龙军　郑宇琦

摘 要：针对微电网电压瞬变引发的电能质量下降问题，设计一种基于简化情感控制、带Z源网络的动态电压恢复器（DVR）。设计了Z源动态电压恢复器的硬件结构;分析了Z源网络扩大电压补偿范围的原理;设计了一种基于简化情感控制、带电压前馈的DVR控制系统，利用简化情感控制模型既具有PI控制结构，又能通过自学习进行参数自动修正的特点，提高了DVR的控制速度和补偿精度。为验证所提DVR方案的可行性，进行了建模仿真及实验验证，结果表明，与基于PI控制和模糊控制等方法的DVR相比，基于简化情感控制的Z源动态电压恢复器具有响应速度更快、电压补偿范围更宽、补偿精度更高的特点以及较好的稳定性。

关键词：微电网;电压瞬变;动态电压恢复器;Z源逆变器;简化情感控制

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.009

中图分类号：TM 714.2

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2020）09-0076-08

Development of dynamic voltage recovery device with Z source network

LONG Jun， ZHENG Yu-qi

（College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract：

A Z-source dynamic voltage restorer （DVR） based on simplified emotion control was designed for power quality degradation caused by microgrid voltage transients. The hardware structure of the Z-source dynamic voltage restorer was designed. The principle of expanding the voltage compensation range of Z-source network was analyzed. A DVR control system based on simplified emotion control and voltage feedforward was designed. The control speed and compensation precision of DVR were improved by using the simplified emotion control model， which has the characteristics of PI control structure and automatic correction of parameters through self-learning. In order to verify the feasibility of the proposed DVR scheme， modeling simulation and experimental verification were carried out. The results show that compared with DVR based on PI control and fuzzy control，the Z-source dynamic voltage restorer based on simplified emotion control has the characteristics of faster response speed， wider voltage compensation range， higher compensation accuracy and better stability.

Keywords：micro-grid;voltage transients; dynamic voltage restorer; Z-source inverter; simplified emotion control

0 引 言

电压暂降、骤升和闪变是微电网用户面临的严重动态电能质量问题[1-2]。目前，可采用不间断电源、有源滤波器、静止无功补偿器等来解决，而最经济高效的是动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR），它能有效治理電压瞬变，保证负载电压稳定[3-4]。

国内外学者对DVR做了大量探索，除了谐波补偿[5]、不对称电压穿越[6]、短路电流调节[7]等方面外，主要针对电压补偿范围、补偿速度和补偿精度进行研究，并取得许多成果。扩大电压补偿范围，文献主要从硬件结构着手进行研究。文献[8]设计了一种多电平级联DVR，采用低电压等级开关器件来获得较高的交流补偿电压;文献[9]将DVR与电抗器并联，电压跌落时通过降低负载功率因数来提高DVR的补偿范围;文献[10]设计了一种AC/AC结构的DVR，该DVR通过从相邻相取得前级交流电源来拓宽电压补偿范围。因AC/AC实际是由AC/DC、DC/AC两部分连接组成，各部分均需单独控制，装置的复杂性有所增加;文献[11]提出一种双DVR协同补偿运行模式，电压瞬变时先投入DVR1，若DVR1补偿能力不足再投入DVR2。该模式依赖通讯技术，补偿过程中若通讯中断，则将影响补偿效果。

DVR控制方法直接影响其响应速度和补偿精度。常见的控制方法有PI控制、PR控制[12]、模糊控制[13]等。由于常规的PI控制存在静差问题，DVR补偿精度受到限制，补偿效果亦受影响[14-15]。文献[16]提出了基于PI和比例谐振（PR）复合控制策略的DVR，抑制了补偿过程中产生的谐波电压，提高了DVR的补偿精确度;文献[17]提出了一种无电流环的DVR控制策略，提高了DVR的控制速度，但由于缺少电流环对输出进行修正，补偿误差偏大;文献[18]的单相DVR控制方法是采用历史电压数据构造虚拟的三相电压数据，然后应用dq变换以提高电压检测的速度;文献[19]采用改进的卡尔曼滤波算法检测电压波动，提高了电压跌落时DVR的响应速度;文献[20]提出了一种基于情感控制器的DVR控制系统，运行中通过学习来校正控制参数，提高补偿速度和精确度，但其控制参数偏多，不便整定。基于Z源调整输出电压的能力，文献[21]设计了一种Z源升压变换器，解决了传统Boost电路升压范围有限的问题;文献[22]提出了一种消除Z源AC/AC变流器谐波的PWM控制技术，改善了变流器输出电压的谐波特性，稳定输出电压幅值。

