CN106026140A - 一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置及方法，所述控制装置包括：三相开关控制电路、滤波模块和电流采样模块，所述三相开关控制电路通过滤波模块连接至电网，所述三相开关控制电路和滤波模块均连接至三相负载的A、B、C和N线上，所述三相负载的三相输出电流分别通过电流采样模块连接至所述滤波模块。本发明通过三相开关控制电路的环路控制三相输出电流，使得输出的三相电感电流分离出的各个负序分量瞬时值和零序分量瞬时值，和三相负载侧的ABC三相输出电流分离出的各个负序分量和零序分量相比，大小相等且方向相反，从而使得电网的ABC三相电流均衡，实现了快速响应，精确的动态补偿三相不平衡电流，同时补偿无功的目的。

Description

一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种三相控制装置，尤其涉及一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，并涉及采用了该用于三相不平衡和无功补偿的控制装置的控制方法。
背景技术
城乡配电网中大量采用三相四线制接线方式，随着人民生活水平的不断提高，电力系统中用电负荷结构发生较大变化。居民用电设备种类增多，用电量随之增加，存在着很多单相三相负载，使得配电网领域的三相不平衡问题越来越突出，由此导致电网电能质量问题也日益严重。一些地区台变低压侧电流不平衡度超过80％。三相不平衡造成的影响正威胁着用户的用电设备，迫切需要补偿装置来改善电能质量。长期三相不平衡，会增加台区变压器的损耗，中线电流增加，造成中线烧毁，继而对用电设备造成损害。因此，需要一种装置，首先要能够抑制三相负载的三相电流不平衡，使经过该装置的电流达到均衡；其次，在补偿三相负载侧不平衡的同时能够补偿三相负载侧的无功，提高网侧的功率因数。
但是，传统技术涉及的电容和电感投切装置，无法快速补偿无功，补偿精度无法保证，无法有效调节三相有功功率(电流)的不平衡；电流不平衡调节后不平衡度仍然超过5％，无法满足补偿精度要求，调节能力有限。
SVG(静态无功发生器)主要是补偿无功，多用于三相三线制高压无中线系统，因为不具备中线，所以无法补偿零序电流，无法调节无功的不平衡。APF(有源滤波器)只能对电流的谐波进行补偿，无法补偿零序电流，对于三相有功功率不平衡补偿能力有限。
另外，三相四桥臂等方案可以补偿零序电流，但是效率低，增加了成本。也就是说，现有技术存在的缺点主要有：多用于三相三线制，三相四线的零线电流没有办法抑制；拓扑复杂，采用三相四桥臂等方案，增加了成本；与电容投切装置同时使用，电流中含有3、5、7、9和11等低次谐波，引起谐振；无功和电流不平衡无法用一个装置补偿，补偿所需要的时间长，补偿精度不能满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够快速响应，精确的动态补偿三相负载的三相不平衡电流，同时补偿无功的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，并提供采用了该用于三相不平衡和无功补偿的控制装置的控制方法。
对此，本发明提供一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，包括：三相开关控制电路、滤波模块和电流采样模块，所述三相开关控制电路通过所述滤波模块连接至电网，所述三相开关控制电路和滤波模块均连接至三相负载的A、B、C和N线上，所述三相负载的三相输出电流分别通过电流采样模块连接至所述滤波模块。
本发明的进一步改进在于，所述控制装置输出三相电感电流，所述三相电感电流分离出的各个负序和零序分量，该三相电感电流分离出的各个负序和零序分量与所述三相负载的三相输出电流所分离出的各个负序和零序分量的大小相等且方向相反。
本发明的进一步改进在于，所述三相开关控制电路为并联于电网的T型三电平拓扑电路。
本发明的进一步改进在于，所述滤波模块包括电感L1、电容C11、电感L4、电感L2、电容C12、电感L5、电感L3、电容C13和电感L6，所述电感L4的一端连接至电网和三相负载之间的A线，所述电感L4的另一端分别与所述电感L1的一端和电容C11的一端相连接，所述电感L1的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C11的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L5的一端连接至电网和三相负载之间的B线，所述电感L5的另一端分别与所述电感L2的一端和电容C12的一端相连接，所述电感L2的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C12的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L6的一端连接至电网和三相负载之间的C线，所述电感L6的另一端分别与所述电感L3的一端和电容C13的一端相连接，所述电感L3的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C13的另一端连接至电网和三相负载之间的N线。
