本发明涉及一种三相四线制apf控制方法，尤其是涉及一种三相四线制apf改进型矢量谐振控制方法。
背景技术：
随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用到各个领域，电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉等非线性负荷不断增加，负荷的非线性、冲击性和不平衡性给电网造成了严重的暂态冲击、无功功率、高次谐波和三相不平衡等问题。电力变换技术中的晶闸管、二极管等开关器件被大量应用到电网中所产生的谐波电流和无功电流，取代了传统的铁磁材料所引起的谐波和次谐波电流，也已成为最主要的谐波污染源，造成电压电流畸变等现象。为解决这类难题，应用电能变换开关技术的谐波和无功补偿装置应运而生。
有源电力滤波器(activepowerfilter，apf)作为电能变换技术的典型代表，是一种新型先进的谐波无功补偿装置。它不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，有一机多用的特点。作为一种新型电力电子装置，apf的工作性能决定于主电路结构及控制系统，确定了apf的主电路，控制算法就成为决定输出性能和效率的关键。
目前来讲，一般用到的控制方法主要有如下几类：
(1)比例积分(pi)控制、单周期控制和迟滞控制：分别在线电流频谱、误差和总谐波失真(thd)三个方面对三种控制策略进行比较，pi控制与单周期控制对高频交流信号不能实现零稳态误差。迟滞控制具有良好的性能，但不恒定的开关频率会导致补偿电流中含有高次谐波，并增加了滤波器设计的难度。
(2)选择性谐波补偿策略：将所有的谐波控制器叠加成一个完整的电流控制器。该控制器给谐振带通滤波器的整个控制回路频率响应提供了良好的选择性，但是因为谐波检测的延迟无法保证良好的动态响应特性。
(3)具有多重同步旋转坐标系的控制策略：正、负序谐波电流经过各自同步旋转坐标变换得到直流分量，再经过pi控制器实现零稳态误差补偿，但复杂的计算会占用大量的内存空间。此外，当三相四线制系统负载不平衡时，该控制策略不能实现对零序电流的补偿。
(4)比例谐振控制(prc)和矢量比例积分控制(vpi)：改进型控制策略，能够通过对灵敏度函数和峰值的极小化来获得高稳定性，避免了闭环异常尖峰现象。但是该类方法无法解决三相不平衡和无功问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三相四线制apf改进型矢量谐振控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三相四线制apf改进型矢量谐振控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)实时采样直流母线电压，控制直流母线电压保持恒定得到电网侧电流参考指令；
(2)实时采样电网侧电流，建立改进型谐振矢量电流控制器，将电网侧电流控制指令和电网侧电流实测值输入至改进型谐振矢量电流控制器得到三相四线制apf调制信号；
(3)对调制信号进行调制得到三相四线制apf中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作。
步骤(1)具体为：
(11)建立直流母线电压外环控制环：将采样的直流母线电压以及设定的直流母线参考电压输入至电压控制器，电压控制器输出电网侧d轴的参考电流
(12)设定电网侧q轴的参考电流
所述的电压控制器为pi控制器。
步骤(2)具体为：
(21)采样电网侧电流，通过帕克变换得到电网侧d轴实时电流isd、电网侧q轴实时电流isq和电网侧0轴实时电流is0；
(22)将
(23)将电网侧电流误差信号输入至改进型谐振矢量电流控制器，建立电流内环控制环，控制电网侧电流参考指令跟踪电网侧电流实测值，得到三相四线制apf调制信号。
改进型谐振矢量电流控制器的传递函数为：
其中，kp为比例系数，kvr为谐振系数，ωc为阻尼因子，n为需要调节的谐波次数，nωo为对应点的谐振频率点，r为三相四线制apf输出等效电阻，l为三相四线制apf输出等效电感，s为拉普拉斯变换中的复变量。
所述的电流内环控制环具体为：
电网侧电流控制指令和电网侧电流实测值作差输入至改进型谐振矢量电流控制器，改进型谐振矢量电流控制器输出端依次连接第一控制环节和第二控制环节，所述的第二控制环节输出三相四线制apf补偿电流，三相四线制apf补偿电流与负载电流相加得到电网侧电流实测值；
所述的第一控制环节传递函数为：
所述的第二控制环节传递函数为：
其中，kpwm为脉宽调制的增益，ts为信号采样周期，r为三相四线制apf输出等效电阻，l为三相四线制apf输出等效电感，s为拉普拉斯变换中的复变量
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、动态响应速度快：与现有的控制策略相比，不包含谐波检测环节，该环节实质为一个延时环节，本方案无需谐波探测器，可直接对网侧电流进行检测和补偿，具有更高的响应速度。
二、稳定裕度高：基于矢量谐振控制方法，该方法具有频率适应性好和稳定裕度大的优势，无谐波检测使得本方案在保证稳定裕度的情况下实现较高的动态响应速度。
