术人员和研究人员的参考书，对具体从事无功补偿的设计人员和电力系统的从业人员也有很高的参考价值，同时也能作为高年级本科生、研究生和电气工程专业教师的基础用书。 

目录 

电力电子新技术系列图书序言 

前言第1章无功补偿的基本概念1 

1.1什么是无功功率1 

1.2为什么要进行无功补偿2 

1.3传输线路的等效模型4 

1.3.1架空线等效模型参数计算4 

1.3.2电缆传输线等效模型参数 

计算11 

1.4无功功率的计算23 

1.4.1系统分析中的几个概念23 

1.4.2系统分析的模型等效24 

1.4.3无功计算的基本方法25 

1.4.4复杂系统的无功补偿32 

1.5输电网互联的潮流及其稳定性 

概念34 

1.5.1电网互联的简化模型35 

1.5.2传输线的潮流计算36 

1.5.3稳定性的基本概念38 

1.6常用无功补偿设备40 

1.6.1固定电容40 

1.6.2机械旋转类无功补偿40 

1.6.3静止类无功补偿器44 

1.6.4复合类无功补偿器47 

1.7晶闸管触发的可靠性48 

1.8无功补偿发展的特点52 

1.8.1多功能化53 

1.8.2集成化54 

1.8.3综合化56 

1.8.4自愈性56 

1.8.5智能终端58 

1.8.6网络化62 

1.8.7发展趋势67 

复习思考题72第2章并联型无功补偿75 

2.1并联补偿的现状及其说明76 

2.2并联补偿器的基本原理78 

2.2.1传输线中点的无功补偿79 

2.2.2线路终端电压的支撑84 

2.2.3配电线路轻载条件下的 

无功补偿90 

2.3静止同步补偿器95 

2.3.1STATCOM简介96 

2.3.2STATCOM的基本工作 

原理98 

2.3.3STATCOM的损耗和 

谐波104 

2.3.4基本控制方法106 

2.4磁控电抗器112 

2.4.1基本概念114 

2.4.2磁控电抗器的基本原理和 

结构115 

2.4.3裂心磁路的磁特性118 

2.4.4绕组的换流123 

2.4.5磁阀式电抗器的电磁 

关系128 

2.4.6基于神经网络的偏磁特性 

拟合方法134 

2.4.7MCR的控制144 

2.5晶闸管控制电抗器与晶闸管 

投切电抗器146 

2.5.1晶闸管控制和晶闸管投切 

电抗器（TCR和TSR）146 

2.5.2TCR的等效电抗149 

2.5.3TCR的谐波150 

2.5.4TCR与MCR的比较156 

2.6晶闸管投切电容160 

2.6.1晶闸管投切电容的一般 

发展概况160 

2.6.2单相TSC的工作特性162 

2.6.3三相TSC的投切原理167 

2.6.4TSC的U?I特性170 

2.7复合型无功补偿系统171 

2.7.1固定电容器与MCR或TCR 

构成的无功补偿器172 

.7.2TSC与TCR组成的复合型 

无功补偿器177 

2.7.3STATCOM与TSC和TCR 

构成的无功补偿系统183 

2.7.4无功补偿器的基本特性185 

2.7.5混合补偿器的优点186 

2.8静止无功系统187 

复习思考题188第3章串联补偿192 

3.1串联补偿的目的192 

3.1.1串联电容补偿的概念193 

3.1.2电压稳定性194 

3.1.3暂态稳定性的改善195 

3.1.4功率振荡的阻尼196 

3.1.5次同步振荡的阻尼198 

3.1.6串联补偿的功能及要求198 

3.1.7可控串联补偿的实现 

方法199 

3.2可变阻抗型串联补偿器200 

3.2.1门极关断晶闸管控制的 

串联电容200 

3.2.2晶闸管投切串联电容207 

3.2.3晶闸管控制串联电容209 

3.2.4次同步特性217 

3.2.5GCSC、TSSC和TCSC的 

基本运行控制220 

3.3开关型变流器构成的串联 

补偿器223 

3.3.1静止同步串联补偿器224 

3.3.2SSSC的传输特性225 

3.3.3控制范围与额定容量228 

3.3.4提供有功补偿的能力229 

3.3.5次同步谐振的消除233 

3.3.6SSSC的内部控制235 

3.4串联无功补偿器的外环控制 

系统238 

3.5SSSC的性能和特征归纳240 

