动态电压恢复器控制策略的研究综述

长春工程学院学报(自然科学版)2020年第21卷第4期J.Changchun Inst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2020,Vol.21,No.44/26 17-22
ISSN1009-8984
CN22-1323/N
doi：10.3969/j.issn.1009-8984.2020.04.004
动态电压恢复器控制策略的研究综述
薛广业孟祥萍12，纪秀12
(1.长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012；
2.智能配电网测控与安全运行国家地方联合工程研究中心，长春130012)
摘要：电力系统中区域性供电不平衡和负荷波动会导致系统电压跌落，随着用户对电能质量要求的不断提高，解决这类问题显得极为迫切。

动态电压恢复器作为治理电压跌落的最有效的途径之一，近些年来受到学者们的广泛关注。

控制策略是动态电压恢复器研究中最为关键的部分，主要负责检测、计算和确定补偿所需的电压或电流。

不同的控制策略对动态电压恢复器的控制性能不同。

对动态电压恢复器中的线性控制策略和非线性控制策略及其改进的控制策略进行综述，阐述了不同控制策略的原理、特点及动态电压恢复器在不同控制策略下控制性能的效果分析。

为了进一步推动动态电压恢复器控制策略的研究和发展，对动态电压恢复器控制策略未来需要深入研究的方向进行了展望。

关键词：动态电压恢复器(DVR)；电压跌落；控制策略
中图分类号:TM76文献标志码:A文章编号：1009-8984(2020)04-0017-06
0引言
电网技术的不断进步和人们对电能质量需求的不断增加，使电能质量的监测和治理成为新的研究热点。

对电能质量各种扰动的监测发现，目前电网电压跌落已成为亟需解决的问题。

对比当前对电能质量治理的各种方法，动态电压恢复器对电网电压暂降的补偿和治理具有明显的优势。

为了有效地解决由于电压跌落引起的电能质量问题，需要对动态电压恢复器尤其是对它的控制策略进行研究。

本文先从动态电压恢复器传统的线性控制策略和非线性控制策略两大部分展开研究，最后对动态电压恢复器控制策略的方向和应用进行了展望。

1控制策略研究
对动态电压恢复器而言，控制环节是关键。

控制环节能够保证动态电压恢复器的输出电压能够有效地跟踪负载参考电压指令的变化，使负载电压得到补偿。

控制环节的好坏还将决定动态电压恢复器最终的补偿结果。

我们可以依据情况选取不同的控
收稿日期;2020—07—19
基金项目：吉林省科技攻关项目(20100303015SF.20180201065SF)作者简介：薛广业(1995—),男(汉)，山西大同人，硕士
主要研究电能质量检测与控制。

制策略来满足设计需求。

对动态电压恢复的控制策略研究主要从线性控制和非线性控制两个方面进行。

1.1动态电压恢复器的线性控制策略
1.1.1前馈控制
前馈控制的实质是开环控制，图1是前馈控制的控制原理图。

在开环控制中，首先需要检测系统电压Us并与基频参考电压Uref作差，将得到的偏差信号输入到逆变器的脉冲触发端口进行PWM控制，最后向系统注入补偿电压。

该控制方法的特点是动态响应快，缺陷是由于容易受系统电压以及负荷适应能力的影响，使Dynamic Voltage Restorer (DVR)的输出电压产生偏差，导致补偿精度不够。

如果系统参数设计不当，电压超调量会增加。

文献［1］提出在串联电压控制器的控制系统中采用前馈控制策略，通过仿真实验表明该控制策略最终输出补偿电压的幅值和相位均产生偏差，且该偏差不能完全消除。

对于前馈控制系统，系统的稳定性与滤波器参数L和C无关，而与负载的变化相关，而且当负载趋向空载时，前馈控制系统将变得更加不稳定。

在此基础上文献［2］提出动态电压恢复器的双前馈控制策略研究，即采用电压前馈和电流前馈的控制策略,仿真实验表明，该控制策略较简单的前馈控制的控制效果好，但控制易受负载高次谐波电流的影响。

