动态电压恢复器研究综述_黄乐

第32卷第3期
2012年6月惠州学院学报（自然科学版）JOURNAL OF HUIZHOU UNIVERSITY Vol.32.No.3Jun.2012
收稿日期：2012－05－20
基金项目：广东省自然科学基金研究项目（8151009001000059）
作者简介：黄乐（1986－），男，广东梅州人，硕士研究生，研究方向为电能质量。

动态电压恢复器研究综述
黄
乐，聂一雄（广东工业大学
自动化学院，广东广州510006）摘要：动态电压恢复器（DVR ）良好的动态性能和很高的性价比使得它成为治理电压凹陷的最经济、有效的
手段。

文章就目前国内外有关DVR 研究的现状从动态电压恢复器的储能方式、
补偿与控制策略的研究和电压暂降的检测方法这三方面进行了详细的阐述和分析，最后总结并讨论了DVR 的发展趋势。

关键词：DVR ；储能元件；补偿；控制策略；检测方法
中图分类号：TM7文献标识码：A 文章编号：1671－5934（2012）03－0077－06
1引言
电压暂降（Voltage sag ）是电能质量问题中最受关注的问题之一，
IEEE 将电压暂降定义为：供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的10% 90%，
并在随后的10ms 1min 的短暂持续期后恢复正常。

在多数的电能质量问题中有70% 90%是由电压暂降引起的［1］。

在非线性电力电子装置应用广泛的新环境下，哪怕几个
周期的电压暂降或中断都将影响这些设备的正常工作，都将造成巨大的经济损失［2］。

处理电压暂降的有效性和速动性是电压补偿的难点。

对用户侧的电压暂降补偿而言，已有几种常用的方法
有动态电压恢复器DVR （Dynamic Voltage Restorer ），
静止无功发生器［3］，统一电能质量控制器［4］，超导磁能储蓄［5］，还有华北电力大学开发的双路供电集成电源装置［6］等。

动态电压恢复器是目前解决电压暂降问题最经济、有效的用户电力装置［7］。

动态电压补偿器具有在发生电
压暂降半周波内，
就能进行补偿，且它的经济费用比其它的补偿装置低。

正因为DVR 具有如此高的灵活性和更好的经济性，应用前景非常广阔，所以各国的电力领域的专家学者们普遍认为：采用DVR 是解决电压暂降等动态
电压质量问题的最经济、
最有效的手段。

各国研究者对DVR 的诸多方面进行了广泛的研究。

本文将从拓扑结构与储能方式、补偿策略和控制方法和检测方式等几个方面对现有文献进行综述。

2DVR 的热点研究方向
目前，国内外科研机构对DVR 的研究，已经由最初的简单原理性实验样机的研制转变到对DVR 经济性和可靠性相关的研究，研究主要分三个方向：
2.1DVR 拓朴结构及储能系统的研究
DVR 基本电路拓扑包括主要应用在中压场合的串联型和主要应用在低压场合的串并联混合型两种。

而DVR 的接入电网又可分为串联变压器型和无串联变压器型。

串联变压器型可以适用于较高电压等级的电网，它一般采用电网侧为高电压等级的升压变压器。

有串联变压器可以降低直流逆变侧的电压等级并与电网侧产生电气隔离，但它需要较高的造价及占地面积。

同时由于变压器的非线性特性，逆变器产生的高次谐波给接入变压器
的设计带来困难，
使其容量上升。

有无串联变压器对电压暂降的补偿效果是不同的。

DVR 中的串联变压器的浪涌电流会对电压暂降的补偿造
成一定程度的影响。

文献［8］对这类装置中能量流动和补偿电压控制问题进行了分析。

提出了可以补偿电压浪涌
和保证最小能量补偿的电压补偿轨迹。

并且分析了在考虑补偿装置内阻抗情况下的电压补偿策略。

惠州学院学报（自然科学版）2012年第32卷文献［9］对注入变压器发生过饱和的机理进行了相应的分析，提出了抑制注入变压器发生过饱和时的高次谐波注入控制策略及算法，并通过计算和仿真验证了算法的正确性。

当动态电压恢复器中的变压器采用不同的连接方式时，对DVR 的补偿效果也是不同的。

文献［10］指出变压器三角形连接可以充分利用DVR 的能量，延长补偿时间，降低设备成本；星形连接可以解决三相不平衡以及电路中零序电压的问题。

同时给出一种通用的参数设计方法，对DVR 系统的设计和优化具有指导意义。

当不采用串联变压器，直接采用滤波电路直接接入电网，使用电容耦合的设计方法也是一个研究方向［11］，省
去了串联变压器使得系统容量及成本降低，此方法控制简单，易于实现，应有广阔应用前景。

