CN107994589A - 三相四线制静止无功发生器的控制方法及控制电路 - Google Patents
三相四线制静止无功发生器的控制方法及控制电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明揭示了一种三线四线制静止无功发生器的控制方法及控制电路，包括：将0轴旋转坐标电感实时电流值和0轴电流指令值分别进行鲁棒控制运算和重复控制运算得出0轴电流环控制输出值；对d轴和q轴电流环分别进行PI控制运算得到d轴电流环控制输出值和q轴电流环控制输出值；将所述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算得出旋转坐标调制波实时值，利用旋转坐标调制波实时值、电网电压基波正序角度通过反派克变换换算生成实时调制信号，并根据所述实时调制信号。有效地抑制三相四线制静止无功发生器注入电网的中性线电流谐波。
Description
技术领域
本发明涉及到配电网的无功补偿技术领域，特别是涉及到一种三相四线 制静止无功发生器的控制方法及控制电路。
背景技术
三相四线制静止无功发生器是一种有源式电力电子装置，采用三相四线 制静止无功发生器对配电网进行无功补偿，能够实现实时快速和无级补偿的 补偿效果效果，同时具有提高功率因数、维持电网电压稳定等优点。并且随 着技术进步、核心器件成本降低，在我国三相四线制供电系统中，三相四线 制静止无功发生器有逐步取代传统式电容补偿装置的趋势。
民用三相四线制供电方式中，往往存在功率因数偏低、供电变压器损耗 大和配电网末端电压降低等问题。传统解决方式一般是配置无源补偿设备， 如：电容补偿装置，对配电网进行补偿，但这类装置存在响应速度慢、补偿 精度差以及容易与系统发生谐振等问题。
然而，由于三相四线制静止无功发生器三相开关的调节作用，容易导致 中性线出现零序谐波分量，如3次谐波、9次谐波等，使得三相四线制静止无 功发生器的输出电流畸变率增大，对电网造成附加的谐波污染，严重时甚至 导致装置无法稳定运行。因此，三相四线制静止无功发生器对自身中性线电 流谐波的抑制效果是影响其实现补偿功能的关键因素。
发明内容
本发明的主要目的为提供三相四线制静止无功发生器的控制方法及控制 电路，有效地抑制静止无功发生器运行中产生的中性线电流谐波。
本发明提出一种三相四线制静止无功发生器的控制方法，包括如下步骤：
获取静止无功发生器并网处的电网实时电压值和电感实时电流值、电网 电压基波正序角速度和负载实时电流值；
将上述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角度；
将abc静止坐标系下的上述电网实时电压值、电感实时电流值通过派克变 换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电 流值，上述旋转坐标电网实时电压值包括d轴旋转坐标电网实时电压值、q轴 旋转坐标电网实时电压值和0轴旋转坐标电网实时电压值，上述旋转坐标电感 实时电流值包括d轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标电感实时电流值 和0轴旋转坐标电感实时电流值；
将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值；
将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控制运算输出值；
将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控制运算输出值；
将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁棒控制运算输出 值；
将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重复控制运算输出 值；
根据上述0轴鲁棒控制运算输出值和0轴重复控制运算输出值，计算出0轴 电流环控制输出值；
将上述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输 出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感 实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标调制波实时值；
将上述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换换算成abc静止坐标系下的 调制波实时值；
利用上述调制波实时值生成实时调制信号，并根据上述实时调制信号控 制静止无功发生器。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中，将上述旋 转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤，包括：
将d轴旋转坐标电感实时电流值、总电压控制输出值、d轴旋转坐标指令 电流值进行运算得出d轴电流误差值；
将q轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标指令电流值进行运算得出q 轴电流误差值；
将0轴旋转坐标电感实时电流值、均压控制输出值、0轴旋转坐标指令电 流值进行运算得出0轴电流误差值。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中，在将上述 旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还包括步骤：