本发明的进一步改进在于，所述滤波模块还包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2和霍尔传感器H3，所述电感L4的另一端通过霍尔传感器H1连接至所述电感L1的一端；所述电感L5的另一端通过霍尔传感器H2连接至所述电感L2的一端；所述电感L6的另一端通过霍尔传感器H3连接至所述电感L3的一端。
本发明的进一步改进在于，所述三相开关控制电路包括开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、直流母线电容C1和直流母线电容C2；所述开关管Sa1的发射极、开关管Sa3的集电极和开关管Sa4的集电极均连接至所述电感L1远离电感L4的一端，所述开关管Sa3的发射极连接至所述开关管Sa2的发射极，所述开关管Sa1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sa2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sa4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sb1的发射极、开关管Sb3的集电极和开关管Sb4的集电极均连接至所述电感L2远离电感L5的一端，所述开关管Sb3的发射极连接至所述开关管Sb2的发射极，所述开关管Sb1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sb2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sb4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sc1的发射极、开关管Sc3的集电极和开关管Sc4的集电极均连接至所述电感L3远离电感L6的一端，所述开关管Sc3的发射极连接至所述开关管Sc2的发射极，所述开关管Sc1的集电极连接至直流母线电容C1正极，所述开关管Sc2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sc4的发射极连接至直流母线电容C2的负极。
本发明的进一步改进在于，所述直流母线电容C1的一端分别与所述开关管Sa1的集电极、开关管Sb1的集电极和开关管Sc1的集电极相连接，所述直流母线电容C1的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接；所述直流母线电容C2的一端分别与所述开关管Sa4的发射极、开关管Sb4的发射极和开关管Sc4的发射极相连接，所述直流母线电容C2的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接。
本发明的进一步改进在于，所述电流采样模块通过电流传感器分别采集所述三相负载的三相输出电流。
本发明还提供一种用于三相不平衡和无功补偿的控制方法，采用了如上所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，并包括以下步骤：
步骤S1，计算给定的第一零序分量；
步骤S2，提取三相输出电流的第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值；
步骤S3，在所述控制装置的控制环路中对电流给定滤波值，并反馈电流的瞬时值。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，利用公式I0＝(Ia0+Ib0+Ic0)/3计算三相输出电流的给定的第一零序分量，其中Ia0、Ib0和Ic0分别为三相负载的三相输出电流，I0为三相输出电流的第一零序分量；利用公式I0*＝(Ia0+Ib0+Ic)/3计算三相电感电流的给定的第一零序分量，其中Ia、Ib和Ic分别为三相电感电流，I0*为三相电感电流的第一零序分量；所述步骤S3中，对电流给定滤波值为第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，其中，第二正序分量滤波值取0；反馈电流的瞬时值为第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过并联的三相开关控制电路的环路控制ABC三相电感电流的输出电流，使得输出的三相电感电流分离出的各个负序分量瞬时值和零序分量瞬时值，和三相负载侧的ABC三相输出电流分离出的各个负序分量和零序分量相比，大小相等且方向相反，从而使得电网的ABC三相电流均衡，且电网的功率因数达到0.99，实现了快速响应，精确的动态补偿三相负载的三相不平衡电流，同时补偿无功的目的。
