1964年，从通信学科引入的脉宽调制（PWM）理论形成了现在的电力电子PWM理论基础，但是通信学科的PWM理论适用于高频率小功率信号，而电力电子学科研究的是工频大功率信号，导致现在的电力电子PWM理论还达不到E. Newell教授提出的以求成本最小，可靠性最高的准则。其中，首当其冲的就是从通信学科引入的逆变器母线电压udc=恒值的附加条件，在大功率时必须使用大量的滤波电容和功率滤波器，它们的成本、重量、体积都是庞大的数字，并直接大幅度降低了系统的可靠性和寿命。
本书用严谨的数学证明和坚实的物理知识，搞清楚了脉宽采样历史上遗留下来的各种存疑，发现了脉宽调制（PWM）采样的许多内在规律，从而创建了电压型逆变器母线电压udc恒值情况下的电力电子自己的PWM理论PWM波的按波属性进行控制的新理论，它的核心内容是PWM的脉冲移动技术。
本书可供从事研究电源系统、电机调速系统、光伏、风力发电、储能等新能源系统开发的工程技术人员阅读，也可供高等院校电力电子与电气传动、新能源及其相关专业师生阅读。
前 言
电力电子技术是近70年来电气领域中最有影响力的技术之一。20世纪50年代晶闸管一问世，立刻引起全世界电气领域各方面人士的重点关注，他们预感到一个小信号可以控制、管理大功率的新电气时代要来临了！事实上正是如此，往后的70年中电力电子技术蓬勃发展，特别是近20多年来，电力电子技术的应用从变频驱动系统、电源系统向国防领域、新能源领域快速扩展，国防领域的全电飞机、全电军舰、全电坦克和民用领域的光伏发电站、海上风力发电系统、电动汽车驱动系统及大型储能系统等重大项目相继问世，内在的关键技术之一就是大功率的电能转换和控制技术。这些装置的核心部件全都是电力电子逆变器，而且基本上都是电压型逆变器。可见，电力电子技术不是一个普通的技术，而是关乎国防和国民经济的重要技术。
电力电子技术包含两个主要内容，一是器件，二是基础理论。电力电子技术问世的70年来，一直是电力电子器件的发展大大快于电力电子基础理论的发展。例如当20世纪50～60年代晶闸管、大功率晶体管（GTR）问世的时候，对于这种特殊的开关器件还没有准备好任何相应的理论和有效控制方法，只能用非常简单的方波控制来应付，自然控制性能非常差。直到1964年从通信学科引入了PWM理论，才基本上走上了电力电子功率脉宽调制（PWM）理论的道路。当前，电力电子器件已经发展了好几代，而电力电子基础理论的发展却举步维艰，只是在通信学科的脉宽调制（PWM）理论的基础上进行了一些修修补补的工作，整体上没有脱离通信学科PWM理论的基本框架。也就是说，直到现在电力电子技术还没有自己的基础理论。
通信学科脉宽调制（PWM）理论有两个重大特征：一是它的目的只是传递高频率小功率的信号，只要求波形不失真，而幅值、谐波方面的调理由另外的小功率线性调理电路完成；二是为了调制、解调方便，将电压型逆变器的母线直流电压udc=恒值作为设计通信设备的先决条件，这在高频小功率信号的通信学科中是极为合理的，而对工频大功率信号的电力电子学科显然不合适。但是，电力电子学科自己的理论没有建立起来，没有办法，只能勉而用之。
经过多年的实践使我们清醒地认识到，1973年美国著名学者E. Newell教授提出的以求成本最小，可靠性最高应该是电力电子PWM基础理论的准则，它和通信原理的波形复现准则完全不同。而通信学科中电压型逆变器母线直流电压udc=恒值为设计的先决条件使得大功率电力电子装置设计时要加入大量的功率滤波电容和大功率滤波器，这直接和E. Newell教授提出的准则发生了矛盾。因此，现在的以通信学科脉宽调制（PWM）理论为基础的电力电子PWM理论远远没有达到E.Newell教授提出的高度。现在市面上的工业用大功率变频器都拥有大量电解电容和大功率输入滤波器，体形臃肿，成本高而寿命短。20世纪80年代后，不断有各方面人士挑战现在的电力电子PWM理论，期望大幅度减少电压型逆变器的母线滤波电容，但都没有取得成功，关键原因是至今没有建立一套完整的母线电压udc恒值的电压型逆变器PWM理论。现在，还有许多科研人员在空调变频器上努力探索，力求取得突破。