获取静止无功发生器直流侧的上电容实时电压值和下电容实时电压值；
将上述直流侧上电容实时电压值和下电容实时电压值相加，再减去总电 压参考值所得的差值进行PI控制运算得出总电压控制输出值；
将上述直流侧上电容实时电压值与下电容实时电压值的差值进行PI控制 运算得出均压控制输出值；
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中，在将上述 旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还包括步骤：
获取静止无功发生器并网处的负载实时电流值；
将上述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标指令 电流值，上述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指令电流值、q轴旋转坐 标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中，在将上述d 轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网 电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值 进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标调制波实时值的步骤中，计算公式 为：
式中，vod为d轴电流环控制运算输出值，voq为q轴电流环控制运算输出值， vo0为0轴电流环控制运算输出值；uod、uoq和uo0分别为对应坐标轴的旋转坐标 调制波实时值；ugd、ugq和ug0分别为对应坐标轴的旋转坐标电网实时电压值； w为电网电压基波正序角速度，iCd、和iCq分别为d轴和q轴的电感实时电流值。
本发明还提供一种三相四线制静止无功发生器的控制电路，包括：
第一测量模块，用于获取静止无功发生器并网处的电网实时电压值和电 感实时电流值、电网电压基波正序角速度和负载实时电流值；
锁相环，用于将上述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角 度；
第一派克变换器，用于将abc静止坐标系下的上述电网实时电压值、电感 实时电流值通过派克变换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压 值、旋转坐标电感实时电流值，上述旋转坐标电网实时电压值包括d轴旋转坐 标电网实时电压值、q轴旋转坐标电网实时电压值和0轴旋转坐标电网实时电 压值，上述旋转坐标电感实时电流值包括d轴旋转坐标电感实时电流值、q轴 旋转坐标电感实时电流值和0轴旋转坐标电感实时电流值；
误差电流计算模块，用于将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出 电流误差值，并输出上述电流误差值；
第一PI控制器，用于将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控制 运算输出值；
第二PI控制器，用于将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控制 运算输出值；
鲁棒控制器，用于将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁 棒控制运算输出值；
重复控制器，用于将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重 复控制运算输出值；
0轴电流环计算模块，用于根据上述0轴鲁棒控制运算输出值和0轴重复控 制运算输出值，计算出0轴电流环控制输出值；
旋转调制波合成模块，用于将上述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控 制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网 实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转 坐标调制波实时值；
第二派克变换器，用于将上述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换换 算成abc静止坐标系下的调制波实时值；
PWM调制模块，用于利用上述调制波实时值生成实时调制信号，并根据 上述实时调制信号控制静止无功发生器；
上述第一测量模块与上述锁相环电连接，并通过上述第一派克变换器与 上述误差电流计算模块电连接，上述误差电流计算模块分别与上述第一PI控制 器、第二PI控制器、鲁棒控制器和重复控制器电连接；上述锁相环分别与第一 派克变换器和第二派克变换器电连接；上述第一派克变换器与上述旋转调制 波合成模块电连接，上述第一PI控制器和第二PI控制器分别与上述旋转调制波 合成模块电连接，上述鲁棒控制器和重复控制器分别通过上述0轴电流环计算 模块与上述旋转调制波合成模块电连接；上述旋转调制波合成模块通过上述 第二派克变换器与上述PWM模块电连接；上述PWM模块电连接于静止无功发生器，上述第一测量模块与配电网电连接。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制电路中，上述误差 电流计算模块中包括：
d轴误差电流计算子模块，用于将上述d轴旋转坐标电感实时电流值、总 电压控制输出值、d轴旋转坐标指令电流值进行运算得出d轴电流误差值；