本发明提取三相输出电流的第二正序分量、第三正序分量、第二负序分量和第三负序分量，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值，同步补偿负序和零序，零序分量兼顾正负母线平衡；在此基础上，在所述控制装置的控制环路中对电流给定滤波值，能够滤除3、5、7、9和11次谐波，避免谐振，反馈电流的瞬时值，加快响应速度，确保10ms时间内完全补偿；本发明采用PI+重复控制，控制第二正序分量、第三正序分量、第二负序分量、第三负序分量和零序分量五个环路控制，从动态和稳态两个层面提高不平衡补偿精度，同时补偿无功。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路原理图；
图2是本发明另一种实施例的环路控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本例提供一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，包括：三相开关控制电路、滤波模块和电流采样模块，所述三相开关控制电路通过所述滤波模块连接至电网，所述三相开关控制电路和滤波模块均连接至三相负载的A、B、C和N线上，所述三相负载的三相输出电流分别通过电流采样模块连接至所述滤波模块。
本例所述控制装置输出三相电感电流，所述三相电感电流分离出的各个负序和零序分量，该三相电感电流分离出的各个负序和零序分量与所述三相负载的三相输出电流所分离出的各个负序和零序分量的大小相等且方向相反。图1为所述控制装置的电路原理拓扑图，为三相四线制，最终并联在电网上，实现补偿三相负载N线上的电流，使得并入电网的电流趋于均衡。所述三相开关控制电路为并联于电网的T型三电平拓扑电路。
如图1所示，本例所述滤波模块包括电感L1、电容C11、电感L4、电感L2、电容C12、电感L5、电感L3、电容C13和电感L6，所述电感L4的一端连接至电网和三相负载之间的A线，所述电感L4的另一端分别与所述电感L1的一端和电容C11的一端相连接，所述电感L1的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C11的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L5的一端连接至电网和三相负载之间的B线，所述电感L5的另一端分别与所述电感L2的一端和电容C12的一端相连接，所述电感L2的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C12的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L6的一端连接至电网和三相负载之间的C线，所述电感L6的另一端分别与所述电感L3的一端和电容C13的一端相连接，所述电感L3的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C13的另一端连接至电网和三相负载之间的N线。
如图1所示，本例所述滤波模块还包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2和霍尔传感器H3，所述电感L4的另一端通过霍尔传感器H1连接至所述电感L1的一端；所述电感L5的另一端通过霍尔传感器H2连接至所述电感L2的一端；所述电感L6的另一端通过霍尔传感器H3连接至所述电感L3的一端。
如图1所示，本例所述三相开关控制电路包括开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、直流母线电容C1和直流母线电容C2；所述开关管Sa1的发射极、开关管Sa3的集电极和开关管Sa4的集电极均连接至所述电感L1远离电感L4的一端，所述开关管Sa3的发射极连接至所述开关管Sa2的发射极，所述开关管Sa1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sa2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sa4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sb1的发射极、开关管S b3的集电极和开关管Sb4的集电极均连接至所述电感L2远离电感L5的一端，所述开关管Sb3的发射极连接至所述开关管Sb2的发射极，所述开关管Sb1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sb2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sb4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sc1的发射极、开关管Sc3的集电极和开关管Sc4的集电极均连接至所述电感L3远离电感L6的一端，所述开关管Sc3的发射极连接至所述开关管Sc2的发射极，所述开关管Sc1的集电极连接至直流母线电容C1正极，所述开关管Sc2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sc4的发射极连接至直流母线电容C2的负极。
