电力电子中的控制电路实用设计指南 [西班牙] 米格尔?卡斯蒂亚_[西班牙] 米格尔?卡斯蒂亚_9787111810674

本书介绍了电力电子变换器的控制，主要涵盖了滑模控制技术、滞回控制技术和基于DSP或FPGA的数字控制技术等，以直-直变换器、高强度气体放电灯镇流器、三相单位功率因数整流器、电压源型逆变器等为设计案例，系统阐述了控制原理、电路设计技术和硬件开发技术。除此之外还介绍了当前国际范围内使用最为广泛的控制方案，以及未来电力电子控制电路的发展趋势。
本书主要面对电力电子专业的师生，以及从事电力电子变换器相关工作的研发人员、生产人员和应用技术人员，既可以作为授课拓展材料或专业参考书，也可作为其他专业的技术人员、管理人员、市场预测人员的参考资料。

电力电子技术是快速且有效转换电能的技术。在电力电子技术中，控制电路是保持功率变换稳定运行和高性能的关键。控制电路对功率变换性能具有决定性影响，例如效率、稳态误差（静态特性）、瞬态响应、系统稳定性和鲁棒性（动态特性）等。控制电路的基本单元包括检测单元、控制算法单元和调制单元三大部分。检测单元用来实时测量变换器当前的状态，以输入信号的形式提供给控制算法单元以进行后续控制；控制算法单元一般会根据设定的控制目标和检测出的当前状态对变换器进行控制；调制单元通过控制功率器件的开关来具体实现控制算法单元的指令。除了这些单元之外，控制电路的硬件开发水平也会对变换器的动静态性能产生影响。例如，变换器瞬态响应的速度和灵活性直接受制于控制电路硬件技术。
本书介绍了电力电子变换器的控制电路，分为三个部分模拟控制电路、数字控制电路和电力电子控制电路的新趋势。
第1部分概述了当前以模拟电路作为主要控制手段的各类应用，介绍了相关的背景知识，便于从业人员以此设计出相关模拟控制电路，实现优异的性能。本部分针对领域内的热门主题，对控制电路的设计和具体实现方法进行了详细描述。本部分还介绍了直- 直变换器、单相单位功率因数整流器、面向光伏应用的三相并网逆变器等设计实例。
第2部分介绍了以数字电路作为主要控制手段的解决方案，主要包括：微控制器（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）等，这些方案都是前沿技术的代表，有着广泛的应用。本部分的重点是，面向可再生能源直- 直变换器的数字控制解决方案、用于高强度放电灯的电子镇流器、具有单位功率因数校正功能的三相整流器、三相电压源型逆变器和多电平变换器。本部分主要针对从事数字控制电路设计的相关人员，详述了控制算法和调制方案。
第3部分介绍了电力电子控制电路的最新发展和新趋势，讨论了前沿的研究工作，主要涵盖了开关电容变换器、用于并网控制的双核数字信号处理器（具有控制和通信功能）、能够对开关电源进行高效控制的智能驱动单元，以及使用遗传算法和蚁群优化算法的智能优化设计方法等。
作为本书的主编,再次感谢所有参与者，感谢他们在本书编写过程中的出色工作和充分合作，并感谢IET的编辑和印刷人员。
Miguel Castilla
Vilanova i la Geltrú

米格尔?卡斯蒂亚（Miguel Castilla），西班牙加泰罗尼亚理工大学电子工程系副教授，IEEE 高级会员。先后于本校取得电信工程学士、硕士与电子工程博士学位，长期从事电力电子与新能源电力变换领域的教学与科研工作。
主要研究方向为电力电子变换器非线性控制、光伏与风电并网变流器技术、交直流微电网分布式能量管理、电力电子系统数字控制与嵌入式硬件实现。主持及参与多项西班牙国家级科研项目、欧盟地平线系列新能源研究课题，在 SCI 期刊、IEEE 国际会议发表学术论文 150 余篇，学术引用量高，在电力电子控制工程领域具备较高学术影响力。