q轴误差电流计算子模块，用于将上述q轴旋转坐标电感实时电流值、q轴 旋转坐标指令电流值进行运算得出q轴电流误差值；
0轴误差电流计算子模块，用于将上述0轴旋转坐标电感实时电流值、均 压控制输出值、0轴旋转坐标指令电流值进行运算得出0轴电流误差值；
上述d轴误差电流计算子模块与上述第一派克变换器电连接，并与上述第 一PI控制器电连接；上述q轴误差电流计算子模块与上述第一派克变换器电连 接，并与上述第二PI控制器电连接；上述0轴误差电流计算子模块与上述第一 派克变换器电连接，并与上述鲁棒控制器和重复控制器分别电连接。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制电路中，还包括：
第二测量模块，用于获取静止无功发生器直流侧的上电容实时电压值和 下电容实时电压值；
总电压控制模块，用于将上述直流侧上电容实时电压值和下电容实时电 压值相加，再减去总电压参考值所得的差值进行PI控制运算得出总电压控制输 出值；
均压控制模块，用于将上述直流侧上电容实时电压值与下电容实时电压 值的差值进行PI控制运算得出均压控制输出值；
上述第二测量模块电连接于配电网，并与上述总电压控制模块和均压控 制模块电连接；上述总电压控制模块与d轴误差电流计算子模块电连接，上述 均压控制模块与上述0轴误差电流计算子模块电连接。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制电路中，还包括：
第三测量模块，用于获取静止无功发生器并网处的负载实时电流值；
指令电流检测模块，用于将上述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐 标系下的旋转坐标指令电流值，上述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指 令电流值、q轴旋转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值；
上述指令电流检测模块与上述第三测量模块电连接，并与上述d轴误差电 流计算子模块、q轴误差电流计算子模块和0轴误差电流计算子模块分别电连 接；上述第三测量模块电连接于配电网。
进一步地，在上述三相四线制静止无功发生器的控制电路中，在上述旋 转调制波合成模块中，计算公式为：
式中，vod为d轴电流环控制运算输出值，voq为q轴电流环控制运算输出值， vo0为0轴电流环控制运算输出值；uod、uoq和uo0分别为对应坐标轴的旋转坐标 调制波实时值；ugd、ugq和ug0分别为对应坐标轴的旋转坐标电网实时电压值； w为电网电压基波正序角速度，iCd、和iCq分别为d轴和q轴的电感实时电流值。
本发明通过对0轴电流环采用鲁棒控制运算和重复控制运算复合控制方 式，能够有效地抑制三相四线制静止无功发生器运行附带首先的中性线谐波 电流，提高了补偿效果，其中，鲁棒控制运算能够保证输出滤波电感值变化 以及系统受到干扰时维持系统稳定运行，重复控制运算能够保证对谐波跟踪 控制的精度；同时，d轴和q轴电流环采用PI控制运算，实现了无功电流的无静 差控制。
附图说明
图1是本发明一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制方法的流程 示意图；
图2是本发明一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制方法的流程 示意图；
图3是本发明一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制方法的流程 示意图；
图4是本发明一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制方法的流程 示意图；
图5是本发明一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制电路的电路 模块示意图；
图6是本发明另一实施例中三相四线制静止无功发生器的控制电路的电 路模块示意图；
图7是采用传统PI控制方法在三相补偿电流为20A时的补偿电流波形示 意图；
图8是本发明一具体实施例中采用三相四线制静止无功发生器的控制方 法在三相补偿电流为20A时的补偿电流波形示意图；
图9是本发明一具体实施例中采用三相四线制静止无功发生器的控制方 法在三相补偿电流为100A时的补偿电流波形示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
参照图1，提出本发明一种三相四线制静止无功发生器的控制方法，包括 如下步骤，
S1，获取静止无功发生器并网处的电网实时电压值和电感实时电流值、 电网电压基波正序角速度和负载实时电流值；
S2，将上述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角度；
S3，将abc静止坐标系下的上述电网实时电压值、电感实时电流值通过派 克变换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实 时电流值，上述旋转坐标电网实时电压值包括d轴旋转坐标电网实时电压值、 q轴旋转坐标电网实时电压值和0轴旋转坐标电网实时电压值，上述旋转坐标 电感实时电流值包括d轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标电感实时电 流值和0轴旋转坐标电感实时电流值；
S4，将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值；
S5，将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控制运算输出值；