此外，前馈控制系统增益受频率影响，频率
18长春工程学院学报(自然科学版)2020,21(4)的改变也能使得系统增益发生改变，进而影响前馈控制系统的稳定性。

图1前馈控制原理图
1.1.2反馈控制
图2是反馈控制原理图，反馈控制是将DVR 实际输出的电压信号反馈到系统电压与基频参考电压信号一起来参与系统的信号调节，使输入负载的电压幅值和相位更接近于系统电压信号，具有补偿精度高的优点。

虽然反馈系统比前馈系统稳定，但由于反馈控制算法的复杂性，故其动态特性较前馈控制低。

前馈控制系统对负载电压和电流变化的适应性差，且容易产生超调、偏差等问题，因此无法满足实际应用［3—4］，反馈控制可以有效解决这类问题。

文献［5］提出采用基于负载电流反馈的闭环控制策略,控制器采用比例控制。

文献口］采用了基于负载电压反馈的闭环控制，控制器采用PI控制。

这两种方法虽然使系统稳态误差有所减小，但是不能消除稳态误差。

文献［6—7］在此基础上提出了PID控制，微分环节利于提高系统品质。

PID控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”言息估计的有效而简单的控制系统［—7］，原理及结构简单，具有较强的鲁棒性，在控制算法中已得到普遍使用，并适用于多种不同对象⑻。

文献［9］的控制算法中采用电压闭环控制加PID控制器的控制策略，这一控制策略的应用使系统的动态响应性及稳态精度得到提高。

文献［10］提出了电压瞬时值反馈控制和电流瞬时值反馈控制的双环控制。

电压瞬时值反馈控制具有一定的稳定性，而且能够提高系统的动态性能。

滤波电容电流瞬时值反馈控制一方面通过增大系统的稳定裕度使系统变得稳定；另一方面通过减小负载电流对系统的影响来提高系统对各种变化负载的适应性［3］。

文献［11］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，仿真结果证明该控制策略的稳定性和快速性得到显著改善。

而且对畸变输入电压有明显的抑制效果，补偿的精确度更高。

文献［12］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，仿真结果验证控制策略具有良好的负载适应性，对动态电压恢复器补偿电压跌落具有良好的补偿效果。

图2反馈控制原理图
113复合控制
复合控制策略是一种包含前馈和反馈控制策略的一种控制策略，是目前应用最广泛的一种控制策略。

复合控制在一定程度上弥补了前馈控制和反馈控制的缺陷。

复合控制通过使用交流电流进行内环电流反馈控制，同时外环采用负载电压作反馈控制对动态电压恢复器的逆变器回路输出进行控制，大量实验证明该控制策略能有效提高负载的适应性和稳定性［⑷。

复合控制中电流内环使控制系统的动态响应时间延长，有效改善了电压补偿能力。

复合控制策略能有效降低系统阻尼，提高系统的响应能力及系统稳定裕度。

文献［14］提出一种基于相移控制技术的复合控制。

一方面通过使用相移控制技术使逆变器对系统有功能量的吸收减小，从而抑制动态电压恢复器直流电压的泵升，另一方面采用双闭环控制技术对电网电压跌落进行抑制负载的稳定性也因此提高。

通过MATLAB仿真，该复合控制策略可使动态电压恢复器(DVR)具有更好的负载适应性，且直流侧电压也得到了较好抑制。

文献［15］提出了一种改进的控制方法，包括参考电压的前馈通道和对输出电压的反馈控制两个环节。

文献［16］为了验证文献［15］所提方法的正确性，采用仿真软件对系统的动态响应速度、稳态精度以及负载适应性进行了仿真实验。

电压凹陷跟踪补偿实验表明该控制具有良好的动态性和稳态性；抑制系统电压干扰实验表明该系统具有一定抑制干扰能力及系统电压稳定输出功能;在负载适应性实验中，将前馈比例微分(PD)
复合控制与双环反馈控制补偿电压凹陷
薛广业，等：动态电压恢复器控制策略的研究综述19
的效果作对比。