文献［12］将无串联变
压器DVR 与串联型DVR 进行了比较，通过仿真验证了无串联变压器的优点。

无串联变压器型的动态电压恢复
器启动瞬间有可能产生谐振的问题，但已有学者作出研究，改善了此问题。

文献［13］介绍了无串联变压器型动态
电压恢复器主电路拓扑结构，对DVR 启动瞬间的谐振问题进行了分析和研究，并对DVR 滤波器及阻尼控制器进行了优化设计。

大大减少了谐振带来的影响。

DVR 常采用的无串联变压器的拓朴结构为滤波电容直接接入电网。

文献
［14］介绍了一种基于电压型逆变器，采用直接电容接入电网的动态电压恢复器，以及根据技术要求设计
实现其原理样机的过程。

逆变器采用电压型逆变器时，需要用容量较大的电容作为储能元件。

电容元件的储能能力有限以及考虑到大电容的设计成本。

为此许多专家学者展开了对级联多电平动态电压恢复器的研究。

文献
［15］基于EMTDC /PSCAD 进行了大量数字仿真，结果验证了系统设计方案、控制算法的正确性及有效性。

通过对所研制的2kVA 六单元级联拓扑物理样机的模拟试验。

验证了底层控制策略的正确性。

而文献
［16］则详细分析了在补偿状态和待机状态下，级联多电平动态电压调节器逆变器的损耗；并简要分析
了两种工作模式下整流电路、Boost 电路和多重变压器的损耗。

传统的级联多电平逆变器的拓扑结构需要大量的电力电子开关作为控制元件，于是文献［17］在传统多电平逆变器拓扑结构的基础上，提出了一种新型电路拓扑。

指出新型电路拓扑相对于传统电路拓扑在器件数、直流电压
源数上都具有一定的优势。

详细分析了该电路拓扑的工作原理并且给出了相应的控制策略，
最后通过仿真实验验证了这种拓扑的可行性。

储能单元的介质选取是DVR 的主要的研究内容。

DVR 可采用直流储能系统如蓄电池［18］、超级电容［19］、超导
储能装置［20］以及飞轮储能装置［21］等。

在这类储能装置中，能量必须通过DC /DC 变流器从储能系统传递给直流环节电容，这样，直流侧电压基本可以保证恒定。

文献［22］提出了一种新颖的多DVR 共用直流电容的方法，共用电容可以在补偿电压跌落的同时进行能量的补充，
省去了为给电容补充能量而专门配制的整流设备，节约了DVR 成本。

但运行条件较苛刻，必须要有双电源电路。

文献［5］介绍了电压暂降补偿原理和SMES 磁体充电原理，指出超导磁能储蓄对电压暂降的补偿响应速度快，效率高，灵活输出等特点，但目前的冷却环节是该技术的难点，使其投入费用很高，目前尚处于研究状态。

文献［23］
重点讨论了基于矢量控制的飞轮储能装置充放电控制策略，通过控制直流母线电压，使能量在配电
网、飞轮储能单元及负载间合理流动。

在Matlab /Simulink 环境下建立了动态电压恢复器模型，仿真结果表明该模型能准确控制飞轮储能装置充放电，补偿配电网电压跌落，保护敏感负载不受影响。

文献［24］采用蓄电池和超级电容器混合使用作为DVR 的储能元件具有响应速度快，储能容量大，维护方便，操作简单，性价比高等其他储能方式无法比拟的优点。

当系统电压暂降时间较短时，所需能量全部由超级电容器组提供；当暂降时间较长时，蓄电池切入，为超级电容器充电。

但文中并未对它们在并联瞬间对超级电容器所产生的电流冲击进行分析，该冲击电流是否会影响元件的寿命尚有待讨论。

2.2DVR 补偿方式的研究
动态电压恢复器对电压暂降的补偿主要有三种补偿方式，有完全补偿、同相补偿和最小能量补偿。

完全补偿是将负载电压的幅值和相位完全恢复为正常时的状态；同相补偿是采用与被补偿电压相位相同的补偿电压，以最大限度地提高电压利用率；最小能量补偿是采用与负载电流正交的补偿电压进行补偿以实现最小有功输出。