S6，将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控制运算输出值；
S7，将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁棒控制运算输 出值；
其具体运算过程如下，
确定鲁棒控制运算的数学模型，
式中，da+、db+和dc+分别表示对应坐标轴下静止无功发生器主电路中一侧 桥臂的开关函数，da-、db-和dc-分别表示对应坐标轴下静止无功发生器主电路 中另一侧桥臂的开关函数，uga、ugb和ugc分别表示静止无功发生器对应坐标 轴的电网实时电压值，iCa、iCb和iCc为对应坐标轴的电感实时电流值；L为输 出滤波器总电感值，R为表示输出回路电阻与直流电容、开关损耗及通态损 耗的等效阻值；
根据上述数学模型，变换得到0轴鲁棒控制的等效模型，其过程如下：
根据上述数学模型，换算得到dq0旋转坐标系下的控制模型：
式中，dd+、dq+和d0+为分别表示对应坐标轴下静止无功发生器主电路中一 侧桥臂的开关函数，dd-、dq-和d0-分别表示对应坐标轴下静止无功发生器主电 路中另一侧桥臂的开关函数，ugd、ugq和ug0分别表示静止无功发生器对应坐标 轴的电网电压，iCd、iCq和iC0为对应坐标轴的电感输出电流，w为电网基波正序 角度；
根据上述控制模型，换算得到在dq0旋转坐标系下的系统模型，过程如下：
设上述控制模型经控制运算得到旋转坐标调制波实时值为uod、uoq和uo0， 则上述旋转坐标调制波实时值经过调制后可近似得到输出电压值为dd+udcup－ dd-udcdown、dd+udcup－dd-udcdown和dd+udcup－dd-udcdown，可令
式中Δdd、Δdq和Δd0分别表示对应坐标轴下调制死区和调制模块非线性特 性引起的干扰；
得到在dq0旋转坐标系下的系统模型如下：
根据上述系统模型，确定零轴鲁棒控制模型的等效模型如下：
式中，Δd0表示0轴调制死区与PWM模块的非线性特性引起的干扰；
确定鲁棒控制设计系数的取值范围，上述设计系数包括衰减系数γ、总滤 波电感感值L和回路杂散阻值R；
上述衰减系数γ表示零轴电流对于干扰Δd0的衰减系数，其取值范围为 0<γ<1；
上述总滤波电感感值L的变化区间为：L∈[L1，L2]，L2和L1分别表示电感 量变化上限值和下限值，且满足下述公式：
L2＝1.1LN
L1＝0.4LN
式中，LN表示装置滤波电感的额定电感值；
上述回路杂散电阻阻值R的变化区间为：R∈[R1，R2]，R2和R1分别表示回 路杂散电阻阻值变化上限值和下限值，分别对应装置在空载及满载下的等效 损耗，且满足下述公式：
R1＝0.2％*SN/(3IN 2)
R2＝2.5％*SN/(3IN 2)
式中，IN表示装置额定电流值，SN装置额定容量；
计算得出0轴电流环的鲁棒控制运算输出值，其过程如下：
根据上述设计系数，得到上述衰减系数γ、总滤波电感感值L、回路杂散 电阻阻值R的4种参数组合；
利用MATLAB工具联立求解下列矩阵不等式组，得到系数P、K和矩阵Sk， 其中P大于0、Sk∈R3×R1；
式中：
Ψ3k＝diag[0 0 -γ2]
Φ2k＝[P 0 0]
确实鲁棒控制运算的输出值公式为vo0rb＝K/P·iC0，并根据上述输出值公式， 计算得到0轴电流环的鲁棒控制运算输出值，式中，vo0rb为鲁棒控制运算输出 值，iC0为0轴电感实时电流值；
S8，将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重复控制运算输 出值；
上述重复控制运算在离散系统下的公式为：
式中，vo0rp为重复控制运算输出值，i0err为0轴电流误差值，kf为遗忘系数 其取值范围为0.9≤kf≤0.97，ks为学习系数，其取值范围为0.1≤ks≤0.3，M为 超前拍数，且为正整数，其取值范围为2≤M≤7，S(Z)表示输出滤波器，Z表示 离散控制领域里面的变量，N表示一个工频周期的采样点数；
S9，根据上述0轴鲁棒控制运算输出值vo0rb和0轴重复控制运算输出值 vo0rp，计算出0轴电流环控制输出值vo0，其计算公式为：
vo0＝vo0rb+vo0rp
S10，将上述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环 控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐 标电感实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标调制波实时值， 其计算公式为：
式中，vod为d轴电流环控制运算输出值，voq为q轴电流环控制运算输出值， vo0为0轴电流环控制运算输出值；uod、uoq和uo0分别为对应坐标轴的旋转坐标 调制波实时值；ugd、ugq和ug0分别为对应坐标轴的旋转坐标电网实时电压值； w为电网电压基波正序角速度，iCd、和iCq分别为d轴和q轴的电感实时电流值。
S11，将上述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换换算成abc静止坐标系 下的调制波实时值；
S12，利用上述调制波实时值生成实时调制信号，并根据上述实时调制信 号控制静止无功发生器。
步骤S4-S9属于电流环控制运算过程，其中步骤S5-S8同时进行。
通过对0轴电流环采用鲁棒控制运算和重复控制运算复合控制方式，能够 有效地抑制三相四线制静止无功发生器工作时附带产生的中性线谐波电流， 提高了补偿效果，其中，鲁棒控制运算能够保证输出滤波电感值变化以及系 统受到干扰时维持系统稳定运行，重复控制运算能够保证对谐波跟踪控制的 精度；同时，d轴电流环和q轴电流环采用PI控制运算，实现了无功电流的无静 差控制。