笔者在1979年接触到PWM理论时，曾经为其精妙之处所倾倒，但是，也对许多问题大惑不解，最典型的一个例子就是三角波和正弦波相交的自然采样方案，所有著作都只谈其实现的技术，不谈它们相交的物理本质，使人们知其然而不知其所以然。对于这些疑惑，19791987年笔者在国内、国外经过整整8年的拜访、请教后，才知道笔者提出的疑惑是至今还没有解决的问题，笔者不可能通过学习来得到答案，要想得到答案，只有去攻克这些问题。于是，笔者几十年来用严谨的数学手段，努力搞清楚了一个又一个疑点。在解决这些历史遗留下来的疑惑中，发现了PWM世界的一系列自然规律，并在实际课题中分别证明了这些自然规律的真实性，这些理论和实践的双重工作，使笔者更加深入地了解了PWM世界，笔者非常感慨，原来我们对PWM世界了解如此甚少！我们只有更深入、更广泛地了解PWM世界，才能建立起一个完整的适合电力电子技术自己的PWM理论。
本书就是笔者经过多年研究后，利用笔者发现的PWM世界的自然规律，对母线电压udc恒值的电压型逆变器系统建立的电力电子功率脉宽调制（PWM）按波属性进行控制的新理论，它的核心内容是PWM的脉冲移动技术。这仅仅是一个初步尝试，电力电子技术是一门应用性很强的学科，它必须在实际应用中遵照科学的客观规律，一步一步发展和完善其理论，不可能一蹴而就。本书只是抛砖引玉，做了一份开启的工作，希望在各方人士的群策群力下，从理论和实践两个方向逐步发展和完善这个新理论，使它成为完美的电力电子自己的PWM理论。
最后，感谢南京师范大学电气与自动化工程学院的杨建飞教授、邱鑫副教授，南京航空航天大学自动化学院的卜飞飞教授，他们和笔者一道，花了几年的时间，制作了20kW的实验样机，反复进行了实验，为验证本书所述理论做出了重大贡献。
由于该理论是初次提出，不免有许多不成熟甚至错误的地方，期望大家批评指正。
胡育文
胡育文，南京航空航天大学退休教授。享受国务院政府特殊津贴。2003-2010年国家自然科学基金评审委员会专家。曾任两届中国航空工业第一集团（即原航空部）科技委委员，部级航空电源重点实验室副主任，中国航空学会自动控制分会委员，中国航空学会电气工程专业委员会副主任，中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会委员等。长期从事电力电子与电机控制研究工作。
前言
第1章 绪论 / 001
1.1 电力电子技术的重要战略作用 / 003
1.2 电力电子技术包含的主要内容和它们的基本情况 / 003
1.3 电力电子技术需要的基础理论 / 005
1.4 本书的目的和安排 / 008
第2章 当前电力电子PWM理论的形成过程和存在的问题 / 010
2.1 SPWM控制方案的出现 / 011
2.2 又一个控制方案即SVPWM被发现 / 012
2.3 两种方案的理论背景比较 / 012
2.4 如何评价当前的电力电子系统PWM理论 / 013
2.5 国内外学者对建立电力电子系统PWM理论所做的努力 / 016
2.6 创建电力电子系统自己的PWM理论的难点所在 / 019
2.7 创建电力电子系统自己的PWM基础理论是现阶段电气技术人员的历史使命 / 020
2.8 创建电力电子系统的新PWM基础理论的突破口在哪里 / 021
第3章 击破坚冰，破解世纪之谜揭示自然采样的本质 / 022
3.1 国外学者对自然采样本质研究的状况 / 023
3.2 自然采样本质问题的探讨 / 023
3.2.1 信息理论的一般概念 / 023
3.2.2 单相单极性自然采样的本质 / 026
3.3 自然采样送给人们的宝贵信息 / 033
3.4 对自然采样的再评价 / 034
3.5 小结 / 036
第4章 电力电子系统PWM新理论的构架 / 039
4.1 近70年来电力电子支撑技术的进展 / 040