曾任 IET Power Electronics 期刊编委，常年担任电力电子领域权威期刊与国际会议审稿专家、技术委员会委员。主编电力电子经典专著《Control Circuits in Power Electronics: Practical Issues in Design and Implementation》，该书被引进翻译为中文出版，成为电力电子控制电路工程设计领域重要参考工具书，同时长期指导硕博研究生，研究成果广泛应用于并网逆变器、储能变流器、电能质量治理装备等工业场景。

宁圃奇博士，于2010年在美国弗吉尼亚理工大学获得博士学位，之后在美国橡树岭国家实验室从事研究工作，于2011年获得副研究员职位并被美国田纳西大学聘为兼职助理教授，2013年回国加入中国科学院电工研究所任研究员。在高温碳化硅器件封装开发、高功率密度全碳化硅变频器研究、平面型双面冷却封装开发、低感动态均流功率模块布局设计等方面都取得原创性成果，发表EI检索论文45篇，包括12篇在本领域有重要影响SCI检索论文，2014年入选第五批青年千人计划。在美国的7年内，制作碳化硅模块近百个，先后开发测试了5款高功率密度碳化硅变频器，对20种前沿碳化硅器件进行了全面的测试。

出版说明
译者序
原书前言
第1章基于PWM的直-直变换器滑模控制方法
1.1 简介 002
1.2 滑模控制理论简述 003
1.3 基于PWM的滑模控制 005
1.4 基于PWM的电压滞回控制 005
1.5 基于PWM的电流滑模滞回控制 012
1.6 设计经验 015
1.7 小结 018
参考文献 018
第2章合成纹波直-直变换器的滞回控制方法
2.1 基于滞回控制器的直-直变换器 020
2.2 组成元件和非理想因素 022
2.2.1 变换器 022
2.2.2 载波生成电路 024
2.2.3 滞回控制器 025
2.2.4 电压反馈 026
2.3 合成载波发生电路 030
2.3.1 利用无源滤波器件的合成载波发生电路 030
2.3.2 利用有源滤波器件的合成载波发生电路 033
2.4 负载电流前馈 035
2.5 线性模型 036
2.5.1 合成纹波发生器建模 036
2.5.2 滞回控制器模型 037
2.6 小结 037
参考文献 038
第3章单周期控制单相电源逆变器
3.1 简介 039
3.2 单周期控制的基本原理和应用 040
3.3 光伏领域应用 044
3.3.1 单相光伏逆变器中的OCC 044
3.3.2 三相光伏逆变器中的OCC 048
3.4 通过庞加莱图进行OCC稳定性分析 052
3.5 小结 054
参考文献 054
第4章数字PWM控制的直-直开关变换器
4.1 数字控制环 059
4.1.1 时序图和控制过程 061
4.1.2 控制环延迟 061
4.2 动态建模和系统级补偿器设计 062
4.2.1 控制环小信号建模 062
4.2.2 补偿器设计和离散化 063
4.3 数字化问题和极限循环期 065
4.3.1 A/D数字化问题 065
4.3.2 调制器数字化问题 065
4.3.3 抑制极限循环期的设计 066
4.4 控制器的设计与实现 068
4.4.1 模拟/数字转换器（ADC） 068
4.4.2 数字补偿器 069
4.4.3 数字MPM 071
4.5 小结 074
参考文献 075
第5章基于单片机的高强度气体放电灯镇流器控制
5.1 HID灯的工作原理和模型 077
5.1.1 HID灯 077
5.1.2 HID灯运行需求 078
5.1.3 HID灯建模 079
5.2 HID灯的电子镇流器 081
5.2.1 交流应用的电子镇流器 081
5.2.2 直流工况下的电子镇流器 083
5.3 电子镇流器中的数字控制 083
5.3.1 HID灯的常规控制策略 083
5.3.2 PFC变换器 083
5.3.3 直-直变换器 084
5.3.4 低频逆变器 084
5.3.5 点火器 084
5.3.6 保护电路 085
5.4 应用实例 085
5.4.1 HID灯镇流器 085
5.4.2 单片机PIC16F684 086
5.4.3 控制策略 087
5.4.4 HID灯启动 088
5.4.5 预热过程 088