复习思考题241第4章电力滤波器及其无功 

补偿248 

4.1谐波及其衡量标准248 

4.1.1什么是谐波248 

4.1.2谐波限制及其相关标准251 

4.1.3相关的基本概念254 

4.2抑制谐波的基本原理260 

4.2.1滤波器的分类260 

4.2.2电力滤波器的基本概念261 

4.2.3电力滤波器的控制策略262 

4.3无源滤波器及其无功补偿266 

4.3.1无源滤波器的设计266 

4.3.2无源滤波器的无功补偿267 

4.4并联型电力有源滤波器269 

4.4.1实现并联有源滤波的 

机理270 

4.4.2控制原理271 

4.4.3APF仿真的数值计算276 

4.4.4动态特性的改善281 

4.5串联型电力有源滤波器286 

4.5.1串联滤波的基本概念286 

4.5.2串联滤波的基本原理289 

4.6并联混合型滤波器290 

4.6.1SHF的一般设计方法290 

4.6.2控制系统的描述292 

4.6.3性能优化的进一步考虑296 

4.7谐波损耗297 

4.7.1谐波损耗的计算297 

4.7.2附加谐波损耗304 

复习思考题309第5章不对称系统的平衡 

补偿312 

5.1不对称系统的一般概念312 

5.2不对称系统的电抗型平衡补偿 

模型318 

5.2.1三相四线制的不对称平衡 

补偿319 

5.2.2三相三线制不对称系统的 

平衡补偿325 

5.2.3平衡补偿的一般性模型335 

5.2.4平衡补偿的数值逼近 

计算法341 

5.2.5平衡补偿控制的PQ计算 

模型348 

5.2.6平衡补偿控制系统349 

5.3串联型平衡补偿352 

5.4不对称系统的UPFC平衡 

补偿356 

5.4.1UPFC实现平衡补偿的 

原理357 

5.4.2变流器的交直流运行 

特性359 

5.4.3基于完整的UPFC平衡 

补偿控制367 

5.5不对称系统的附加损耗369 

5.5.1不对称系统附加损耗的 

相关概念369 

5.5.2附加损耗计算371 

5.5.3应用举例372 

复习思考题373第6章变压器的调压与相移375 

6.1静止电压、相角调节器的 

作用376 

6.1.1电压和相角调节器的相关 

概念376 

6.1.2相角调节器对潮流控制的 

影响378 

6.1.3有功和无功环路潮流的 

控制381 

6.1.4利用相角调节器改善暂态 

稳定性383 

6.1.5相角调节器对功率振荡的 

阻尼384 

6.1.6相角调节器的功能要求385 

6.2晶闸管控制的电压和相角 

调节器385 

6.2.1连续型可控晶闸管控制的 

抽头调节器388 

6.2.2离散电压等级的晶闸管 

抽头调节器394 

6.2.3晶闸管抽头调节器中 

开关阀额定值的考虑396 

6.3开关型电压和相角调节器397 

6.4混合型相角调节器399 

复习思考题400第7章区域电网的无功补偿404 

7.1电网互联的无功补偿404 

7.1.1区域无功补偿的特点404 

7.1.2无功补偿与区域电网控制 

之间的相关概念406 

7.1.3区域电网的基本控制 

目标409 

7.1.4区域无功补偿的发展 

趋势411 

7.2VQC的基本理论414 

7.2.1电网的潮流计算414 

7.2.2电压稳定性417 

7.2.3区域无功优化的约束 

条件419 

7.2.4辐射网络补偿特性420 

7.3VQC的控制策略422 

7.3.1VQC的一般控制方法422 

7.3.2九区图控制425 

7.3.3改进的九区图控制428 

7.3.4VQC的控制目标433 

7.3.5综合设计的基本原则434 

7.4基于模糊控制的变电站电压 

无功综合控制439 

7.4.1模糊控制系统概述439 

7.4.2变电站电压无功综合控制 

策略441 

7.4.3基于模糊控制的电压无功 

综合控制443 

7.5自动电压控制系统445 

7.5.1AVC的基本架构446 

7.5.2AVC的控制模式447 

7.5.3三级控制策略447 

7.5.4全网电力系统控制的 

发展449 

复习思考题449参考文献452第1章异步电机控制概述1 

1.1引言1 