如图1所示，本例所述直流母线电容C1的一端分别与所述开关管Sa1的集电极、开关管Sb1的集电极和开关管Sc1的集电极相连接，所述直流母线电容C1的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接；所述直流母线电容C2的一端分别与所述开关管Sa4的发射极、开关管Sb4的发射极和开关管Sc4的发射极相连接，所述直流母线电容C2的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接。
如图1所示，本例所述电流采样模块通过电流传感器CT1、电流传感器CT2和电流传感器CT3分别采集所述三相负载的三相输出电流。
本例所述三相开关控制电路共12个开关管，ABC三相中每相4个开关管，A相为4个开关管，即开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3和开关管Sa4；B相为4个开关管，即开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3和开关管Sb4；C相为4个开关管，即开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3和开关管Sc4。本例优选用美国TI公司的DSP芯片控制产生SPWM发波，最终驱动12个开关管开通和关断，控制三相电感电流，达到补偿三相负载侧电流不平衡和无功的目的。
所述滤波模块中，ABC三相共3组LCL滤波器实现滤波功能，6个交流滤波电感L1至电感L6，3个交流滤波电容C11至电容C13。电容C1和电容C2分别为正负直流母线电容组。其中一个环路为正负母线差调节环路，控制电容C1和电容C2上的电压均衡。霍尔传感器H1、霍尔传感器H2和霍尔传感器H3为三个霍尔传感器，分别采集三相不平衡补偿装置的ABC三相电感电流，作为提取控制环路的反馈量。电流传感器CT1、电流传感器CT2和电流传感器CT3为CT传感器，是采集三相负载的ABC三相输出电流的采样装置，作为提取控制环路的给定量。
补偿不平衡的效果为，三相负载侧的Ia′、Ib′和Ic′三相电流有效值不相等，In′远大于0，经过补偿后Ia、Ib和Ic电流均衡且网侧功率因数达到0.99，In近似为0。比如三相负载侧ABC三相输出电流有效值分别为5A、10A和15A,加入该补偿装置，补偿后网侧ABC三相电流有效值分别为10A、10A和10A。
本例通过并联的三相开关控制电路的环路控制ABC三相电感电流的输出电流，使得输出的三相电感电流分离出的各个负序分量瞬时值和零序分量瞬时值，和三相负载侧的ABC三相输出电流分离出的各个负序分量和零序分量相比，大小相等且方向相反，从而使得电网的ABC三相电流均衡，且电网的功率因数达到0.99(理论值为1)，实现了快速响应，精确的动态补偿三相负载的三相不平衡电流，同时补偿无功的目的。
实施例2：
本例还提供一种用于三相不平衡和无功补偿的控制方法，采用了如实施例1所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，并包括以下步骤：
步骤S1，计算给定的第一零序分量；
步骤S2，提取三相输出电流的第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值；
步骤S3，在所述控制装置的控制环路中对电流给定滤波值，并反馈电流的瞬时值。
本例所述步骤S1中，利用公式I0＝(Ia0+Ib0+Ic0)/3计算三相输出电流的给定的第一零序分量，其中Ia0、Ib0和Ic0分别为三相负载的三相输出电流，I0为三相输出电流的第一零序分量；利用公式I0*＝(Ia0+Ib0+Ic)/3计算三相电感电流的给定的第一零序分量，其中Ia、Ib和Ic分别为三相电感电流，I0*为三相电感电流的第一零序分量；
所述第一零序分量也称Z轴零序分量，同时也是三相负载中线电流；所述三相输出电流的第一零序分量也是电感中线电流；本例求取三相负载中线电流I0和电感中线电流I0*的目的是，后续利用该控制装置的环路控制该装置输出的中线电流，使得它和三相负载侧零线上的电流的大小相等、方向相反。从而补偿网侧中线电流，使得网侧电流为0。