·
87·
第3期黄乐等：动态电压恢复器研究综述采用最小能量补偿法可以降低储能元件的造价成本。

文献［25］以负荷侧电压幅值、系统侧电压幅值、负荷功率因数角为变量，以补偿电压幅值和相角为待求量，以
最小能量为目标函数，
以补偿能力为约束条件建立数学模型，提出了详细的补偿判据和补偿策略。

文献［26］指出负荷功率因数越低，DVR 补偿时消耗的能量越小，越容易实现纯无功补偿。

据此，该文对DVR
接入系统的拓扑结构加以改进，在负荷端并联一个可调电抗器，电压跌落补偿时投入使用，暂时降低负荷功率因
数，
以保证DVR 在补偿时消耗能量最小。

文献［27］
首先提出考虑装置补偿电压约束时DVR 能量稳定补偿策略，并指出能量稳定补偿策略的补偿效果直
接受到电压暂降（暂升）幅值、负荷功率因数及装置极限补偿电压3方面因素影响的结论；最后对3种影响因素对补偿策略效果的影响特性进行理论与数值分析，并给出其影响特性曲线。

文献［28］详细分析了同相位补偿、故障前补偿和最小能量补偿3种方式下DVR 能量流动的规律。

同相位补偿
时，输出的电压最小，但在大多数时候可能输出的能量较大；故障前电压补偿方式下只要是电压发生暂降，必然需要向系统提供有功和无功才能满足控制的需求，这就对储能单元的功率输出提出了较高的要求；最小能量补偿方
式下，
指定补偿角的选取是关键。

为了利用各种补偿方式的优点，有些专家学者提出了混合补偿的方法。

考虑到DVR 的电压注入能力和能量
补偿能力，
文献［29］提出了将恒相电压补偿法与超前相电压补偿法相结合的补偿策略。

文献［30］在综合跌落前电压补偿法、同相电压补偿法和最小能量补偿法这几种控制方法的基础上，提出确定动态电压恢复器最佳补偿点的方
法，
通过综合补偿来达到较理想的补偿效果。

2.3控制策略的研究
对逆变器DVR 的控制策略分为线性控制和非线性控制。

对线性控制主要采用前馈控制、反馈控制和复合控制。

对逆变器采用的非线性控制主要有人工神经网络控制、
模糊控制、无差拍控制以及空间矢量控制等。

文献［31］提出了一种以控制串联变压器工作电流来约束负载额定电流，从而间接控制负载额定电压的方法。

并通过实验验证了该方法准确性和可行性。

文献
［32］在传统电网电压前馈的基础上通过误差校正实现了负载电流前馈，该方法对电网电压和负载电流的
抗干扰性都很强，但由于其采用上一采样周期的误差来校正本周期的控制量，所以当负载电流存在频率很高的谐波时，校正效果仍然有限。

文献
［33］在现有控制策略的基础上，引入了基于干扰电压前馈的新的控制策略。

增加了系统的稳定裕度，提高了系统的动态响应速度文献［34］
引入导数和积分方式来实现快速电压波形鉴别以及噪声消除，通过二次微分消除特定谐波分量，简化锁相滤波，推导了软件锁相初值角的计算方法，提出了分时段电压检测和补偿的模型，并配合实现补偿电压的
生成，
最后通过DVR 样机的单相电压跌落实验验证了上述算法的可行性。