1.2电力电子技术的发展3 

1.2.1电力电子器件及其发展3 

1.2.2电动机控制用功率变换器5 

1.2.3PWM技术及发展7 

1.3微处理器的发展10 

1.4电机控制理论的发展11 

1.4.1经典电机控制方法11 

1.4.2现代控制理论在电机控制中 

的应用13 

1.4.3电机参数辨识18 

1.4.4电机速度和磁链观测20 

1.5本书内容24 

参考文献25 

第2章异步电机数学模型34 

2.1三相静止坐标系下的电机模型34 

2.2参照系理论39 

2.2.1引言39 

2.2.2静止参照系和任意参照系 

之间的变换关系39 

2.2.3常用参照系与不同参照系 

之间的变换41 

2.3任意参照系下的电机模型43 

2.3.1两相静止坐标系下的电机 

模型43 

2.3.2两相同步坐标系下的电机 

模型45 

2.3.3状态方程描述46 

2.4小结50 

参考文献50 

第3章异步电机驱动用电力电子 

变换器及调制技术51 

3.1概述51 

3.2两电平电压型逆变器及调制 

技术51 

3.2.1两电平拓扑及工作原理51 

3.2.2空间矢量调制技术54 

3.3三电平电压型逆变器与调制 

技术56 

3.3.1三电平拓扑和PWM技术56 

3.3.2三电平载波PWM技术58 

3.3.3三电平SVPWM技术61 

3.3.4三电平SHEPWM技术66 

3.4基于同步优化脉冲调制的闭环 

控制技术86 

3.5小结87 

参考文献87 

第4章异步电机参数自整定92 

4.1引言92 

4.2电机参数离线辨识93 

4.2.1电机旋转下的参数辨识93 

4.2.2电机静止下的参数辨识96 

4.2.3基于递推最小二乘法的参数 

辨识99 

4.3电机参数在线辨识110 

4.3.1异步电机参数在线辨识数学 

模型110 

4.3.2带电压补偿的相电压 

估算112 

4.3.3仿真结果115 

4.3.4实验结果116 

4.4小结119 

参考文献120 

第5章异步电机矢量控制122 

5.1矢量控制基本原理122 

5.2电压解耦控制器125 

5.3矢量控制调节器129 

5.3.1PI调节器129 

5.3.2滑模控制调节器135 

5.3.3模糊控制调节器141 

5.3.4实验结果与对比145 

5.4小结150 

参考文献150 

第6章无速度传感器技术152 

6.1开环反电动势校正法152 

6.2闭环速度自适应磁链观测器159 

6.2.1龙贝格观测器160 

6.2.2滑模观测器169 

6.2.3扩展卡尔曼滤波观测器174 

6.3闭环观测器综合比较181 

6.3.1三种观测器之间的联系和 

区别181 

6.3.2三种观测器的性能比较182 

6.4小结183 

参考文献184 

第7章三电平高性能异步电机 

无速度传感器控制185 

7.1三电平逆变器——异步电机控制 

综述185 

7.2基于观测器的无速度传感器矢量 

控制187 

7.2.1基本原理187 

7.2.2实验结果188 

7.3DTC技术综述199 

7.4优化矢量表三电平DTC及其无 

速度传感器运行200 

7.4.1DTC基本原理200 

7.4.2矢量选择和切换202 

7.4.3仿真结果203 

7.4.4实验结果206 

7.5离散空间矢量调制DTC及其无 

速度传感器运行208 

7.5.1基本原理208 

7.5.2矢量切换209 

7.5.3仿真结果210 

7.5.4实验结果212 

7.6固定开关频率SVM?DTC及其无 

速度传感器运行215 

7.6.1基本原理215 

7.6.2基于FLC和SMC的新型 

SVM?DTC215 

7.6.3仿真结果216 

7.6.4实验结果218 

7.7间接转矩控制及其无速度传感器 

运行222 

7.7.1基本原理222 

7.7.2仿真结果223 

7.7.3实验结果226 

7.8无速度传感器高性能电机闭环 

控制策略分析和比较228 

7.8.1原理分析和比较228 

7.8.2低速性能和动态性能实验 

结果比较230 

7.8.3各种闭环控制总结230 

7.9小结230 

参考文献231 