所述三相输出电流指的是三相负载的三相电流；所述三相电感电流指的是控制回路中电感的三相电流；所述第二正序分量也称电流正序d轴分量，第三正序分量也称电流正序q轴分量，第二负序分量也称电流负序d轴分量，第三负序分量也称电流负序q轴分量；第二正序分量瞬时值也称电流正序d轴分量瞬时值，第三正序分量瞬时值也称电流正序q轴分量瞬时值，第二负序分量瞬时值也称电流负序d轴分量瞬时值，第三负序分量瞬时值也称电流负序q轴分量瞬时值。其中，d轴和q轴其实就是同步旋转坐标系中的两个正交的坐标轴，d轴和q轴对应的正序分量和负序分量其实就是三相电流在同步旋转坐标系的两个坐标轴上的投影。所述步骤S2中，采用基于惯性低通滤波的迭代方法，通过公式Id_pos1_filter(k)+＝Id_pos1_filter(k-1)+(Id_pos1(k)-Id_pos1_filter(k-1))*M提取三相输出电流的第二正序分量滤波值，通过公式Iq_pos1_filter(k)+＝Iq_pos1_filter(k-1)+(Iq_pos1(k)-Iq_pos1_filter(k-1))*M提取第三正序分量滤波值，通过公式Id_neg1_filter(k)+＝Id_neg1_filter(k-1)+(Id_neg1(k)-Id_neg1_filter(k-1))*M提取第二负序分量滤波值，通过公式Iq_neg1_filter(k)+＝Iq_neg1_filter(k-1)+(Iq_neg1(k)-Iq_neg1_filter(k-1))*M提取第三负序分量滤波值；所述第二正序分量滤波值为第二正序分量的滤波值，所述第三正序分量滤波值为第三正序分量的滤波值，所述第二负序分量滤波值为第二负序分量的滤波值，所述第三负序分量滤波值为第三负序分量的滤波值。通过公式Id_pos1(k)＝Id_pos0(k)-(Id_neg1_filter(k-1)*Cos2Theta(k))-(Iq_neg1_filter(k-1)*Sin2Theta(k))提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值，通过公式Iq_pos1(k)＝Iq_pos0(k)+(Id_neg1_filter(k-1)*sin2Theta(k))-(Iq_neg1_filter(k-1)*Cos2Theta(k))提取第三正序分量瞬时值，通过公式Id_neg1(k)＝Id_neg0(k)-(Id_pos1_filter(k-1)*Cos2Theta(k))+(Iq_pos1_filter(k-1)*Sin2lheta(k))提取第二负序分量瞬时值，通过公式Iq_neg1(k)＝Iq_neg0(k)-(Id_pos1_filter(k-1)*Sin2Theta(k))-(Iq_pos1_filter(k-1)*Cos2Theta(k))提取第三负序分量瞬时值。
以上这些公式，是采用基于惯性低通滤波的迭代方法提取三相输出电流的第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值；实际应用中，还可以通过其他方式实现这些三相电流的三个相位的正序分量和负序分量的数值提取。
其中，美国TI公司DSP芯片中的算法主要依据循环数字控制周期实现控制。公式中，Id_pos1_filter(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)电流正序d轴分量滤波值，即当前时刻数字控制周期的第二正序分量滤波值；Iq_pos1_filter(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)电流正序q轴分量滤波值，即当前时刻数字控制周期的第三正序分量滤波值；Id_neg1_filter(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)电流负序d轴分量滤波值，即当前时刻数字控制周期的第二负序分量滤波值；Iq_neg1_filter(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)电流负序q轴分量滤波值，即当前时刻数字控制周期的第三负序分量滤波值。
Id_pos1_filter(k-1)为上一个数字控制周期(K-1次)电流正序d轴分量滤波值，即上一个数字控制周期的第二正序分量滤波值；Iq_pos1_filter(k-1)为上一个数字控制周期(K-1次)电流正序q轴分量滤波值，即上一个数字控制周期的第三正序分量滤波值；Id_neg1_filter(k-1)为上一个数字控制周期(K-1次)电流负序d轴分量滤波值，即上一个数字控制周期的第二负序分量滤波值；Iq_neg1_filter(k-1)为上一个数字控制周期(K-1次)电流负序q轴分量滤波值，即上一个数字控制周期的第三负序分量滤波值。