5.4.6 稳定运行状态 088
5.4.7 保护 089
5.4.8 实验结果 089
5.5 小结 092
参考文献 092
第6章基于FPGA的整流器直接滑模PWM控制
6.1 简介 095
6.2 滑模控制：基本理论与变换器应用 096
6.3 单相PWM整流器的直接滑模控制 097
6.3.1 单相PWM整流器模型 097
6.3.2 稳态工作限制 098
6.3.3 直接滑模控制的实现 099
6.3.4 基于FPGA的控制器 101
6.4 三相PWM整流器的直接滑模控制 104
6.4.1 三相PWM整流器模型 104
6.4.2 稳态工作限制 105
6.4.3 直接滑模控制的具体实施 106
6.4.4 基于FPGA的控制器 109
6.5 小结 113
参考文献 114
第7章基于DSP控制的三相单位功率因数整流器
7.1 简介 115
7.2 变换器控制用DSP电路 115
7.3 三相单位功率因数整流器拓扑 117
7.3.1 三相整流器：VSR和CSR 117
7.3.2 新型拓扑：Y-整流器、-整流器、VIENNA整流器 119
7.4 锁相环策略 121
7.4.1 三相系统中具有固定采样周期的PLL 121
7.4.2 具有固定采样周期的单相PLL 123
7.4.3 三相系统中具有变采样周期的PLL 126
7.4.4 具有变采样周期的单相PLL 128
7.4.5 PLL总结 131
7.5 UPF整流器的控制策略 131
7.5.1 基于dq坐标系的控制 131
7.5.2 基于pq理论的控制 134
7.5.3 预测控制 137
7.6 小结 141
参考文献 141
第8章并网用三相电压源型逆变器的DSP控制
8.1 简介 146
8.2 并网用三相电压源型逆变器的建模与控制 147
8.2.1 静止坐标系下的建模 147
8.2.2 同步旋转坐标系下的模型 153
8.2.3 通过LCL滤波器并网光伏逆变器的控制 158
8.3 静止坐标系下并网光伏逆变器的DSP控制 161
8.3.1 静止坐标系下电流环的设计和实现 162
8.3.2 静止坐标系下电压环的设计和实现 167
8.4 dq坐标系下通过LCL滤波器并网光伏逆变器的DSP控制 172
8.4.1 同步旋转坐标系下电流环的设计和实现 172
8.4.2 同步旋转坐标系下电压环的设计和实现 178
8.5 测试结果 179
8.6 小结 185
参考文献 185
第9章基于FPGA和DSP控制的
直-直变换器在可再生能源领域中的应用
9.1 简介 188
9.2 基于FPGA和DSP的多功能数字控制器 188
9.2.1 控制平台 188
9.2.2 DSP与FPGA的同步 190
9.2.3 FPGA功能的实现 191
9.2.4 触摸屏的实现 191
9.3 面向直-直变换器的新拓扑和控制策略开发 194
9.3.1 高变比无源钳位电路 194
9.3.2 三相交错并联高变比升压变换器 198
9.4 新拓扑在光伏发电中的应用 206
9.5 小结 207
参考文献 207
第10章多电平变换器的拓扑结构、调制方法和控制策略
10.1 简介 209
10.2 多电平变换器拓扑结构 210
10.2.1 二极管钳位变换器（DCC） 210
10.2.2 飞跨电容（FC）变换器 212
10.2.3 级联式H桥多电平（CHB）变换器 213
10.2.4 模块化多电平变换器（MMC） 215
10.3 多电平变换器的调制技术 217
10.3.1 低开关频率调制技术 218
10.3.2 高开关频率调制技术 218
10.3.3 MMC中环流电流的控制和电容电压平衡 225
10.3.4 共模电路和差模电路 225
10.4 数字控制器在多电平变换器中的应用 230
10.4.1 低电平数变换器使用的集中式数字控制器 230
10.4.2 高电平数变换器使用的分布式数字控制器 231
10.5 小结 233
参考文献 234