第8章异步电机高性能变频器的 

研制及应用234 

8.1无速度传感器通用变频器 

研制234 

8.1.1控制系统设计234 

8.1.2电机起动电流抑制237 

8.1.3死区补偿237 

8.1.4无速度传感器闭环运行239 

8.2高性能高效率洗衣机变频器 

研制242 

8.2.1变频驱动器硬件设计242 

8.2.2变频驱动器软件设计244 

8.2.3实验和测试结果250 

8.3小结256 

参考文献256 

第1章绪论1 

1.1多电平变换器的研究背景1 

1.2多电平变换器拓扑结构3 

1.2.1传统多电平变换器拓扑 

结构3 

1.2.2新型多电平变换器拓扑 

结构9 

1.3多电平变换器调制技术19 

1.3.1传统多电平变换器调制 

技术19 

1.3.2新型多电平变换器调制 

技术20 

1.4多电平变换器控制技术20 

1.5多电平变换器的建模方法21 

1.5.1精确的开关模型22 

1.5.2简化的分段开关模型22 

1.5.3abc静止坐标系的时变平均 

模型23 

1.5.4dq0旋转坐标系的时不变 

平均模型24 

1.5.5dq0旋转坐标系的交流小 

信号模型24 

1.6多电平变换器的工业应用24 

1.6.1在大功率交流调速系统中的 

应用25 

1.6.2在电力系统中的应用28 

1.6.3在机车牵引系统、船舶推进 

装置和汽车中的应用29 

1.6.4在能源的产生、转换和传输 

中的应用33 

1.6.5在其他领域中的应用37 

1.7本书的研究内容38第2章级联型多电平变换器拓扑 

结构及原理39 

2.1单相H桥结构及工作原理39 

2.1.1单相H桥结构39 

2.1.2单相H桥工作原理39 

2.2移相变压器结构与原理42 

2.2.1简介42 

2.2.2一次绕组为接二次绕组为 

延边三角形的移相变压器 

结构42 

2.2.3一次绕组为△接二次绕组为 

延边三角形的移相变压器 

结构45 

2.2.4移相变压器消除谐波电流的 

工作原理47 

2.3级联型H桥拓扑结构与工作 

原理49 

2.3.1级联型H桥拓扑结构49 

2.3.2级联型H桥工作原理50 

2.4本章小结52第3章多电平变换器PWM调制 

策略53 

3.1多电平变换器PWM调制策略的 

分类53 

3.2多电平 SPWM调制策略54 

3.2.1SPWM调制策略54 

3.2.2载波垂直移相SPWM多电平 

调制策略54 

3.2.3载波水平移相SPWM多电平 

调制策略54 

3.2.4多载波SPWM调制策略 

谐波分析55 

3.2.5多电平 SPWM调制策略 

仿真88 

3.3本章小结97第4章级联型组合变换器拓扑 

结构及调制策略98 

4.1概述98 

4.2级联型组合变换器拓扑结构的 

一般形式98 

4.2.1基于全桥模块单元类型自由 

度构建基本全桥单元99 

4.2.2基于全桥模块单元电平数和 

全桥模块单元类型两自由度 

相互结合构建组合变换器 

拓扑结构100 

4.2.3基于模块间直流侧电压的比例 

关系这一自由度构建组合变 

换器拓扑结构100 

4.2.4基于全桥单元所用开关器件 

的选取这一自由度构建组合 

变换器拓扑结构104 

4.3级联型组合变换器拓扑结构的 

组合调制策略105 

4.3.1基于多载波的组合变换器 

调制策略105 

4.3.2组合变换器调制策略的 

谐波分析106 

4.4组合变换器调制策略与两电平变 

换器PS调制策略之间的谐波 

性能比较109 

4.4.1PD+PS与两电平PS调制 

策略之间的比较109 

4.4.2PS+PS与两电平PS调制 

策略之间的比较110 

4.5基于PD+PS组合调制策略的 

多电平SVPWM调制策略110 

4.6组合变换器调制策略仿真112 

4.6.1等电压源多电平组合变换器 

拓扑结构的仿真113 

4.6.2等比电压源多电平组合 

变换器拓扑结构的仿真115 

4.7本章小结118第5章级联型变频器能量回馈拓扑结构及控制策略119第6章级联型高压变频器矢量控制策略168第7章高性能级联型变频器系统设计193第8章级联型多电平变换器的工业应用231 

参考文献301