Id_pos1(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流正序d轴分量瞬时值，即当前时刻数字控制周期的第二正序分量瞬时值；Iq_pos1(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流正序q轴分量瞬时值，即当前时刻数字控制周期的第三正序分量瞬时值；Id_neg1(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流负序d轴分量瞬时值，即当前时刻数字控制周期的第二负序分量瞬时值；
Iq_neg1(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流负序q轴分量瞬时值，即当前时刻数字控制周期的第三负序分量瞬时值。
Id_pos0(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流正序d轴分量初始值，即当前时刻数字控制周期的第二正序分量初始值；Iq_pos0(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流正序q轴分量初始值，即当前时刻数字控制周期的第三正序分量初始值；Id_neg0(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流负序d轴分量初始值，即当前时刻数字控制周期的第二负序分量初始值；Iq_neg0(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的电流负序q轴分量初始值，即当前时刻数字控制周期的第三负序分量初始值。Cos2Theta(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的2倍锁相角余弦值(2Theta是2倍的三相电网电压的等效矢量的旋转角度)；Sin2Theta(k)为当前时刻数字控制周期(第K次)的2倍锁相角正弦值(2Theta是2倍的三相电网电压的等效矢量的旋转角度)；M为滤波系数，其中M＝0.125为优选的典型值。
三相不平衡装置本质上为一个电流源，采用跟踪电网电压正序的锁相算法，使得电感电流能够跟踪电网电压的频率和相位。锁定三相电网电压的等效矢量的旋转角度Theta，计算2倍Theta的正弦值和余弦值。三相负载电流Ia0，Ib0，Ic0和三相电感电流Ia，Ib，Ic都经过双dq变换，得到正序d轴分量，正序q轴分量，负序d轴分量，负序q轴分量。
正序d轴分量、正序q轴分量、负序d轴分量和负序q轴分量的初始变量依次为Id_pos0(k)(当前时刻数字控制周期电流正序d轴分量初始值)、Iq_pos0(k)(当前时刻数字控制周期电流正序q轴分量初始值)、Id_neg0(k)(当前时刻数字控制周期电流负序d轴分量初始值)和Iq_neg0(k)(当前时刻数字控制周期电流负序q轴分量初始值)，初始值为直流量叠加2倍频干扰量。Id_pos0(k)、Iq_pos0(k)、Id_neg0(k)和Iq_neg0(k)再分别消去2倍频干扰量后，得到Id_pos1(k)(当前时刻数字控制周期电流正序d轴分量瞬时值)、Iq_pos1(k)(当前时刻数字控制周期电流正序q轴分量瞬时值)、Id_neg1(k)(当前时刻数字控制周期电流负序d轴分量瞬时值)和Iq_neg1(k)(当前时刻数字控制周期电流负序q轴分量瞬时值)。
Id_pos1_filter(k)(当前时刻数字控制周期电流正序d轴分量滤波值)、Iq_pos1_filter(k)(当前时刻数字控制周期电流正序q轴分量滤波值)、Id_neg1_filter(k)(当前时刻数字控制周期电流负序d轴分量滤波值)和Iq_neg1_filter(k)(当前时刻数字控制周期电流负序q轴分量滤波值)分别为Id_pos1(k)、Iq_pos1(k)、Id_neg1(k)和Iq_neg1(k)的滤波量，选取合适的滤波值M，经过迭代提取后，最终得到瞬时值Id_pos1(k)、Iq_pos1(k)、Id_neg1(k)和Iq_neg1(k)以及滤波值Id_pos1_filter(k)、Iq_pos1_filter(k)、Id_neg1_filter(k)和Iq_neg1_filter(k)。
所述步骤S3中，对电流给定滤波值为第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，其中，第二正序分量滤波值取0；反馈电流的瞬时值为第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值。
本例提取三相输出电流的第二正序分量、第三正序分量、第二负序分量和第三负序分量，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值，同步补偿负序和零序，零序分量兼顾正负母线平衡；在此基础上，在所述控制装置的控制环路中对电流给定滤波值，能够滤除3、5、7、9和11次谐波，避免谐振，反馈电流的瞬时值，加快响应速度，确保10ms时间内完全补偿；本发明采用PI+重复控制，控制第二正序分量、第三正序分量、第二负序分量、第三负序分量和零序分量五个环路控制，从动态和稳态两个层面提高不平衡补偿精度，同时补偿无功。