图3是前馈PD控制原理图，前馈器环节，与简单的前馈控制相比，前馈PD控制的控PD控制在前馈控制策略的基础上增加了PD控制制效果好。

图3前馈PD控制原理图
当负载为阻感或者非线性负载时，前馈PD复合控制方法明显要比双环反馈控制的效果好，主要表现在动态响应速度快、超调量小、稳态精度高。

如果再将复合控制中的反馈控制环节设计为双闭环,再与前馈控制相结合，仿真表明系统动态响应速度明显提高，保证了补偿的快速性。

文献［10,17］提出了前馈控制、电压反馈控制和电容电流反馈控制组合而成的复合控制策略，并对系统传递函数进行推导以及伯德图分析。

采用PSCAD/EMTDC软件进行了仿真实验并研制三相DVR试验样机，实验结果表明在此复合控制策略下DVR系统对电网跌落电压的补偿具有跟随性好、稳定性强及动态响应快的优点。

文献［18］指出在研究(DVR)电网电压前馈控制、负载电压与电容电流双闭环反馈控制相结合的复合控制策略基础上反馈环采用PI控制具有负载适应性差、抗干扰能力差的特点，采用模糊PI 控制，又存在稳态误差较大的问题，提出将重复控制与模糊PI控制相结合的复合控制策略，该控制策略使DVR有较高动态和静态性能，并且负载适应性及抗干扰能力都有了提高。

通过仿真比较PI控制,模糊PI控制和重复+模糊PI控制3种控制策略的补偿效果，仿真结果显示采用重复+模糊PI的复合控制策略较另外两种控制策略的调节速度更快、稳态误差更小。

重复控制通过不断将误差信号与原始信号叠加以达到消除在稳定闭环内的所有周期性误差，其基本思想源于控制理论中的内模原理［19］。

重复控制功能之一是促使DVR装置消除电网谐波对负载的干扰,并能对波形实现优化和跟踪。

文献［］则提出了电感电流反馈加负荷电流前馈的控制方法，去除了串联变压器，减小了DVR的规模和造价，具有一定的经济性和实用性。

文献［20］对线电压补偿型三相三线动态电压恢复器(DVR)的拓扑结构进行了简化，提出了基于控制方程最优解的DVR最优化控制方法,仿真和实验结果证明了所提控制方法的正确性和可行性。

文献［10,21］提出了基于补偿电压外环、电容电流内环结合电网电压前馈的复合控制策略，这种控制策略能提高系统的阻尼，系统稳定裕度随之增加，同时系统响应能力得到保证［1］。

但该策略难以对输出侧串联变压器进行饱和限流控制，系统响应速度易受直流电压的影响,且不适合用于三相电网电压发生不平衡跌落的控制。

文献［22］提出采用电感电流反馈作为内环、补偿电压反馈作为外环、电网电压直接前馈和负载电流前馈的控制复合策略对文献［21］提到的控制方法进行改进的控制方法。

该文献提出的复合控制策略既保留了文献［1］中复合控制的优点，又具备文献［21］提出的电容电流反馈的动态特性，并且克服了电容电流反馈器件过流的缺点。

系统仿真结果证明了该文献提出的复合控制方案使系统控制具有较好的负载适应性及动态特性。

文献［3］提出一种改进型DVR控制策略，和传统的前馈控制和反馈控制相比，改进型控制策略的逆变指令电压与负载侧电压和负载侧电流相关。

改进型控制方式不但稳定性高，而且适应性强。

仿真和实验都验证了该控制策略的可行性。

文献［2］提出了利用电网电压前馈和负载电流前馈的双前馈开环控制方法用来消除负载电流对系统控制的影响，一旦负载电流存在频率很高的谐波时校正效果会变差，实验和仿真均表明仅有前馈控制并不能消除各种扰动的影响。

文献［3］在文献［2］的基础上增加了负载电压反馈的闭环控制，系统变为包含系统电压、负载电流双前馈加负载电压反馈的控制策略，通过仿真实验表明该控制不但能使系统的稳态误差得到消除，而且系统的快速响应和稳定性也能得到保证。

在实际控制中，只需检测电网侧和负载侧电压值，不需要检测负载侧电流值。

最后通过仿真和样机实验验证了该方法的正确性。

文献［24］提出使用直接电流控制策略对动态电压恢复器(DVR)电流内环基波分量进行前馈控制以及利用改进型比例谐振(PR)控制器形成电压外环进行反馈控制构成的单相DVR的复合控制策略。

