CN107769594A - 一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法 - Google Patents

一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，包括构建有功电流和无功电流的目标函数，根据输入电压的端点轨迹，构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹函数，根据有功电流和无功电流的目标函数以及输入电压的椭圆轨迹函数，推导输入电压的表达函数；构建评价函数J(k)，并通过评价函数J(k)对输入电压椭圆轨迹半径进行求导处理；根据输入电压的表达式和评价函数J(k)对输入电压椭圆轨迹半径求导，推导最优控制量uabd(k)和uabq(k)，对最优控制量进行坐标变换，转换为静止坐标系下的轴分量。

Description

一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法
技术领域
本发明属于电力电子的技术领域，具体涉及一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法。
背景技术
单相脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)整流器具有能量可双向流动、高功率因数、电流谐波小、直流侧电压可调等优点，已广泛应用铁路机车牵引、新能源发电及不间断电源等领域。近几十年来，单相PWM整流器控制方法日新月异，国内外相继提出了许多控制方法，对于这些控制方法大致可以分为电流控制和功率控制。
目前，电流控制已在单相PWM整流器***中得到广泛的应用，其主要包括滞环电流控制、瞬态电流控制、dq轴电流解耦控制和模型预测电流控制等。其中，由于dq轴电流解耦控制内环采用PI控制器直接控制有功和无功电流，因此dq轴电流解耦控制又叫基于PI控制器(PI-based)的直接电流控制(direct current control,DCC)。PI-based DCC以其良好稳态性能同时固定了开关频率，在我国电力机车和高速动车组中得到了广泛的应用。
在PI-based DCC***中，调制电压矢量由稳态量和动态量两部分组成，其中动态量为内环电流PI控制器的输出。由于不同的内环有功、无功电流与各自的给定值误差，即PI控制器的输入，与PI控制器参数，都会导致不同的PI控制器的输出。因此在dq坐标系下，调制电压矢量端点的轨迹为一椭圆形区域，其中椭圆圆心由调制电压中的稳态量决定，半径为内环PI控制器的输出。因此PI-based DCC算法性能主要取决与***PI控制器参数的调节与整定。而当***运行条件及环境(如功率等级、电路参数及输入电压等)发生变化时，为了实现良好的控制效果，PI控制器的参数需要重新调节与优化，所以一组固定的PI参数是不满足实际应用的，而且PI参数的设计与整定很是复杂且其动态响应慢。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，以解决现有电流直接控制内环控制器动态响应慢和控制参数设计复杂的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
提供一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，其包括：
S1、构建单相脉冲整流器的有功电流和无功电流的目标函数：
其中，ΔP和ΔQ分别为有功电流和无功电流的误差标幺值，id和iq为网侧电流在旋转坐标系下d、q轴分量；
S2、根据输入电压的端点轨迹，构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹函数：
其中，和Uz分别为椭圆的长、短半径，且系数k>0，Uz≥0，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量，ud_S、uq_S分别uabd、uabq的稳态分量；
S3、根据有功电流和无功电流的目标函数以及输入电压的椭圆轨迹函数，计算输入电压；
其中，sgn(EP)，sgn(EQ)分别代表EP、EQ的符号，EP、EQ分别为有功电流和无功电流误差，其可表示为：
S4、根据输入电压和评价函数J(k)对输入电压椭圆轨迹半径的偏导，获得内环控制器的最优控制量d轴分量uabd(k)和q轴分量uabq(k)：
其中，Ls为网侧等效电感参数，Ts为控制周期，idref和iqref分别为有功电流、无功电流的给定值；
S5、对最优控制量进行坐标变换，获得内环控制器的最优控制量α轴分量uabα和β轴分量uabβ：
其中，ω为网压角速度。
优选地，网侧等效电感参数Ls的计算公式为：
其中，usq为网侧电压在旋转坐标系下q轴分量。
优选地，构建评价函数J(k)：
J(k)＝[idref-id(k+1)]2+λ[iqref-iq(k+1)]2
通过评价函数J(k)获取输入电压椭圆轨迹半径的导数：
其中，idref和iqref分别为有功电流、无功电流的给定值。
优选地，有功电流和无功电流误差标幺值为：
其中，id和iq为网侧电流在旋转坐标系下d、q轴分量；idref、iqref分别为有功电流、无功电流的给定值。