文献［14］介绍了10kW DVR 原理样机基于电压型逆变器采用电容直接接入电网，采用自适应参数调节的PI
控制器构成电压外环和电流内环的双环控制算法。

实验证明，该系统能有效补偿电压跌落、相移和谐波，具有良
好的动态性能。

但当负载为阻感或者非线性负载时，
双环反馈控制出现动态响应时间加长，超调量变大，稳态精度降低等缺点。

文献［35］提出了基于瞬时无功理论以及数字锁相环路为基础的控制策略，并通过仿真证明该控制策略的稳定
性和反应速度都较以前有了很大的提高，实用性更强。

但在实施PID 控制时其中的积分环节会造成给定参考量与输出量之间的相位偏移。

考虑到相位偏移带来的系统偏差，会影响DVR 的稳定性和动态响应性能。

于是便提出了在瞬时值电压环的基础上再加入电流内环形成双闭环控制系统。

文献［36］使用三相瞬时无功dq 检测算法和双闭环控制系统控制策略来控制动态电压恢复器。

仿真结果验证
了检测算法和控制策略对动态电压恢复器补偿电压跌落具有良好补偿特性，达到了保护负荷，治理电压跌落的目的。

针对动态电压恢复器的非线性特性，对逆变器采用的非线性控制主要有人工神经网络控制、模糊控制、无差
拍控制以及空间矢量控制等。

文献［37］将模糊控制和经典的PID 控制相结合应用于动态电压恢复器的控制中，对·97·
惠州学院学报（自然科学版）2012年第32卷模糊PID 控制的单相DVR 控制原理进行了详细阐述，该方法能够在极短的时间内发出补偿电压并保证负载电压稳定，补偿开始和结束的过过程很短且比较平缓，整体补偿效果比较理想。

而文献
［38］则采用神经网络控制和经典的PID 控制相结合应用于动态电压恢复器（DVR ）的控制中，提出了一
种针对单相动态电压恢复器的神经网络PID 控制方法，并通过仿真结果表明了该方法的正确性和可行性。

文献［39］将无差拍控制思想应用于DVR 中，通过理论分析得到了一种DVR 的无差拍控制算法，给出了算法详
尽的推导过程，
并仿真说明无差拍控制具有动态响应快，实现方便等优点。

但其瞬态响应的超调量大，因此仍需要对其模型做进一步改进。

2.4电压暂降检测方法的研究
对电压暂降特征量的快速检测是动态电压恢复器实现电压补偿的前提。

国内外对动态电压恢复器的电压暂
降的检测方法研究得较多，它有多种检测方法，主要有峰值电压法、FFT 法、小波变换法、状态空间矩阵法和瞬时
电压dq 变换法等。

文献
［40］详细论述了瞬时电压d －q 分解LPF 法、单相d －q 坐标变换检测方法和改进的αβ－dq 变换检测原
理三种检测方法，并进行了PSCAD 仿真分析。

仿真中对三种方法的检测准确性和实时性进行了分析比较，并对影响因素进行了介绍。

在这些检测方法中，其中dq 变换法目前应用最多。

文献［41］介绍了电压暂降及dq0变换的概念，分析了利用dq0变换后得到的ud 、
uq 、u0分量特征值来辨识在单相及多相发生电压暂降时，dq0变换信号各不相同的特点，最后给出控制检测的算法和原理框图。

但文章中并没
有讨论电压暂降时基波频率改变及相位跳变的情况。

研究发现使用锁相、低通滤波器等环节可快速推导出电压暂降时其基波电压的有效值及相位，从而有效地解决基波频率改变及相位跳变问题。

对电压暂降特征量的快速检测是动态电压恢复器实现电压补偿的前提。

文献［42］介绍了几种典型的电压暂降检测方法，对广泛采用的αβ变换法进行了详细的分析，在此基础上提出了一种新的检测方法，该方法通过锁
相、
低通滤波器等环节可快速推导出电压暂降时其基波电压的有效值及相位。

使检测的时间明显地减小了，因此可以提高DVR 的动态性能。

仿真结果证实了该方法的有效性。

对于αβ－dq 变换方法中u α和u β的构造至少需
要1/4个周期的延时。

有些研究者则对αβ－dq 变换检测原理进行改进，
改进的αβ－dq 变换检测原理能够较快速的检测出暂降幅值和相位跳变，延时最小值可由一个周期中的采样点决定，但在检测结束时产生的波动会给实际应用带来较大影响，仍应采取一定措施予以避免
［40］。

文献［43］提出了一种三相不平衡电压暂降的检测方法，通过对三相电压进行正序dq 变换和负序dq 变换后，经由形态低通滤波器得到三相电压的基波正序、负序和零序分量，进而得到各相电压暂降的起止时间、暂降幅值和相位跳变角。

文献
［44］
通过Matlab 仿真，验证了全周期有效值算法和半周期有效值算法的有效性，得到了电压暂降起始时
刻和终止时刻的误差变化曲线，提出在对起止时刻精度有较高要求的场合，可以利用此曲线进行误差修正。