图4为单相DVR的复合控制框图。

20长春工程学院学报（自然科学版）202021(4)
图4单相DVR的复合控制框图
以虚线框为例，该控制器为电压外环控制和电流内环控制相结合的控制形式。

其中电流内环采用比例控制，其电流参考值由负载直接电流前馈、外环PR控制、滤波电容分流补偿3部分叠加而成。

电压外环采用改进型比例谐振控制器的形式。

所提出的复合控制策略既能使其响应速度显著提高，又能保证DVR系统的稳定性，而且在抑制电网侧谐波干扰的同时又保证了敏感负载的电压稳定。

在仿真基础上在实验室搭建容量为4kVA的DVR实验样机，实验结果证明：该复合控制策略相比单独使用PR控制时的系统响应和稳定性都有了显著提高,且对网侧电压暂降和谐波有较强的抑制作用［4］。

1.2动态电压恢复器的非线性控制策略
对于动态电压恢复器逆变器控制，除了线性控制策略外,还有非线性控制策略。

非线性控制方式对DVR的逆变单元具有更好的控制效果。

包括人工神经网络（ANN）控制、无差拍控制、空间矢量控制、模糊控制等。

1.2.1人工神经网络控制
神经网络控制拥有强大的非线性映射能力，既可以作为辨识器，又可以作为控制器，被广泛应用于控制系统中。

人工神经网络控制（ANN）具有自适应能力强、鲁棒性好等优点，有很强的容错性。

人工神经网络按其结构可分为局部逼近神经网络、模糊神经网络、前馈神经网络和反馈神经网络4部分［5］。

文献［26］提出一种基于径向基（RBF）神经元网络DVR非线性控制策略。

径向基（RBF）神经元网络由J.Moody和C.Darken于1988年提出，它是三隐层前馈型网络，径向基函数用作中间隐层。

相比多层前馈网络，RBF网络具有结构简单、计算简单、泛化能力强和学习收敛速度快的优点。

在MATLAB/Simulink仿真环境下搭建DVR系统仿真模型，采用S—Function函数对RBF进行网络运算，对DVR进行仿真分析，结果表明在此系统控制下DVR具有良好负载适应性。

1.2.2无差拍控制
20世纪50年代Kalman等人首次提出了状态变量的无差拍控制理论。

直到20世纪80年代, Gokhale在PESC年会上提出无差拍控制可以实现对逆变器控制［7］，从而使逆变器的无差拍控制受到国内外学者广泛关注。

目前无差别控制理论发展已经相当成熟，可以达到有效输出电压瞬时值的目的［8］。

无差拍控制方法与PWM控制方法类似，它由含滤波器的逆变系统的状态方程及输出回馈信号来推算下个开关周期的脉冲宽度。

它可以在一个开关周期内校正由负载扰动或非线性负载引起的任何输出与给定的偏离。

这种控制能消除稳态误差、提高动态响应以及控制精度，但是控制效果受状态空间表达式中参数的精确度的影响较为严重，因而也存在瞬间响应超调量大以及鲁棒性弱等缺点［5］。

1.2.3空间矢量控制
空间矢量PWM（SVPWM）采用逆变器空间电压矢量的切换得到准圆形旋转磁场，较SPWM的控制性能更好［5］。

文献［26］提出了一种用于抑制电压暂降/暂升的内环为电感电流环，外环为输出电压环的DVR双环矢量解耦控制策略。

仿真实验结果表明，双环控制比传统电压单环控制在控制精度方面表现更好、响应更快、DVR补偿波形畸变更小。

1.2.4模糊控制
模糊控制是利用专家的知识对控制对象进行控制的控制方法。

图5是模糊控制系统原理图。

模糊控制系统由模糊输入、模糊控制器、被控对象和模糊输出4部分构成。

模糊控制是一种非线性环境下的控制方法，智能控制中的一种。

目前，模糊控制方式常与脉宽调制（PWM）控制搭配使用。

针对DVR逆变单元非
薛广业，等：动态电压恢复器控制策略的研究综述21
线性、周期不固定及参数不稳定的特点，同时为了提高DVR控制系统的稳定裕度、动态响应能力、负载调节特性以及控制精度[6]，提出将模糊控制方法应用于DVR中[9]。

