华中科技大学高等电力电子学研究生课程考试复习重点

第一章序论

1、电力电子学：电力技术（电力设备及网络）、电子技术（电子器件及电路）、控制技术（连续、离散）三者的交叉学科。（器件级-开关元件；电路级-电力电子电路；系统级-电力电子电路及其他辅助电路；）

2、电力电子电路特点：

①优点：使用半导体开关元件，高效快速灵活；

②缺点：半导体作开关，会产生谐波电压和电流；

元件级特点：器件制造水平制约电力电子技术发展，器件使用水平决定电力电子装置的可靠性；

电路级特点：

1）拓扑结构选择多，但要考虑器件的非理想特征；2）电路的非线性、时变特性使分析复杂；

3）控制电路的实时性要求高；

应用层面：开关型电力电子电源；开关型电力电子补偿控制器；

第二章电力电子电路的控制

1、概念：

①电力变换：将一种参数（幅值、频率、波形）的电能转换成另一种参数的电能；

②电力电子变换：利用电力电子半导体开关器件构成开关电路，对电路中的开关器件进行实时、适式的

通断状态控制，将电源输入的电量变换为另一种参数形式的电量。

③电力电子（开关）电路：实施电力电子变换的开关电路；

④电力电子变换器（变流器）：实现电力电子变换的开关电路、加上输入输出滤波环节、辅助元器件和

控制系统构成的整体。

2、电力电子电路的应用：

①电力变换有4个类型（DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC）；

②电力电子电源：交流电源+直流电源；电力电子负载：交流负载+直流负载；

③应用：电力电子变换电源；电力电子补偿控制器；

3、开关器件的开关模式：相控、方波、PWM

4、电能质量：供电可靠性+ 频率质量+ 电压质量；主要关注：谐波+ 无功；

第三章有源滤波器APF

1、谐波源：非线性负荷——谐波电流，谐波电流经网路阻抗——谐波电压；

①主要为：铁磁设备、电弧设备、电力电子设备（主要污染源）；

②电压型整流器：电流脉冲，谐波含量60%；电流型整流器：电压方波，谐波含量30%；

2、谐波危害：

①增加损耗，降低使用效率；②热效应，绝缘老化，降低设备使用寿命；

③可能引起电网局部谐振，损坏器件；④引起电力系统保护设备误动作；

⑤电气测量设备计量不准；⑥干扰、损坏电子通信设备

3、无功源：阻感型负载，电力电子装置，电弧炉；

危害：冲击性无功引起系统电压波动和闪变，降低供电质量；增加设备容量；增加损害；降低功率因数。

4、性能指标：

①（总谐波畸变率）；②TDD（总要求畸变率）；

③基波位移因数DF1（基波有功/基波视在功率）；④功率因数PF（有功功率/视在功率）

5、有源电力滤波器APF（active power filter）：

①并联型有源电力滤波器PAPF：

工作机理：补偿负载谐波及无功电流，是电网功率因数为1；相当于谐波和无功电流发生器；

②串联型有源电力滤波器SAPF：

工作机理：补偿负载产生的谐波电压及负载处基波电压压降，使与负载并联的其他负载不受干扰；相当于谐波和基波电压发生器；

③PAPF和SAPF的对比：

PAPF：电流源，补偿负载谐波电流和无功电流，使电源电流正弦化；

SPAF：电压源，补偿谐波电压和基波电压压降，使电网中其他端点电压无谐波，电源电流随之正弦化；

6、有源电力滤波器APF和无源电力滤波器PPF（passive power filter）的对比：

①谐波电流控制：PPF-只能消除特定频率谐波；APF-可同时补偿多种谐波和无功；

②谐波频率变化对其影响：PPF-效果降低；APF-不受影响；

③阻抗变换对其的影响：PPF-受系统参数影响大，可能与电网阻抗谐振；APF-不受影响；

④谐波电流增大的影响：PPF-可能过载；APF-可调控至不过载；

⑤基波频率改变：PPF-不允许；APF-可跟踪电网频率变化，不受影响；

7、其他滤波器：

①混合型电力滤波器：1）APF与LC并联或串联；2）谐振注入电流；