4.2 电力电子新PWM理论与通信系统PWM理论构架的不同之处 / 041
4.3 确立规则采样是电力电子PWM新理论构架中的基石 / 044
4.3.1 目前对规则采样的一些评价 / 045
4.3.2 还规则采样一个清白 / 046
4.4 研究方式的构架大变化：起点提前，从单个脉冲开始研究 / 047
4.5 小结 / 048
第5章 电压型逆变器母线电压udc恒值控制技术的理论基础 / 051
5.1 傅里叶级数是母线电压恒值控制理论的数学基石 / 052
5.2 规则采样时单个脉冲对基波和谐波贡献的计算方法 / 057
5.3 小结 / 062
第6章 准规则采样时单个脉冲对基波和谐波的贡献 / 064
6.1 单个脉冲在控制周期中移动时若干公式的推导 / 065
6.2 三个公式的对比、分析 / 070
6.3 小结 / 074
第7章 电压型逆变器中脉冲系列对基波和谐波的贡献 / 076
7.1 脉冲系列对基波的影响规律 / 077
7.1.1 准规则采样系统第一种派生情况下脉冲系列对基波的影响规律 / 079
7.1.2 准规则采样系统第二、三种派生情况下脉冲系列对基波的影响规律 / 080
7.2 脉冲系列对谐波的影响规律 / 081
7.2.1 准规则采样系统第一种派生情况下脉冲系列对谐波的影响规律 / 081
7.2.2 准规则采样系统第二种派生情况下脉冲系列对谐波的影响规律 / 085
7.2.3 准规则采样系统第三种派生情况下脉冲系列对谐波的影响规律 / 090
7.3 解决一个历史难题：自然采样在数字控制系统中实现的方法 / 090
7.4 不对称规则采样的本质和带给我们的思考 / 093
7.5 小结 / 099
第8章 电压型逆变器中PWM波按波属性进行控制的理论 / 102
8.1 对电力电子PWM波的进一步认识 / 103
8.1.1 电力电子PWM波是以量子形式传递能量 / 103
8.1.2 电力电子PWM波的控制方式 / 103
8.2 建立电力电子脉宽调制（PWM）新理论的条件已经成熟 / 104
8.3 PWM波按波属性进行控制的理论的建立 / 105
8.3.1 新理论的基本骨架 / 105
8.3.2 新理论建立的一些预备知识 / 106
8.3.3 输出电压的线性控制阶段 / 109
8.3.4 输出电压的非线性控制阶段按波属性进行控制 / 110
8.4 关于谐波的讨论 / 114
8.4.1 谐波的地位次于基波 / 114
8.4.2 基波和低次谐波的绝对值相差很大 / 115
8.4.3 脉冲移动后对基波和低次谐波的影响 / 115
8.4.4 脉冲移动后低次谐波的评估 / 115
8.4.5 国家标准必须重新审定 / 116
8.4.6 低次谐波进一步降低的方法 / 117
8.5 小结 / 117
第9章 电力电子功率脉宽调制（PWM）新理论的仿真验证 / 119
9.1 选择无电解电容变频器的设计项目验证新理论 / 120
9.1.1 选择合适的控制方案作为引导系统 / 121
9.1.2 母线电压恒值，有调制比m修正但没有补偿时的仿真情况 / 122
9.1.3 母线电压恒值时，同时采用修正调制比m和按波属性进行控制的仿真情况 / 125
9.2 负载为160kW异步电机的运行仿真 / 130
9.3 小结 / 135
第10章 总结篇 / 137
10.1 电力电子理论指导思想的演变过程 / 138
10.2 新理论中的全新思想和概念、观念上的突破 / 140
10.3 新理论已经解决了的几个大问题 / 149
10.4 建立电力电子领域新采样定理 / 152
10.5 新理论发展的未来展望 / 154
附录 电力电子PWM技术按波属性进行控制新理论的验证实验 / 156
参考文献 / 165
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