动态电压恢复器控制策略研究综述

第38卷第1期电力系统保护与控制Vol.38No.12010年1月1日PowerSystemProtectionandControlJan.1,2010动态电压恢复器控制策略研究综述王晶，徐爱亲，翁国庆，沈月月（浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310014）摘要：动态电压恢复器（DVR）是解决动态电压质量问题的主要手段，受到国内外电力研究者的广泛关注。为了推进动态电压恢复器控制策略的理论研究和实用化研制，在大量查阅国际会议、学术期刊等相关论文的基础上，对DVR的控制策略进行综述。对DVR的主要结构、相应工作原理和应用场合进行了归纳与比较。对DVR逆变器控制策略，包括前馈、反馈和复合型控制等线性控制方式，以及人工智能、模糊、无差拍、空间矢量等非线性控制方式进行总结。对DVR整流器常规的和新型的控制方式的原理、优缺点进行归纳和说明。最后提出动态电压恢复器研究中需要解决的若干问题。关键词：电能质量；动态电压恢复器；控制策略；电压凹陷；电力系统AsurveyoncontrolstrategyofDVRWANGJing，XUAi-qin，WENGGuo-qing，SHENYue-yue（CollegeofInformationEngineering，ZhejiangUniversityofTechnology，Hangzhou310014，China）Abstract：Asamainsolutiontodealwithdynamicvoltageproblems，dynamicvoltagerestorer（DVR）catchespowerengineeringscholarsandresearchers’moreattentions．InordertodevelopthestudyofDVRcontrolstrategiesandtopropelDVRequipmentapplications，thepaperdetailsthesurveyofDVRcontrolstrategybyreferringlotsofDVRmaterialsinconferencesandscienceperiodicals．SeveralkindsofDVRmainstructuresandrelevantoperationprinciples，togetherwiththeiroperationconditionsarediscussedfirstly．ThenthecontrolstrategiesofDVRinverteraresummedupwhichincludelinearcontrolmethods（suchasfeedforwardcontrol，feedbackcontrolandmultiplexcontrol）andnon-linearcontrolmethod（suchasAI，fuzzy，deadbeatcontrolandvectorcontrol）．Nevertheless，thetheory，advantagesanddisadvantagesofnormalandlatestcontrolmethodsusedonrectifiersidearealsopresented．Finally，certainproblemstobesolvedofDVRareproposed．Keywords：powerquality；DVR；controlstrategy；voltagesag；powersystem中图分类号：TM76A文献标识码：文章编号：1674-3415(2010)01-0145-070引言20世纪90年代，电能质量问题成为研究的重点，其中电压凹陷成为影响电力负荷安全运行最突出的问题[1]。动态电压恢复器DVR（DynamicVoltageRestorer）是目前解决电压凹陷问题最经济、有效的用户电力装置[2]。自从西屋公司于1996年研制成功首台工业应用的DVR后，国外多家公司，如ABB、西门子等均开发出各自的相关产品[3]。国内的高等院校和科研单位从1998年开始对DVR的结构[4]、参数选择[5]、检测[6]、锁相[7]、补偿控制策略[8]等方基金项目：浙江省自然科学基金项目（Y107210）；浙江工业大学信息学院教改项目专项基金（20070203）面进行研究。但至今为止，对DVR补偿控制策略的研究仍然方兴未艾。本文对DVR的控制策略和方法进行综述，并指明今后的发展方向和需要解决的若干问题。1DVR的基本结构和工作原理DVR是一种串联型电能质量控制器。当电网电压Vs发生电压凹陷时，DVR向线路中注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压Vdvr，以保证负荷电压恒定，如图1所示。RS+jωLSDVRVdvrI负荷VsV图1简化原理图Fig.1Simplifiedschematicdiagram-146-电力系统保护与控制目前DVR的基本结构主要有三种，应用于中低压配电网中保护敏感负荷免受电压凹陷的危害，如图2所示[9-11]。图2（a）所示为现已投入工业应用的串联型DVR。持续补偿电压凹陷的时间由直流储能单元的容量决定，受目前储能技术发展的影响，储能单元的价格与运行的维护费用较高。图2（b）所示为串并联混合型DVR，能够很好地弥补串联型DVR的不足。通过电网获取直流能量，对电压凹陷实现连续补偿。考虑到串联变压器成本较高，占地面积较大，且逆变器输出的高次谐波给变压器设计带来的困难，文献[11]给出串并联混合型DVR省去串联变压器的结构，如图2（c）所示。图2DVR结构图Fig.2ThepowercircuitofDVR2DVR的逆变器控制策略逆变器是DVR的核心组成部分之一。当系统电压发生凹陷时，逆变器能够根据所确定出的补偿量驱动功率模块，将产生的电压叠加到电网电压中，保持负载侧电压稳定。其控制策略的选取将直接影响装置的性能，因此诸多学者对其进行了探索研究。