本文提出了一种基于简化情感控制带Z源网络的DVR装置（Z-DVR）;使用Z源网络拓宽DVR的补偿范围，利用简化情感控制模型既具有PI控制结构，又能通过自学习进行参数自动修正的特点来提高DVR的控制速度和补偿精度。最后，通过Matlab/SIMULINK建模仿真和dSPACE平台物理实验，验证了所提设计方案的有效性。

1 源DVR拓扑及工作原理

带Z源网络的单相DVR，其结构如图1所示。

DVR串联在电网中，当供电电压Us发生瞬变时，控制系统驱动逆变器VSC产生合适的电压，由低通滤波器LC滤除高次谐波，再经耦合变压器T形成补偿电压UDVR对电压瞬变进行补偿，保证负荷电压ULD稳定。

无Z源网络的DVR，其补偿电压UDVR峰值为：

U^DVR=U^C=MUDC2，0

其中M为调制比。

由于DVR的补偿范围受UDC限制，当电压变动较大时，DVR将无法输出足够的补偿电压。

接入Z源网络（图1中虚框部分）后，逆变器除具有常规逆变器的有效逆变状态及零状态外，还增加了短路直通状态，因此摆脱了常规逆变器桥臂不允许瞬时短路的限制，避免了由常规逆变器载波驱动信号的死区时间所引起的波形畸变。

由文献[23]可知，Z源网络输出端电压U^i与直流电源电压UDC的关系式为：

U^i=TT1-T0UDC=11-2D0UDC=BUDC，（2）

B=TT1-T0=11-2D0≥1。（3）

式中：D0为直通占空比;T0为一个开关周期T内短路直通状态的时间;T1=T-T0为一周期T内有效逆变状态的时间;B为直流调制比。故Z-DVR输出的补偿电压峰值为

U^DVR=U^C=MBUDC2。（4）

选取合适的逆变器调制比M与Z源调制比B，就能实现Z-DVR的升压输出，拓宽电压补偿范围。此外，由于具有较高的起始输出电压，Z-DVR的补偿速度得以提高。

2 基于简化情感模型的Z源DVR控制系统

2.1 情感控制的分析及简化

情感控制模型的结构示意如图2所示。

感官输入的信号SI=[SI1，SI2，…，SIm]通过丘脑送入感官皮质，经不同处理后分别传递给杏仁体和眶额皮质，此外，对接收的最大信号SImax，丘脑还直接传递到杏仁体。杏仁体对两类信号的处理使情感控制具有变结构特性，处理问题时可在快和稳之间做出合理协调。模型的输出为

E=A-O=∑mi=1（vi-ωi）SIi+vm+1SImax。（5）

式中：vi和ωi分别为杏仁体和眶额皮质的可调权值;杏仁体输出A=∑mi=1viSIi+vm+1SImax;眶额皮质输出O=∑mi=1ωiSIi。

模型通过实时调整权值vi和ωi来模拟学习过程。具体表达式为

式中，av和aω分别为杏仁体和眶额皮质的学习率;奖励信号REW=∑mi=1riSIi+rm+1E，其中ri为可调权值。

考虑到情感控制主要由杏仁体起调节和记忆作用，且控制器参数也主要受杏仁体权值的影响，眶额皮质用于抑制与修正杏仁体的学习过程，因而可去除模型的眶额皮质，并隐藏奖励信号。去除眶额皮质后，其输出O=0，情感控制的输出简化为

E=A=∑mi=1viSIi+vm+1SImax。（9）

而奖励信号REW亦变成SI与A的线性组合。REW-A=∑mi=1（ri+rm+1vi-vi）SIi+（rm+1-1）vm+1SImax，因此，可令：（ri+rm+1vi-vi）=0，（rm+1-1）vm+1=1，求得

使REW-A=SImax成立，达到隐藏奖励信号的目的。情感控制模型亦即简化成图2中虚框部分。

令感官输入信号SI包括控制量的偏差e及其积分：

SI=[SI1SI2]=[s1es2∫edt]。 （11）

式中s1，s2為感官输入信号的权重调节系数。

从丘脑直接传递至杏仁体的最大信号为

式中，v1，v2，v3为简化情感控制的参数，而杏仁体的权值调整表达式调整为

Δvi=avSIi·max（0，s1e，s2∫edt），i=1，2，3。（14）

由式（13）和（14）可看出，简化情感控制器既具有PI结构，又具有参数的自学习能力。当控制开始时，感官输入的比例信号远大于积分信号，模型按（v3+v1）s1e+v2s2∫edt控制，加快初始调节速度;随着时间的推移，感官输入的积分信号远大于比例信号，模型按（v3+v2）s2∫edt+v1s1e控制，提高调节的精确度。