本发明提供的单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，具有以下有益效果：
本发明通过建立有功电流和无功电流的目标方程以及输入电压的椭圆轨迹方程，两个方程结合推导得到输入电压的表达式；为衡量本发明控制算法的综合性能，构建评价函数，并利用评价函数对输入电压椭圆半径求导，并令其导数为零；评价函数求导后，结合输入电压的表达式，推导得到最优控制量。
本发明构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹，采用模型预测思想，预测出最优椭圆轨迹半径，推导最优控制量，实现单相脉冲整流器的直接电流控制，相比于传统算法，本发明取消了传统PI-based DCC算法内环PI控制器，无需进行复杂的PI参数设计，解决了单相脉冲整流器内环动态响应速度慢和控制参数设计复杂的问题。
附图说明
图1为单相两电平PWM整流器拓扑结构图。
图2为单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法的功能框图。
图3为dq旋转坐标系下，最优控制量端点轨迹。
图4为不同功率等级下，传统PI-based DCC与所提优化算法网侧电流THD曲线。
图5为内环有功电流给定突变时，传统PI-based DCC与所提优化算法动态响应实验波形。
图6为直流侧负载突变时，传统PI-based DCC与所提优化算法动态响应实验波形。
图7为加入电感参数估算环节时，所提优化算法电流实验波形。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案对象为单相两电平PWM整流器拓扑。图2示出，本方案的单相脉冲整流器电流内环控制器的优化算法***功能划分框图。整个***可分为最优控制量计算01，dq/αβ坐标变换02、脉宽调制策略PWM03、电感参数在线估算04、αβ/dq坐标变换05、二阶广义积分SOGI06、单相锁相环PLL07、电压PI外环控制08八个部分。其中，本发明具体保护内容为最优控制量计算01模块和电感参数在线估算04模块。这两个模块的具体内容为：
为实现控制器对有功电流和无功电流达到相同的控制效果，构建目标函数
其中，ΔP和ΔQ为有功电流和无功电流的误差标幺值，id和iq为网侧电流在旋转坐标系下d、q轴分量；idref、iqref分别为有功电流和无功电流给定值。
根据输入电压的端点轨迹，构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹函数。
在旋转坐标系下，输入电压端点轨迹为一椭圆区域，如图3所示，且其圆心坐标为(ud_S,uq_S)，根据圆心坐标构建输入电压的椭圆轨迹方程
其中，为椭圆的长半径，Uz为椭圆的短半径，系数k>0，Uz≥0，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；ud_S、uq_S分别uabd、uabq的稳态分量，其表达式为
其中，Ls为网侧等效电感，ω为工频角频率；usd和usq为网侧电压在旋转坐标系下d、q轴分量。
由于单相脉冲整流器对网侧等效电感参数的依赖度较高，故需考虑网侧电感参数不匹配时，对单相脉冲整流器工作的影响及补偿。
在稳定状态下，对单相脉冲整流器的算法模型通过欧拉公式展开为：
并由上式推导获得网侧等效电感参数Ls的在线识别公式：
公式(1)对应电感参数在线估算04模块的具体内容。通过实时对单相脉冲整流器网侧等效电感参数的在线估算，有效解决了本方案对参数敏感性问题。
输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹函数，根据该函数预测最优的椭圆轨迹半径，实现对脉冲整流器电流的直接控制。
根据有功电流和无功电流的目标方程以及输入电压的椭圆轨迹方程，推导输入电压的表达式：
其中，sgn(EP)，sgn(EQ)分别代表EP、EQ的符号，EP、EQ分别为有功、无功电流误差，其表达式为：
为衡量本发明算法的综合性能，构建评价函数：
J(k)＝[idref-id(k+1)]2+λ[iqref-iq(k+1)]2
为使评价函数值最小，对输入电压的椭圆轨迹方程半径求导：
根据输入电压的表达式和评价函数J(k)对输入电压椭圆轨迹半径求导，推导最优控制量uabd(k)和uabq(k)
公式(2)、(3)对应最优控制量计算01模块的具体内容。将推导获得单相脉冲整流器的最优控制量uabd(k)和uabq(k)进行坐标变换，转换为静止坐标系(α-β)下的α轴分量uabα：
其中，ω为网压角速度，将α轴分量uabα与三角载波进行比较，并基于伏秒平衡原理生成不同的脉冲序列，进而驱动开关管，使之按照预设算法开通或关断。
图4给出了不同功率等级下，传统PI-based DCC算法和所提优化算法的THD曲线。
图5给出了内环有功电流给定值突变时，(a)为传统PI-based DCC算法、(b)为本发明所提优化算法网侧电流is、有功、无功电流id、iq的实验波形，从图可知，本发明在有功电流给定值突变时，依然保持稳定。
图6给出了负载发生突变时，(a)为传统PI-based DCC算法和(b)为本发明所提优化算法网侧电压、内环有功、无功电流及直流侧电压的实验波形，从图可知，在负载发生突变时，传统PI-based DCC算法需要104ms，负载才能重回稳定状态，而本发明仅仅需要52ms，远远优于传统算法。