目前应用于DVR逆变器部分的控制策略如图3所示。图3DVR逆变器控制策略Fig.3InvertercontrolstrategyofDVR2.1线性控制线性控制有着理论完善、稳定性好、稳态精度高和易于工程实现的优点。采用比例、积分、微分等典型的控制模块，加上几种校正网络，就可以实现预定的控制目标。线性控制方法主要有：前馈控制、反馈控制和复合控制。2.1.1前馈控制前馈控制是比较简单的DVR控制方式，控制策略分析如图4所示。电网电压电压比较器检测电路PWM信号逆变器―＋＋＋＋＋系统电压负载电压图4前馈控制系统框图Fig.4Diagramoffeedforwardcontrol该方法能够快速检测并计算出需要补偿的电压信号，因此具有很高的动态响应速度。但是电网电压及其负载特性会在很大程度上影响DVR的输出电压，且前馈控制对负载的适应能力不强，电压超调比较严重，控制精度不高，很难得到好的补偿效果。文献[12]指出在串联电压控制器的控制系统采用前馈控制策略，其输出补偿电压的幅值和相位偏差不能消除。基于上述问题，文献[13]将电网电压和负载电流看作两个干扰量，提出了误差校正控制方法。文献[14]在文献[13]的基础上利用电网电压前馈和负逆变器控制线性控制非线性控制前馈控制反馈控制复合控制人工神经网络控制模糊控制无差拍控制空间矢量控制王晶，等动态电压恢复器控制策略研究综述-147-载电流前馈的双前馈开环控制方法。大量的仿真结果看出，双前馈控制方法比简单前馈控制效果好，能有效地减小电网电压和负载电流对控制效果的影响。但是当负载电流存在高频谐波时，校正效果会变差。2.1.2反馈控制国外已经投入运行的DVR装置的反馈信号取自补偿前的系统电压，能够对三相电压不对称进行治理。补偿电压与系统电压迭加时在变压器上发生相角和幅值的偏移，同时谐波分量会在变压器上产生畸变，为变压器和滤波器的设计带来困难[15]。为了提高补偿效果，文献[15]提出了电压瞬时值反馈的控制方法，以补偿电压凹陷为主兼顾治理电压谐波，如图5所示。该系统在闭环控制下具有条件稳定性，在系统稳定的情况下可以达到比较理想的补偿效果。对于电压谐波也有一定的治理效果。三角波SPWM信号逆变器＋＋＋PI―滤波器系统电压负载电压标准正弦波＋―图5电压环反馈控制系统框图Fig.5Diagramofvoltage-loopfeedbackcontrol在此基础上，文献[16]提出了负载电压瞬时值反馈加电容电流局部反馈的方法。文献[17]对文献[16]提出的方法利用根轨迹法进行分析发现，该方法在选取闭环极点时受到一定的限制。基于这一问题，提出一种状态空间反馈控制方法，可以任意设置闭环极点，使得响应速度较之有所提高。文献[18-21]也提出了电压外环、电流内环的双闭环反馈控制方案，在电流内环反馈方面进行了不同的尝试。为了解决DVR中耦合变压器激磁涌流问题，文献[22]据此提出了闭环比例系数由瞬态向稳态衰减过渡的新型变参数双闭环控制策略。综上可知，反馈控制策略的具体方案有很多，不同的策略控制效果也各有特点。总体而言，采用反馈控制策略虽能在一定程度上消除变压器内阻和漏抗的影响，修正补偿电压的偏差。但控制系数取值的限制影响补偿效果的提高。2.1.3复合控制复合控制策略将电网侧电压前馈和负荷侧电压反馈相结合，能兼具前馈和反馈控制策略的优点，改善电压补偿效果。文献[23]提出了一种改进的控制方法，在保留参考电压的前馈通道的同时，增加一个对输出电压的反馈控制环节，如图6所示。电网电压电压比较器电压比较器PD控制器锁相环PWM信号逆变器―＋＋＋＋＋＋系统电压负载电压―图6前馈PD控制框图Fig.6DiagramofPDcontrol文献[11]在此基础上对DVR系统的动态响应速度、稳态精度以及负载适应性进行仿真。电压凹陷跟踪补偿实验表明该方法具有良好的动态、稳态性能。抑制系统电压干扰实验表明该系统能够抑制干扰并保证系统输出的稳态精度。在负载适应性实验中，将前馈PD复合控制与双环反馈控制补偿电压凹陷的效果作对比。当负载为阻感或者非线性负载时，双环反馈控制的效果明显比前馈PD复合控制方法要差，主要表现在动态响应时间加长，超调量变大，稳态精度降低。文献[24]在文献[23]的基础上就轻载和重载的情况进行了仿真实验，表明复合控制可以使DVR装置具有良好的暂态、稳态性能，动态跟踪速度快，负载适应性强。若将复合控制中的反馈控制环节设计为双闭环，与前馈控制相结合，可以显著提高系统动态响应速度，缩短补偿电压发出的时间。文献[25]在这一理论的基础上采用PSCAD/EMTDC软件进行了仿真实验并研制了一台三相DVR试验样机。文献[26]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DVR的规模和造价。2.2非线性控制一般的PI控制适用于线性系统，在局域范围内体现其控制的稳定性。由于DVR的逆变器本身就是非线性器件，因此，非线性控制方式具有更好的适应性。特别对于系统参数不稳定，模型不明确的控制对象，线性控制方法都有很大的局限性[27]。神经网络、模糊控制、无差拍控制和空间矢量控制等非线性控制方法则可以很好地弥补这些缺陷。2.2.1人工神经网络控制人工神经网络控制（ANN）是一种非线性控制方法，具有自适应和自组织能力，可以根据输入、输出学会他们之间的非线性关系，无需系统的数学模型，具有很强的抗干扰能力。按其结构可分为前馈神经网络、反馈神经网络、局部逼近神经网络和模糊神经网络。文献[27]将该方法应用在DVR控制系统中，考虑到ANN需要大量的样本进行离线训练，样本的-148-电力系统保护与控制选取和数量决定了ANN控制的效果。提出了基于空间矢量调制（SVM）的前馈人工神经网络控制，利用SVM算法产生大量的数据，实现离线训练，结合自身的学习能力来提高系统的精度。在此基础上对DVR的人工神经网络控制和传统PI控制的效果进行对比研究，发现ANN控制方法具有更广的工作区域，更好的适应性和动态特性。2.2.2模糊控制模糊控制是控制领域中一种新方法。目前，