三、计算量小：直接将网侧电流、直流母线电压作为状态变量，负载电流作为干扰变量进行小信号分析，计算量小，并且可实现数字化。
四、抗干扰能力强：能够对电网电流进行直接采样和控制，免去谐波检测环节，将apf和负荷看做整体的闭环控制系统，相对其他方案来讲，该方案稳定性好，抗干扰能力强。
附图说明
图1为本发明三相四线制apf拓扑图；
图2为本发明三相四线制apf改进型矢量谐振控制方法的总体控制框图；
图3为本发明电流内环控制环的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
一种三相四线制apf改进型矢量谐振控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)实时采样直流母线电压，控制直流母线电压保持恒定得到电网侧电流参考指令；
(2)实时采样电网侧电流，建立改进型谐振矢量电流控制器，将电网侧电流控制指令和电网侧电流实测值输入至改进型谐振矢量电流控制器得到三相四线制apf调制信号；
(3)对调制信号进行调制得到三相四线制apf中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作。
步骤(1)具体为：
(11)建立直流母线电压外环控制环：将采样的直流母线电压以及设定的直流母线参考电压输入至电压控制器，电压控制器输出电网侧d轴的参考电流
(12)设定电网侧q轴的参考电流
电压控制器为pi控制器。
步骤(2)具体为：
(21)采样电网侧电流，通过帕克变换得到电网侧d轴实时电流isd、电网侧q轴实时电流isq和电网侧0轴实时电流is0；
(22)将
(23)将电网侧电流误差信号输入至改进型谐振矢量电流控制器，建立电流内环控制环，控制电网侧电流参考指令跟踪电网侧电流实测值，得到三相四线制apf调制信号。
改进型谐振矢量电流控制器的传递函数为：
其中，kp为比例系数，kvr为谐振系数，ωc为阻尼因子，n为需要调节的谐波次数，nωo为对应点的谐振频率点，r为三相四线制apf输出等效电阻，l为三相四线制apf输出等效电感，s为拉普拉斯变换中的复变量。
电流内环控制环具体为：
电网侧电流控制指令和电网侧电流实测值作差输入至改进型谐振矢量电流控制器，改进型谐振矢量电流控制器输出端依次连接第一控制环节和第二控制环节，第二控制环节输出三相四线制apf补偿电流，三相四线制apf补偿电流与负载电流相加得到电网侧电流实测值；
第一控制环节传递函数为：
第二控制环节传递函数为：
其中，kpwm为脉宽调制的增益，ts为信号采样周期，r为三相四线制apf输出等效电阻，l为三相四线制apf输出等效电感，s为拉普拉斯变换中的复变量。
具体地，本发明通过包括如下三部分：
1拓扑结构和小信号模型
1.1apf拓扑结构
如图1所示，具有分裂电容结构的三相四线制apf可以等效为一个电压源逆变器。为了抑制零序电流，将直流电容c1和c2的中点连接到系统的中性点。图1中，isi为三相电网电流，ici为补偿电流，ili为负载电流，ei为三相电网电压，νi为逆变器输出电压，di为直流电容占空比(i＝a,b,c)，vdc1，vdc2分别为直流电容c1，c2的电压。r为三相四线制apf输出等效电阻，l为三相四线制apf输出等效电感。
1.2小信号模型
传统的apf的数学模型通常将补偿电流作为状态变量。这里将网侧电流isi和直流母线电压vdc作为状态变量，负载电流ili作为干扰变量。三相四线制apf的小信号模型如下：
式中
直流母线电压vdc在稳态时有较小的波动和较大的惯性，因此可以忽略了直流电压中的，
2非谐波检测控制策略
图2所示为三相四线制apf的控制框图，控制策略采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制，其中电压外环即直流侧电压的控制，电流内环是补偿电流的控制。
为了提高直流母线电压的稳定性，采用pi控制器，它的输出是在旋转坐标系下d轴的参考电流
3电流控制器设计
3.1prc和vrc分析
prc和vrc的传递函数分别如下：
式中，kpr、kvr分别是prc和vrc的谐振系数；kp是比例系数；ωc是带宽阻尼。
3.2电流控制器分析
忽略采样和pwm信号延时的影响，采用比例谐振控制(prc)和改进型谐振矢量控制(vrc)的系统开环传递函数分别表示如下：
其中，ω0＝100πrad/s,r＝0.1ω,l＝3mh,kp＝1,kpr＝1000,kvr＝5,ωc＝5nrad/s(n＝6,12,18,24,30)。幅频特性曲线表明，通过调整kpr和kvr的大小，prc和vrc均能获得较高增益。相频特性曲线表明，prc和vrc的谐振频率具有显著差异，且vrc的稳定裕度高于prc的稳定裕度。
当电感l或者电阻r增大时，prc在谐振频率处会存在振幅衰减和相位偏差的问题，从而导致apf的运行性能下降。而vrc存在的问题很小，可以忽略参数变化对系统性能的影响。可见，vrc具有较强的谐波选择性、良好的频率适应能力以及较好的稳定裕度。因此本发明采用vrc作为电流控制器，图3为本发明电流内环控制环的控制框图，图中gc(s)即为电流控制器，图中仅以电网侧d轴电流isd的控制为例，q轴以及0轴电流控制与d轴电流控制参数一致。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。