②统一电能质量控制器UPQC（SAPF+PAPF）：同时保证电网侧电流、负载侧电压质量；

工作条件：PAPF电压=基波额定电压；SPAF电流=与基波额定电压同相的基波电流；

工作原理：PAPF补偿谐波电流和无功电流，SAPF补偿谐波电压和基波压降；

第四章逆变器及控制

1、逆变器性能指标：

①THD；②谐波系数HF=谐波电压有效值/基波电压有效值；

③畸变系数DF（distortion）：经LC滤波后输出电压还存在畸变的程度；

分为DF1（一阶滤波器）：Vn/n、DF2（二阶滤波器）：Vn/n2；

2、单相逆变器：

①负载模型：将负载电流处理成逆变器的外部扰动输入量；

②状态空间模型（考点）：逆变器由分段线性（开关器件）和线性（电路其他部分）电路组成；

处理：状态空间平均法：在逆变器输出频率、系统截止频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内对开关状态的不连续化作低频等效，得到线性化的状态空间平均模型。

缺点：不能反映暂态开关的细节；（其余见PPT）

3、三相逆变器模型：（矩阵见PPT）

①静止ABC坐标系模型：三相间无耦合，可等效为三个独立的单相PWM逆变器；

②αβ坐标系模型：两轴上的状态变量没有耦合，且状态变量内部关系与单相PWM逆变器的状态方程一致；可等效为两个独立的PWM逆变器（前提：平衡的三相PWM逆变器）；

③dq旋转坐标系模型：dq轴间有耦合；三线三线：d、q轴两个控制器；三相四线：d、q、0轴三个控制器；

4、控制器设计：

①控制器分类：模拟控制器+数字控制器；

②控制方式分类：模拟控制、数字控制、数模混合控制；

③控制策略：1）模拟控制策略（滞后校正、超前校正、滞后超前校正、状态反馈控制）；

2）数字控制策略（模拟控制策略+专有数字控制策略——重复控制、误差拍控制等）；

④参数设计方法：

1）模拟控制器依据：连续控制理论（基于频域设计、根轨迹设计、状态空间设计）；

2）数字控制器依据：离散控制理论（模拟化方法、直接数字法）

1.模拟化方法：把基于连续系统设计的模拟控制器离散化成数字控制器（近似处理）；

2.直接数字法：先将带采样保持器的被控对象离散化，在对其离散模型设计数字控制器；

6、离散控制系统的采样频率：采样频率不小于输入信号中最高频率分量的8-10倍；

7、控制参数设计方法：（不用掌握具体设计过程）

①基于频域：串联校正（超前校正+滞后校正+超前滞后校正）+复合校正；

串联校正：

1）超前校正：利用相角特性，增加相位裕度PM，减小振荡、改善动态性能；特例：PD控制；2）滞后校正：利用高频衰减作用，使被控对象的幅值过零点提前，增加PM；特例：PI控制；

3）超前滞后校正：同时保证稳定性、稳态性能、动态性能；特例：PID控制；

复合校正（反馈校正与前馈校正组成）：

优点：既可保持系统稳定性，减小或消除稳态误差，也可抑制可测量扰动量；

1）反馈校正：闭环控制，检测偏差并不断修正偏差以改善系统性能；

2）前馈校正：开环控制，利用参考量或可测量的扰动量产生补偿作用以减小或抵消输出量的误差；3）前馈校正与反馈校正的区别：

1、不用等输出量形成偏差后才纠正偏差，更快，不受系统延迟的影响；

2、没有自动修正偏差的能力，控制精度完全取决于前馈校正装置，抗扰动能力差；

4）复合校正分类：带扰动前馈的复合校正+带输入前馈的复合校正（函数关系见ppt）

1、带扰动前馈的复合校正：实现系统对扰动的静态全补偿；

2、带输入前馈的复合校正：实现对输入量的误差全补偿；

②根轨迹校正：根据根轨迹上零极点的位置设计控制系统；

③重复控制：逆变电源给整流/相控负载供电时，负载扰动和输出电压波形偏差是周期性出现的，针对此特点，利用内模原理进行重复控制算法的设计，根据扰动的重复性逐周期修正输出波形；

不足：动态响应超过一个基波周期，存在动态响应慢的问题；

④误差拍控制：基于状态空间的多变量反馈控制，根据被控对象离散数学模型精确计算控制量并施加于对象，使输出量偏差在一个采样周期内被修正；