参照图2，在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中， 将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤，包括：
S13，将上述d轴旋转坐标电感实时电流值、总电压控制输出值、d轴旋转 坐标指令电流值进行运算得出d轴电流误差值；
S14，将上述q轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标指令电流值进行 运算得出q轴电流误差值；
S15，将上述0轴旋转坐标电感实时电流值、均压控制输出值、0轴旋转坐 标指令电流值进行运算得出0轴电流误差值。
其具体运算公式为：
iderr＝idref-iCd＝iLd+idcrd-iCd
iqerr＝iqref-iCq＝iLq-iCq
i0err＝i0ref-iCq＝iL0+idcr0-iC0
式中，iderr、iqerr和i0err分别为d轴电流误差值、q轴电流误差值和0轴电 流误差值；idref、iqref和i0ref分别为d轴电流参考输入值、q轴电流参考输入值 和0轴电流参考输入值；iLd、iLq和iL0分别为d轴旋转坐标指令电流值、q轴旋 转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值；iCd、iCq和iC0分别为d轴旋转 坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标电感实时电流值和0轴旋转坐标电感实时 电流值；idcrd为总电压控制输出值，idcr0为均压控制输出值。
参照图3，在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中， 在将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还 包括还包括步骤：
S16，获取静止无功发生器直流侧的上电容实时电压值和下电容实时电压 值；
S17，将上述直流侧上电容实时电压值和下电容实时电压值相加，再减去 总电压参考值所得的差值进行PI控制运算得出总电压控制输出值；
S18，将上述直流侧上电容实时电压值与下电容实时电压值的差值进行PI 控制运算得出均压控制输出值；
上述电压环控制运算和电流环控制运算采用外环电压控制，内环电流控 制的双环控制方法，每执行1次上述总电压控制与均压控制运算后，执行4-7 次上述电流环控制运算，通过调节上述电流环控制和上述直流侧电压环控制 的执行速度，实现上述直流侧电压环控制与上述电流环控制在时间尺度上的 解耦，便于分别设计电压环控制与电流环控制。
参照图4，在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制方法中， 在将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还 包括步骤：
S19，获取静止无功发生器并网处的负载实时电流值；
S20，将上述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标 指令电流值，上述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指令电流值、q轴旋 转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值。
上述步骤S16-S20均在步骤S13执行前完成。
参照图5-6，本发明还提供一种三相四线制静止无功发生器的控制电路， 包括：
第一测量模块1，用于获取静止无功发生器21并网处的直流侧的上电容实 时电压值、直流侧的下电容实时电压值和交流侧的静止坐标电学实时参数， 上述静止坐标电学实时参数包括电网实时电压值、电感实时电流值和负载实 时电流值；
锁相环2，用于将上述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角 度；
第一派克变换器3，用于将abc静止坐标系下的上述电网实时电压值、电感 实时电流值通过派克变换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压 值、旋转坐标电感实时电流值；
误差电流计算模块4，用于将上述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出 电流误差值；
第一PI控制器5，用于将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控 制运算输出值；
第二PI控制器6，用于将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控 制运算输出值；
鲁棒控制器7，用于将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁 棒控制运算输出值；
重复控制器8，用于将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重 复控制运算输出值；
0轴电流环计算模块9，用于根据上述0轴鲁棒控制运算输出值和0轴重复 控制运算输出值，计算出0轴电流环控制输出值；
旋转调制波合成模块10，用于将上述d轴电流环控制输出值、q轴电流环 控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电 网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋 转坐标调制波实时值；