因模糊控制不需要对系统建立精确的数学模型，故可以忽略系统获取动、静态特征量的繁杂过程所造成的误差。

而且其对外来干扰、过程参数变化和非线性因素均不敏感，但如果单纯使用模糊控制的方法，其稳态误差大且负载适应性会更差。

文献[6]基于此提出了参数模糊自整定PID 控制策略，与常规PID控制相比，该控制策略具备了模糊控制的灵活性和适应性，而且能有效抑制电压谐波。

文献[0]研究了基于Mamdani模糊系统的模糊神经网络运用的PID控制中的一种复合控制，动态电压恢复器的控制环节中采用模糊神经网络理论+复合控制相结合的控制方法，并基于此设计控制器，在MATLAB/Simulink环境下搭建电压跌落系统仿真模型，仿真验证表明该种控制方法能够在短时间内对电压跌落进行补偿。

并且在此工作环境同样满足了敏感负载不受电压波动影响的要求。

该种控制策略在追求响应速度快、超调量小及抗干扰能力方面明显优于传统的PI控制和PID 控制。

图5模糊控制系统原理图
除此之外，文献[31]提出一种DVR的模糊滑模变的控制策略，它是一种非线性控制策略，该控制的优点是动态性能和负载适应性好，抗干扰能力强,通过仿真实验证实了该控制的有效性以及可实现性，但缺点是稳态误差较大。

2结论
从线性控制和非线性控制两方面对动态电压恢复器的控制策略进行了综述。

一方面围绕3种控制策略的发展顺序对动态电压恢复器前馈控制、反馈控制和复合控制3种线性控制进行了综述，阐明各种控制策略的特征、应用及其控制效果；另一方面,随着电力电子等非线性器件的使用以及动态电压恢复器自身逆变单元的非线性，又分析研究了动态电压恢复器在多种非线性控制策略下的控制效果。

3展望
经过几十年的发展,国内外专家学者对动态电压恢复器控制策略的理论及实验研究已经取得重大进展和突破。

但随着电力电子等非线性装置和智能化设备的广泛应用，同时用户对电能质量的要求也越来越高，关于电能质量问题的研究又成为一个热点。

在这样的新环境下，为了进一步推进动态电压恢复器控制策略的研究和发展，本文笔者提出可以在以下3个方面做深入研究。

1)目前动态电压恢复器在不同的控制策略下达到的控制效果不同。

为了满足多场景背景下的控制要求，例如使控制同时满足敏感负载和一般负载的要求,或使控制同时具有快速性、准确性和稳定性且控制结构简单的特点，多种控制策略相互组合仍然是未来的一大发展方向。

2)DVR结构呈现多样化,需要选择与多结构的动态电压恢复器相适应的控制策略，同时不断改进优化结构和参数，使系统电压快速得到补偿。

3)基于动态电压恢复器逆变单元非线性的特点，DVR在非线性环境下的控制策略应用会更加广泛，同时可尝试将电力系统整流、逆变部分其他新型控制策略应用于DVR中。

总之，随着控制理论的不断发展，在动态电压恢复器针对电压跌落和补偿方面与多种控制理论会结合得越来越紧密，控制效果也会越来越好。

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The Review of Research on Control Strategy to Dynamic Voltage Restorer
XUE Guang—ye,et al.
(School of Electrical and Information Engineering,
Changchun Institute of Technology,Changchun130012,China}
Abstract:Regional unbalanced power supply and load fluctuations in the power system wi ll cause the sys­tem voltage to drop.With the continuous improvement of users'requirements for power quality,it is ex­tremely urgent to solve these problems.As one of the most effective ways to manage voltage sag,dynamic voltage restorer has received extensive attention from scholars in recent years.The control strategy is the most critical part of the research on dynamic voltage restorer.It is mainly responsible for detecting,calcu-latng and determining the voltage or current required for compensation.Different control strategies have different control performances for the dynamic voltage restorer.This paper summarizes the linear control strategy，nonlinearcontrolstrategyanditsimprovedcontrolstrategyinthedynamicvoltagerestorer，ex-poundstheprinciplesandcharacteristicsofdi f erentcontrolstrategiesandthee f ectanalysistothedynam-ic voltage restorer's control performance under different control strategies.In order to further promote the researchanddevelopmentofthedynamicvoltagerestorercontrolstrategy，thispaperlooksforwardtothe utureresearchdirectionsondynamicvoltagerestorercontrolstrategy
Key words：dynamic voltage restorer(DVR)；voltage sag；control strategy。