本例采用PI+重复控制，控制第二正序分量、第三正序分量、第二负序分量、第三负序分量和第一零序分量工五个环路控制，提高不平衡补偿能力，同时补偿无功。
其中控制环路中的策略是，给定量取滤波值，反馈量取瞬时值。达到结果为消除3、5、7、9和11次等低次谐波，避免谐振。具体做法为，环路控制中电流给定采用滤波值为：0(三相负载电流的第一正序分量取0，因为三相负载电流对的第一正序分量不需要补偿)、-Iq0+(三相负载电流的第三正序分量滤波值)、-Id0-(三相负载电流的第二负序分量滤波值)和-Iq0-(三相负载电流的第三负序分量滤波值)。电流反馈采用瞬时值为：Id+(电感电流的第二正序分量瞬时值)、Iq+(电感电流的第三正序分量瞬时值)、Id-(电感电流的第二负序分量瞬时值)和Iq-(电感电流的第三负序分量瞬时值)。
最终环路控制如图2所示，正负母线差生成控制量Idref(母线差控制器调节输出量)、Iq0+(三相负载电流的第三正序分量滤波值)、Id0-(三相负载电流的第二负序分量滤波值)、Iq0-(三相负载电流的第三负序分量滤波值)和I0(三相负载电流的第一零序分量)为给定控制量；I0*(电感电流的第一零序分量瞬时值)、Id+(电感电流的第二正序分量瞬时值)、Iq+(电感电流的第三正序分量瞬时值)、Id-(电感电流的第二负序分量瞬时值)和Iq-(电感电流的第三负序分量瞬时值)为反馈控制量，实现PI+重复控制。因为补偿三相负载的电流，给定要把三相负载电流取反(考虑电流传感器方向为均正方向)。
重复控制单元源于控制理论中的内模原理，内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型植入控制器，以构成高精度反馈控制系统的一种设计。该原理指出，若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力(稳态时误差趋于零)，并且这种对误差的调节过程是稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号动力学特性的数学模型。
PI控制就是比例积分控制，PI控制具有良好的鲁棒性，动态性能，但是有差调节，不能消除静差。重复控制的特点是可以消除静差，但是动态响应差。因此本文提出了5个环路的PI+重复控制的控制算法，可以兼顾动态和稳态，最终达到较好的补偿效果。实现三相电流和无功分量响应快速，高精度补偿，功率因数0.99，电流不平衡度小于5％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，包括：三相开关控制电路、滤波模块和电流采样模块，所述三相开关控制电路通过所述滤波模块连接至电网，所述三相开关控制电路和滤波模块均连接至三相负载的A、B、C和N线上，所述三相负载的三相输出电流分别通过电流采样模块连接至所述滤波模块。
2.根据权利要求1所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述控制装置输出三相电感电流，所述三相电感电流分离出的各个负序和零序分量，该三相电感电流分离出的各个负序和零序分量与所述三相负载的三相输出电流所分离出的各个负序和零序分量的大小相等且方向相反。
3.根据权利要求1所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述三相开关控制电路为并联于电网的T型三电平拓扑电路。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述滤波模块包括电感L1、电容C11、电感L4、电感L2、电容C12、电感L5、电感L3、电容C13和电感L6，所述电感L4的一端连接至电网和三相负载之间的A线，所述电感L4的另一端分别与所述电感L1的一端和电容C11的一端相连接，所述电感L1的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C11的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L5的一端连接至电网和三相负载之间的B线，所述电感L5的另一端分别与所述电感L2的一端和电容C12的一端相连接，所述电感L2的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C12的另一端连接至电网和三相负载之间的N线；所述电感L6的一端连接至电网和三相负载之间的C线，所述电感L6的另一端分别与所述电感L3的一端和电容C13的一端相连接，所述电感L3的另一端连接至所述三相开关控制电路，所述电容C13的另一端连接至电网和三相负载之间的N线。