文献［45］基于p －q －r 理论，提出了一种在三相系统中实时检测电压凹陷并计算补偿电压的方法。

电源侧电
压的基波分量经过坐标变换后，
在p －q －r 坐标下变为直流分量，在p －q －r 坐标下控制器能快速计算出电压有效值和补偿电压。

p －q －r 坐标下的补偿电压经过反变换即可得到a －b －c 坐标下各相的补偿电压。

基于p －q －r 理论的检测方法具有很好的静态和动态特性，仿真结果证明了该方法的正确性。

其它发展起来的检测算法在DVR 的电压暂降检测也是有应用，但理论研究并不深，它们大多为应用研究的初步，尚需进一步理论探讨和研究。

文献［46］将近年发展起来的可用于非平稳信号分析的Hilbert －Huang 变换进行了研究，并将其应用于电压暂
降的检测。

经过仿真表明Hilbert －Huang 变换对于电压暂降的检测是有效和可行的。

但文中的HHT 方法对电压暂降信号的处理只是应用研究的初步，尚需进一步理论探讨和研究，在实际工程引用中。

3结论与展望
随着电力电子技术的发展，在非线性电力电子装置应用广泛的新环境下，为了推进动态电压恢复器的研究和实用化研制，本文认为还需要在以下几个方面做更深入的探讨：
·08·
第3期黄乐等：动态电压恢复器研究综述（1）对DVR 的拓朴结构的深入研究及改进，可以满足电压补偿快速性、准确性和经济性的要求，大大地降低了电子元件的耐压能力。

我国研究的级联多电平的DVR 便具有很好的应用前景。

其采用的新的电路拓扑结构
相对于传统的电路结构具有对硬件要求低及更为经济等方面的优势，
其对拓扑结构及其相应的控制方式的研究是今后研究的方向之一。

对于能量存储单元的充放电技术研究，其中飞轮储能现在研究地较多，但都没找到一种大容量且具有经济性的储能装置。

混合储能元件的研究也是DVR 研究开发的热点，它大大降低了储能元件的造
价，
如文献［24］采用蓄电池和超级电容器混合使用作为DVR 的储能元件，并获得了良好的效果。

对于蓄电池和超级电容器混合使用作为DVR 的储能元件的研究，目前尚未有文献对蓄电池和超级电容器在并联瞬间对超级电容器所产生的电流冲击进行分析，该冲击电流是否会影响元件的寿命尚有待讨论，在其有影响的情况下该采用哪些
方面的措施来抑制其影响，
是否可以采用最佳投入点来减少其冲击电流的影响。

这些方面的研究也可能会为储能元件的发展带来更大的发展空间。

（2）对于DVR 的控制补偿策略方面，DVR 的控制仍然存在着无法兼顾快速性、稳定性和通用性的缺点。

这
些问题不能依靠单一的控制策略来解决，如文献［36］提出确定动态电压恢复器最佳补偿点的方法，为多种控制策
略相整合进行控制开辟了一条新的道路。

对于单一的控制策略存在着无法兼顾快速性、
稳定性和通用性的缺点，在需要更高的电能质量工业要求下，多种控制补偿策略混合使用的研究已是势在必行，采用混合控制方法的DVR 可以节约DVR 直流侧存储的能量，并可以延长电压补偿的时间。

目前在实际的工业应用中并没有采用混合控制策略的方法，其应用只停留在软件的仿真上，其控制转换点的寻找是一个难点。

在工程应用中，要找到较好的控
制转换点需要依赖于更可靠的检测方法。

在理论与仿真中，
最佳补偿点是可以寻找出来的，在工程应用中，可以用较好的补偿控制转换点代替最佳补偿点。

考虑现有的控制策略并对其进行细化和完善，尝试多种控制策略相整合，扬长避短，以提高控制效果。

（3）关于电压暂降检测技术的研究。

其中dq 变换法目是前应用最多的检测方法。

在要求较苛刻的情况下，dq 变换法显然是不适应，为此，又出现了αβ－dq 变换方法及改进的αβ－dq 变换方法。

但这些方法同时又带来新的问题。

与此同时，新的检测方法的出现，如Hilbert －Huang 变换和小波变换等的研究，这些检测方法的提出也
为快速、
准确地进行检测技术提供了一个新的方向，随着研究的继续深入，它们对DVR 应用将越来越广泛。

它们也将成为新一代检测技术研究和发展的方向。

文献［40］提出的改进的αβ－dq 变换检测在检测结束时产生的波动
会给实际应用带来较大影响，在其检测模型上是否能加上一个去除噪声的措施，或是否可以采用配合小波包变换法对其信号进行消噪，或加装锁相滤波的方法来对其检测方法进行改进，实现传统与新型技术的结合。

考虑现有的检测并对其优缺点进行分析，尝试多种检测技术相整合，扬长避短，并积极发展新的检测技术。

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