第二派克变换器11，用于将上述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换 换算成abc静止坐标系下的调制波实时值；
PWM调制模块12，用于利用上述调制波实时值生成实时调制信号，并根 据上述实时调制信号控制静止无功发生器21；
上述第一测量模块1与上述锁相环2电连接，并通过上述第一派克变换器3 与上述误差电流计算模块4电连接，上述误差电流计算模块4和锁相环2分别与 上述第一PI控制器5、第二PI控制器6、鲁棒控制器7和重复控制器8电连接；上 述锁相环2分别与上述第一派克变换器3和第二派克变换器11电连接；上述第 一派克变换器3与上述旋转调制波合成模块10电连接，上述第一PI控制器5和第 二PI控制器6分别与上述旋转调制波合成模块10电连接，上述鲁棒控制器7和重 复控制器8分别通过上述0轴电流环计算模块9与上述旋转调制波合成模块10 电连接；上述旋转调制波合成模块10通过上述第二派克变换器11与上述PWM模块电连接；上述PWM模块电连接于静止无功发生器21，上述第一测量模块 与配电网22电连接。
上述PWM调制模块12可以是任意脉宽调制方式，例如SPWM、SVPWM、 SHEPWM等；同时，上述三相四线制静止无功发生器的控制电路可适用于二 电平拓扑结构的静止无功发生器21或三电平拓扑结构的静止无功发生器21。
通过对0轴电流环采用鲁棒控制器7和重复控制器8进行复合控制运算，能 够有效的抑制三相四线制静止无功发生器21产生的中性线谐波电流，提高三 相四线制静止无功发生器21的补偿效果，其中，鲁棒控制器7能够保证输出滤 波电感值变化以及系统受到干扰时维持系统稳定运行，重复控制器8能够保证 对谐波跟踪控制的精度；同时，d轴和q轴电流环采用PI控制器，实现了无功电 流的无静差控制。
在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制电路，上述误差 电流计算模块4中包括：d轴误差电流计算子模块13，用于将上述d轴旋转坐标 电感实时电流值、总电压控制输出值、d轴旋转坐标指令电流值进行运算得出 d轴电流误差值；q轴误差电流计算子模块14，用于将上述q轴旋转坐标电感实 时电流值、q轴旋转坐标指令电流值进行运算得出q轴电流误差值；0轴误差电 流计算子模块15，用于将上述0轴旋转坐标电感实时电流值、均压控制输出值、 0轴旋转坐标指令电流值进行运算得出0轴电流误差值；上述d轴误差电流计算 子模块13与上述第一派克变换器3电连接，并与上述第一PI控制器5、上述第二 PI控制器6、鲁棒控制器7和重复控制器8分别电连接；上述q轴误差电流计算子 模块14与上述第一派克变换器3电连接，并与上述第一PI控制器5、上述第二 PI控制器6、鲁棒控制器7和重复控制器8分别电连接；上述0轴误差电流计算子 模块15与上述第一派克变换器3电连接，并与上述第一PI控制器5、上述第二 PI控制器6、鲁棒控制器7和重复控制器8分别电连接。
在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制电路，还包括： 第二测量模块16，用于获取静止无功发生器21直流侧的上电容实时电压值和 下电容实时电压值；总电压控制模块17，用于将上述直流侧上电容实时电压 值和下电容实时电压值相加，再减去总电压参考值所得的差值进行PI控制运算 得出总电压控制输出值；均压控制模块18，用于将上述直流侧上电容实时电 压值与下电容实时电压值的差值进行PI控制运算得出均压控制输出值；上述第 二测量模块16电连接于配电网22，并与上述总电压控制模块17和均压控制模 块18电连接；上述总电压控制模块17与d轴误差电流计算子模块13电连接，上 述均压控制模块18与上述0轴误差电流计算子模块15电连接。
在本实施例中，上述三相四线制静止无功发生器的控制电路，还包括： 第三测量模块19，用于获取静止无功发生器21并网处的负载实时电流值；指 令电流检测模块20，用于将上述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系 下的旋转坐标指令电流值，上述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指令电 流值、q轴旋转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值；上述第三派克变 换器18通过上述指令电流检测模块20与上述第三测量模块19电连接，并与上 述d轴误差电流计算子模块13、q轴误差电流计算子模块14和0轴误差电流计算 子模块15分别电连接；上述第三测量模块19电连接于配电网22。
参照图7-9，在一具体实施例中，上述PWM模块优选为SPWM调制器，上 述静止无功发生器21优选三电平静止无功发生器。下面利用额定容量为100A 的三电平静止无功发生器，对比采用本发明中的三相四线制静止无功发生器 21的控制方法和采用传统PI控制方法的无功补偿效果。其中，如图7所示为采 用传统双环PI控制时，静止无功发生器21补偿20A无功电流时的三相补偿电流 波形，可以看出，由于中性线谐波电流没有得到很好的抑制，使得在叠加了 三次中性线谐波电流后，三相补偿电流谐波畸变率较高，分别为19.5％、16.1％ 和19.5％；如图8所示为采用中的三相四线制静止无功发生器21的控制方法后， 静止无功发生器21补偿20A无功电流时的波形，可以看出，中性线谐波电流补 偿电流得到了很好的抑制了，三相补偿电流谐波畸变率很低，分别为3.3％、 2.5％和3.7％；如图9所示为采用中的三相四线制静止无功发生器21的控制方法 后，静止无功发生器21补偿100A无功电流时的波形，可以看出，三相补偿电 流波形畸变率也很低，分别为1.2％、1.0％和1.3％；且此时输出滤波器的电感 值急剧下降，仅为空载时感值的50％，同时也验证了本发明中的三相四线制静 止无功发生器21的控制方法在总滤波电感值宽范围波动下的鲁棒性。