图7给出了加入电感参数估算环节时，所提优化算法电流实验波形。
本发明构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹，采用模型预测思想，预测出最优椭圆轨迹半径，推导最优控制量，实现脉冲整流器的直接电流控制，相比于传统算法，本发明取消了传统PI-based DCC算法内环PI控制器，无需进行复杂的PI参数设计，解决了单相脉冲整流器内环动态响应速度慢和控制结构复杂的问题。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，其特征在于，包括：
S1、构建单相脉冲整流器的有功电流和无功电流的目标函数：
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其中，ΔP和ΔQ分别为有功电流和无功电流的误差标幺值，id和iq为网侧电流在旋转坐标系下d、q轴分量，t为时间；
S2、根据输入电压的端点轨迹，构建输入电压在旋转坐标系下的椭圆轨迹函数：
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其中，和Uz分别为椭圆的长、短半径，且系数k>0，Uz≥0，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量，ud_S、uq_S分别uabd、uabq的稳态分量；
S3、根据有功电流和无功电流的目标函数以及输入电压的椭圆轨迹函数，计算输入电压；
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其中，sgn(EP)，sgn(EQ)分别代表EP、EQ的符号，EP、EQ分别为有功电流和无功电流误差；且可以表示为
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S4、根据输入电压和评价函数J(k)对输入电压椭圆轨迹半径的偏导，获得内环控制器的最优控制量d轴分量uabd(k)和q轴分量uabq(k)：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>_</mo> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mo>_</mo> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> </mrow>
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其中，Ls为网侧等效电感参数，Ts为控制周期，idref和iqref分别为有功电流、无功电流的给定值；
S5、对最优控制量进行坐标变换，获得内环控制器的最优控制量α轴分量uabα和β轴分量uabβ：
<mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中，ω为网压角速度。
2.根据权利要求1所述的单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，其特征在于，所述网侧等效电感参数Ls的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;omega;i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，usq为网侧电压在旋转坐标系下q轴分量。
3.根据权利要求1所述的单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，其特征在于，构建评价函数J(k)：
J(k)＝[idref-id(k+1)]2+λ[iqref-iq(k+1)]2
通过评价函数J(k)获取输入电压椭圆轨迹半径的导数：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>J</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>dU</mi> <mi>z</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow>
其中，idref和iqref分别为有功电流、无功电流的给定值。
4.根据权利要求1所述的单相脉冲整流器电流内环控制器的优化方法，其特征在于：所述有功电流和无功电流误差标幺值为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>Q</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>i</mi> <mrow> <mi>q</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，id和iq为网侧电流在旋转坐标系下d、q轴分量；idref、iqref分别为有功电流、无功电流的给定值。
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