5.根据权利要求4所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述滤波模块还包括霍尔传感器H1、霍尔传感器H2和霍尔传感器H3，所述电感L4的另一端通过霍尔传感器H1连接至所述电感L1的一端；所述电感L5的另一端通过霍尔传感器H2连接至所述电感L2的一端；所述电感L6的另一端通过霍尔传感器H3连接至所述电感L3的一端。
6.根据权利要求4所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述三相开关控制电路包括开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、直流母线电容C1和直流母线电容C2；所述开关管Sa1的发射极、开关管Sa3的集电极和开关管Sa4的集电极均连接至所述电感L1远离电感L4的一端，所述开关管Sa3的发射极连接至所述开关管Sa2的发射极，所述开关管Sa1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sa2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sa4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sb1的发射极、开关管S b3的集电极和开关管Sb4的集电极均连接至所述电感L2远离电感L5的一端，所述开关管Sb3的发射极连接至所述开关管Sb2的发射极，所述开关管Sb1的集电极连接至直流母线电容C1的正极，所述开关管Sb2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sb4的发射极连接至直流母线电容C2的负极；所述开关管Sc1的发射极、开关管Sc3的集电极和开关管Sc4的集电极均连接至所述电感L3远离电感L6的一端，所述开关管Sc3的发射极连接至所述开关管Sc2的发射极，所述开关管Sc1的集电极连接至直流母线电容C1正极，所述开关管Sc2的集电极连接至直流母线电容C1负极和直流母线电容C2正极之间的N线，所述开关管Sc4的发射极连接至直流母线电容C2的负极。
7.根据权利要求6所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述直流母线电容C1的一端分别与所述开关管Sa1的集电极、开关管Sb1的集电极和开关管Sc1的集电极相连接，所述直流母线电容C1的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接；所述直流母线电容C2的一端分别与所述开关管Sa4的发射极、开关管Sb4的发射极和开关管Sc4的发射极相连接，所述直流母线电容C2的另一端分别与所述开关管Sa2的集电极、开关管Sb2的集电极和开关管Sc2的集电极相连接。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，其特征在于，所述电流采样模块通过电流传感器分别采集所述三相负载的三相输出电流。
9.一种用于三相不平衡和无功补偿的控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1至8任意一项所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制装置，并包括以下步骤：
步骤S1，计算给定的第一零序分量；
步骤S2，提取三相输出电流的第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，并同时提取三相电感电流的第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值；
步骤S3，在所述控制装置的控制环路中对电流给定滤波值，并反馈电流的瞬时值。
10.根据权利要求9所述的用于三相不平衡和无功补偿的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用公式I0＝(Ia0+Ib0+Ic0)/3计算三相输出电流的给定的第一零序分量，其中Ia0、Ib0和Ic0分别为三相负载的三相输出电流，I0为三相输出电流的第一零序分量；利用公式I0*＝(Ia0+Ib0+Ic)/3计算三相电感电流的给定的第一零序分量，其中Ia、Ib和Ic分别为三相电感电流，I0*为三相电感电流的第一零序分量；所述步骤S3中，对电流给定滤波值为第二正序分量滤波值、第三正序分量滤波值、第二负序分量滤波值和第三负序分量滤波值，其中，第二正序分量滤波值取0；反馈电流的瞬时值为第二正序分量瞬时值、第三正序分量瞬时值、第二负序分量瞬时值和第三负序分量瞬时值。
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