第11章 IGBT模块智能驱动发展现状
分析变换器核心的检测、控制、管理
11.1 门极驱动简介 244
11.1.1 电力电子系统、IGBT和门极驱动单元 245
11.1.2 监测和控制系统 249
11.2 新型门极驱动及其系统架构 250
11.2.1 系统集成 250
11.2.2 高温运行能力 251
11.3 集成数据采集方法 252
11.3.1 电压测量 253
11.3.2 电流测量 254
11.3.3 温度测量 256
11.4 智能控制 257
11.4.1 状态监测 257
11.4.2 开关行为控制 258
11.4.3 功率器件串联 260
11.4.4 功率器件并联 261
11.5 小结 262
参考文献 263
第12章集成开关电容变换器的控制
12.1 简介 265
12.2 自举电路（充电泵）设计 266
12.3 控制策略 268
12.3.1 两级调制策略 269
12.3.2 电路重构机制 271
12.3.3 脉冲频率调制和脉冲控制策略 274
12.3.4 载波移相 277
12.4 小结 278
参考文献 278
第13章基于DSP的三相单位功率因数整流器控制策略
13.1 简介 280
13.2 变换器模型 281
13.3 三相变换器的常规滑模控制方法 282
13.4 变换器的解耦模型 283
13.4.1 解耦模型的推导 284
13.4.2 模型的可控性和可观性 285
13.5 基于观测器的滑模控制策略 285
13.5.1 直接解耦模型 286
13.5.2 KF策略 286
13.5.3 Q与R矩阵的选择 287
13.5.4 降低计算量 287
13.6 UPFR的滑模控制 288
13.6.1 内控制环 288
13.6.2 外控制环 288
13.7 固定开关频率的滑模控制 289
13.7.1 滞回窗口的计算 289
13.7.2 SDA技术 291
13.7.3 开关频谱分析 293
13.8 实验结果 294
13.9 小结 296
参考文献 297
第14章基于双核DSP的交流微网控制和通信
14.1 简介 299
14.2 交流微网的控制 300
14.2.1 交流微网的架构 300
14.2.2 交流微网中的变换器 301
14.2.3 微网应用场景 302
14.3 电网支撑型变换器的控制 302
14.3.1 第一层控制 302
14.3.2 第二层控制 304
14.3.3 第三层控制 305
14.4 交流微网的通信 306
14.4.1 通信协议 306
14.4.2 实验室规模的微网示例 307
14.5 基于双核DSP的控制和通信 308
14.5.1 DSP的控制和通信技术 308
14.5.2 双核系统架构 309
14.5.3 基于C28的控制实现方法 310
14.5.4 基于M3的通信实现方法 311
14.5.5 交流微网中控制和通信的扩展 313
14.6 实验室规模微网测试结果 313
14.6.1 第一层控制的性能验证 314
14.6.2 第二层控制的性能验证 315
14.6.3 通信网络中丢包的影响 317
14.7 小结 318
参考文献 319
第15章电力电子变换器智能优化设计
15.1 简介 321
15.2 评估函数 322
15.2.1 第一类评估函数 322
15.2.2 第二类评估函数 323
15.2.3 主回路的评估函数 323
15.2.4 FN的评估函数 325
15.3 GA的实现 326
15.4 ACO搜索过程 328
15.4.1 eACO数据结构 328
15.4.2 eACO搜索过程 329
15.5 优化设计实例 331
15.5.1 设计目标 331
15.5.2 基于GA的设计 332
15.5.3 基于ACO的设计 333
15.6 小结 336
参考文献 336

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