随着国民经济的发展和科技水平的提高,近年来,低压配电网中的非线性、冲击性及不平衡负荷迅速增多,导致配电网的电能质量恶化,带来诸如:功率因数、谐波畸变、电压闪变、三相不平衡等电能质量问题,在三相四线制的配电终端尤其以不平衡问题更为突出。配电网静止同步补偿器(Distribution static synchronous compensator,DSTATCOM)是具有综合补偿能力电网动态补偿装置,通常用于解决低压配电网复杂多变的电能质量问题。三电平DSTATCOM因具备诸多优点,十分切合四线制配电网的使用环境,因此在三相四线制配电网中具有广阔的应用前景。本文对三电平DSTATCOM的一些关键问题进行了研究。数学模型是控制对象理论分析和控制系统工程设计的理论基础,本文首先对多种主要的三相四线制三电平DSTATCOM的拓扑结构进行了对比分析,明确三电平三桥臂电容中分结构的三相四线制DSTATCOM为本文的主要研究对象,并推导证明了三桥臂电容中分结构的DSTATCOM与四桥臂结构的DSTATCOM的条件等价性,同时建立了两种四线制DSTATCOM补偿系统的统一数学模型,为上层控制系统的快速移植提供基础。为简化静止坐标系与旋转坐标系之间的映射关系、方便控制系统的分析和设计,从DSTATCOM补偿系统的标量模型入手,通过引入复矢量的概念进一步建立补偿系统的矢量模型。针对三电平电容中分结构的四线制DSTATCOM更为严峻的中点电位不平衡问题,利用对称分量法建立能够清晰描述中点电位变化的“分量叠加模型”,为电容中分三电平DSTATCOM的中点电位平衡控制策略的研究和设计提供理论依据。为了能够更好的控制电容中分三电平DSTATCOM的电压输出及其所包含的零序分量,论文对三维空间矢量调制(Three-Dimensional Space Vector Modulation,3D-SVM)技术进行了深入的研究。通过对传统正交三维坐标系下两类经典的3D-SVM进行对比分析,指出基于α-β-γ坐标系的3D-SVM计算复杂的根本原因,综合两类经典3D-SVM各自的优缺点提出了一种建立在非正交三维坐标系下的新型3D-SVM调制策略。利用基本电压空间矢量在非正交三维坐标系内分布所形成的空间四面体的特征信息,通过简单的逻辑判断和代数运算就可以完成SVM算法实现中包括:合成矢量选取、作用时间计算和开关顺序确定在内的三个关键步骤。所提算法设计简单,所需计算时间短,对电平数目具有通用性,并且该调制算法更有利于多电平逆变器性能优化控制的实现。中点电位不平衡是三电平DSTATCOM必须要考虑和解决的问题,基于论文中所建立的中点电位“分量叠加模型”,在非正交三维空间矢量调制策略中加入一种基于矢量替换的中点电位控制策略。该方法在控制中点电位平衡的同时,全面考虑矢量替换方案对于变流器输出电压零序分量的影响,通过引入中点电位平衡度量因子对有效的矢量替换方案进行量化评估,极大的简化了矢量替换方案的选择过程,根据中点电位平衡度量因子的计算结果实施相应的控制方案达到抑制中点电位不平衡的目的。作为四线制配电网动态补偿装置,电容中分三电平DSTATCOM在补偿无功功率的同时还要兼顾不平衡和谐波的治理工作。DSTATCOM在综合补偿时,传统的基于同步旋转坐标系下PI控制器+电流解耦的控制方案,存在解耦控制无效和多坐标变换计算复杂的缺点。为此,论文在静止坐标系下研究采用谐振控制器实现的指令电流跟踪控制策略,对谐振控制器中的两种具体实现方式,即比例谐振控制器(Proportional resonant,PR)和矢量谐振控制器(Vector resonant,VR)的动、静态特性及系统稳定性进行了细致的对比分析。论证了两种谐振控制都能实现稳态无静差控制,但采用VR控制器的电流环在负载突变的时候能够获得更好动态响应效果。论文进一步对控制器工程实现中存在的问题进行分析,指出误差引入的原因,并给出相应的补偿措施。DSTATCOM作为电力系统动态补偿设备投入电网运行之后,装置和电网之间的影响是一个双向的过程。论文从电力系统故障以及补偿装置自身故障两个方面,详细分析了两类故障对于DSTATCOM装置运行状态的影响。通过建立电力系统故障状态下整个补偿接入系统的稳态等效模型和暂态开关模型,对电力系统故障状态下DSTATCOM装置的补偿能力进行了研究,并对可能威胁装置安全运行的情况进行了说明。针对DSTATCOM装置自身故障中最为常见功率器件短路故障和开路故障,提出了分别以无功补偿和不平衡治理为目标的容错控制措施。最后根据本文提出的DSTATCOM相关的控制策略,研制具有三电平三桥臂电容中分结构的三相四线制DSTATCOM实验样机。仿真实验和样机的运行试验表明,论文所提出的非正交三维空间矢量调制策略算法简单、计算时间少,中点电位平衡控制策略能够有效抑制装置中的中点不平衡问题;所提基于谐振控制器的DSTATCOM电流跟踪控制系统能够有效的实现负载不对称、谐波的补偿;所提容错控制策略能够在一定故障范围内维持装置继续运行,装置设计达到了预期目的。