本发明通过对0轴电流环采用鲁棒控制运算和重复控制运算复合控制方 式，能够有效地抑制三相四线制静止无功发生器工作时附带产生的中性线谐 波电流，提高了补偿效果，其中，鲁棒控制运算能够保证输出滤波电感值变 化以及系统受到干扰时维持系统稳定运行，重复控制运算能够保证对谐波跟 踪控制的精度；同时，d轴和q轴电流环采用PI控制运算，实现了无功电流的无 静差控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接 或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三相四线制静止无功发生器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取静止无功发生器并网处的电网实时电压值和电感实时电流值、电网电压基波正序角速度和负载实时电流值；
将所述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角度；
将abc静止坐标系下的所述电网实时电压值、电感实时电流值通过派克变换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值，所述旋转坐标电网实时电压值包括d轴旋转坐标电网实时电压值、q轴旋转坐标电网实时电压值和0轴旋转坐标电网实时电压值，所述旋转坐标电感实时电流值包括d轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标电感实时电流值和0轴旋转坐标电感实时电流值；
将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值；
将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控制运算输出值；
将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控制运算输出值；
将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁棒控制运算输出值；
将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重复控制运算输出值；
根据所述0轴鲁棒控制运算输出值和0轴重复控制运算输出值，计算出0轴电流环控制输出值；
将所述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标调制波实时值；
将所述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换换算成abc静止坐标系下的调制波实时值；
利用所述调制波实时值生成实时调制信号，并根据所述实时调制信号控制静止无功发生器。
2.根据权利要求1所述的三相四线制静止无功发生器的控制方法，其特征在于，将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤，包括：
将d轴旋转坐标电感实时电流值、总电压控制输出值和d轴旋转坐标指令电流值进行运算得出d轴电流误差值；
将q轴旋转坐标电感实时电流值和q轴旋转坐标指令电流值进行运算得出q轴电流误差值；
将0轴旋转坐标电感实时电流值、均压控制输出值和0轴旋转坐标指令电流值进行运算得出0轴电流误差值。
3.根据权利要求2所述的三相四线制静止无功发生器的控制方法，其特征在于，在将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还包括步骤：
获取静止无功发生器直流侧的上电容实时电压值和下电容实时电压值；
将所述直流侧上电容实时电压值和下电容实时电压值相加，再减去总电压参考值所得的差值进行PI控制运算得出总电压控制输出值；
将所述直流侧上电容实时电压值与下电容实时电压值的差值进行PI控制运算得出均压控制输出值。
4.根据权利要求2所述的三相四线制静止无功发生器的控制方法，其特征在于，在将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值的步骤之前，还包括步骤：
获取静止无功发生器并网处的负载实时电流值；
将所述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标指令电流值，所述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指令电流值、q轴旋转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值。
5.根据权利要求1所述的三相四线制静止无功发生器的控制方法，其特征在于，在将所述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算,得出dq0旋转坐标系下的调制波实时值的计算公式为：
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式中，vod为d轴电流环控制运算输出值，voq为q轴电流环控制运算输出值，vo0为0轴电流环控制运算输出值；uod、uoq和uo0分别为对应坐标轴的旋转坐标调制波实时值；ugd、ugq和ug0分别为对应坐标轴的旋转坐标电网实时电压值；w为电网电压基波正序角速度，iCd、和iCq分别为d轴和q轴的电感实时电流值。
6.一种三相四线制静止无功发生器的控制电路，其特征在于，包括：
第一测量模块，用于获取静止无功发生器并网处的电网实时电压值和电感实时电流值、电网电压基波正序角速度和负载实时电流值；
锁相环，用于将所述电网实时电压值进行计算得出电网电压基波正序角度；
第一派克变换器，用于将abc静止坐标系下的所述电网实时电压值、电感实时电流值通过派克变换换算成dq0旋转坐标系下的旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值，所述旋转坐标电网实时电压值包括d轴旋转坐标电网实时电压值、q轴旋转坐标电网实时电压值和0轴旋转坐标电网实时电压值；旋转坐标电感实时电流值包括d轴旋转坐标电感实时电流值、q轴旋转坐标电感实时电流值和0轴旋转坐标电感实时电流值；
误差电流计算模块，用于将所述旋转坐标电感实时电流值进行计算得出电流误差值；
第一PI控制器，用于将d轴电流误差值进行PI控制运算得出d轴电流环控制运算输出值；
第二PI控制器，用于将q轴电流误差值进行PI控制运算得出q轴电流环控制运算输出值；
鲁棒控制器，用于将0轴电流误差值进行鲁棒控制运算得出0轴电流环鲁棒控制运算输出值；
重复控制器，用于将0轴电流误差值进行重复控制运算得出0轴电流环重复控制运算输出值；
0轴电流环计算模块，用于根据所述0轴鲁棒控制运算输出值和0轴重复控制运算输出值，计算出0轴电流环控制输出值；
旋转调制波合成模块，用于将所述d轴电流环控制输出值、q轴电流环控制输出值和0轴电流环控制输出值、电网电压基波正序角速度、旋转坐标电网实时电压值、旋转坐标电感实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标调制波实时值；
第二派克变换器，用于将所述旋转坐标调制波实时值通过派克反变换换算成abc静止坐标系下的调制波实时值；
PWM调制模块，用于利用所述调制波实时值生成实时调制信号，并根据所述实时调制信号控制静止无功发生器；
所述第一测量模块与所述锁相环电连接，并通过所述第一派克变换器与所述误差电流计算模块电连接，所述误差电流计算模块分别与所述第一PI控制器、第二PI控制器、鲁棒控制器和重复控制器电连接；所述锁相环分别与第一派克变换器和第二派克变换器电连接；所述第一派克变换器与所述旋转调制波合成模块电连接，所述第一PI控制器和第二PI控制器分别与所述旋转调制波合成模块电连接，所述鲁棒控制器和重复控制器分别通过所述0轴电流环计算模块与所述旋转调制波合成模块电连接；所述旋转调制波合成模块通过所述第二派克变换器与所述PWM模块电连接；所述PWM模块电连接于静止无功发生器，所述第一测量模块与配电网电连接。
7.根据权利要求6所述的三相四线制静止无功发生器的控制电路，其特征在于，所述误差电流计算模块包括：
d轴误差电流计算子模块，用于将d轴旋转坐标电感实时电流值、总电压控制输出值和d轴旋转坐标指令电流值进行运算得出d轴电流误差值；
q轴误差电流计算子模块，用于将q轴旋转坐标电感实时电流值和q轴旋转坐标指令电流值进行运算得出q轴电流误差值；
0轴误差电流计算子模块，用于将0轴旋转坐标电感实时电流值、均压控制输出值和0轴旋转坐标指令电流值进行运算得出0轴电流误差值；
所述d轴误差电流计算子模块与所述第一派克变换器电连接，并与所述第一PI控制器电连接；所述q轴误差电流计算子模块与所述第一派克变换器电连接，并与所述第二PI控制器电连接；所述0轴误差电流计算子模块与所述第一派克变换器电连接，并与所述鲁棒控制器和重复控制器分别电连接。
8.根据权利要求7所述的三相四线制静止无功发生器的控制电路，其特征在于，还包括：
第二测量模块，用于获取静止无功发生器直流侧的上电容实时电压值和下电容实时电压值；
总电压控制模块，用于将所述直流侧上电容实时电压值和下电容实时电压值相加，再减去总电压参考值所得的差值进行PI控制运算得出总电压控制输出值。
均压控制模块，用于将所述直流侧上电容实时电压值与下电容实时电压值的差值进行PI控制运算得出均压控制输出值。
所述第二测量模块电连接于配电网，并与所述总电压控制模块和均压控制模块电连接；所述总电压控制模块与d轴误差电流计算子模块电连接，所述均压控制模块与所述0轴误差电流计算子模块电连接。
9.根据权利要求7所述的三相四线制静止无功发生器的控制电路，其特征在于，还包括：
第三测量模块，用于获取静止无功发生器并网处的负载实时电流值；
指令电流检测模块，用于将所述负载实时电流值进行计算得出dq0旋转坐标系下的旋转坐标指令电流值，所述旋转坐标指令电流值包括d轴旋转坐标指令电流值、q轴旋转坐标指令电流值和0轴旋转坐标指令电流值；
所述指令电流检测模块与所述第三测量模块电连接，并与所述d轴误差电流计算子模块、q轴误差电流计算子模块和0轴误差电流计算子模块分别电连接；所述第三测量模块电连接于配电网。
10.根据权利要求6所述的三相四线制静止无功发生器的控制电路，其特征在于，所述旋转调制波合成模块的计算公式为：
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式中，vod为d轴电流环控制运算输出值，voq为q轴电流环控制运算输出值，vo0为0轴电流环控制运算输出值；uod、uoq和uo0分别为对应坐标轴的旋转坐标调制波实时值；ugd、ugq和ug0分别为对应坐标轴的旋转坐标电网实时电压值；w为电网电压基波正序角速度，iCd、和iCq分别为d轴和q轴的电感实时电流值。
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