简化情感控制模型的具体实现步骤如下：

1）参数初始化：设定感官输入信号的权重调节系数s1，s2，设定杏仁体结构内初始权值v1=v2=v3=1，设定杏仁体结构内权值学习率av。

2）将式（11）感官输入信号量SI送入丘脑。

3）根据式（14）计算模型参数的调节律Δv1～Δv3。

4）根据式（13）计算简化情感控制器的输出信号E，输入控制装置，控制其跟踪目标量运行。

5）若到达给定终止条件，则控制器停止运行;否则，返回步骤2），控制器继续运行。

2.2 Z源DVR控制系统原理分析

本文设计的基于简化情感控制（BELBIC）的单相Z源DVR控制系统如图3所示。控制系统分为3个环节：电压采样环节;Z源电压控制环节;逆变控制环节。

1）电压采样环节实时跟踪电网供电电压U·S和负载电压U·LD，一方面检测电压骤升或暂降的状态，作为Z源电压控制环节和逆变控制环节的电压调节依据;另一方面通过锁相环PLL获得U·S的相位。

2）Z源电压控制环节根据供电电压额定值U*S和电压采样环节提供的实测值US，求取ΔUS=U*S-US，将ΔUS作为该环节BELBIC的给定输入，并将Z源网络输出Ui的測量值作为BELBIC的负反馈输入，BELBIC根据ΔUi=ΔUS-Ui得到电感电流调整量ΔIL1;将ΔIL1与电感电流实测值IL1相加后与Z源电容等效阻抗1/（sC1）相乘，生成Ui电压值。

3）逆变控制环节将负载电压额定值U*LD作为该环节BELBIC的给定输入，实测值ULD作为该环节BELBIC的负反馈输入，BELBIC根据偏差量ΔULD=U*LD-ULD算得UDVR的调整量，与前馈电压（图3中虚框部分）相加后，生成串联补偿电压量U′DVR;将U′DVR除以sLf算得逆变器输出ILf，ILf与DVR输出电流IDVR做差后送入电容等效阻抗1/sCf，生成电容电压UC，UC亦即UDVR。

SPWM将Ui值与10 kHz三角波信号合成包含直流调制比B信息的高频脉冲信号，将UDVRsin（ωt）值与10 kHz三角波信号合成包含交流调制比M的高频脉冲信号;然后将两路脉冲信号做或运算，形成包含B及M信息的高频脉冲，驱动逆变桥臂的通断，控制逆变装置输出UDVR=ΔULD，使ULD=UDVR+US=U*LD。

本文采用DVR同/反相位补偿方式，当电压暂降时，ΔULD>0，SPWM根据PLL的相位信号产生同相位的载波脉冲，控制逆变器产生与U·S同相位的UDVR，两者叠加，使负荷电压恢复正常;当电压骤升时，ΔULD<0，SPWM产生反相脉冲，控制逆变器产生与US反相的UDVR，使负荷电压恢复正常。

图4为Z源DVR的工作流程图。

DVR控制装置同时检测供电侧电压US，当负载电压偏差ΔUS越限时，DVR投入运行;控制系统先根据供电侧电压偏差ΔUS确定直流调压因子B，使DVR产生满足动态补偿范围的直流侧电压Ui;再确定逆变调制因子M，控制DVR输出补偿电压UDVR;通过UDVR对US的瞬变幅度进行同相位或反相位补偿，使ULD=UDVR+US=U*LD恢复正常。当U·S逐渐改善，DVR逐渐降低自身输出的UDVR，US恢复正常后，DVR退出工作。

2.3 控制器参数优化与稳定性测试

本文借助Matlab/SIMULINK中的Signal Constraint模块优化简化情感控制器的参数。

图3中，DVR逆变控制环节硬件部分的传递函数为

G（s）=1LfCfs2+1。（15）

基于式（15）构建如图5所示的控制模型。经优化后，逆变控制环节中简化情感控制器的参数为s11=6.021 3，s12=40.473 7，av1=4.562 8。同理，使用Signal Constraint模块对Z源电压控制环节中的简化情感控制参数进行优化，得到的参数为：s21=3.592，s22=15.465，av2=5.342 3。

采用优化后的控制参数对图5所示控制模型做阶跃响应测试，结果如图6所示。

可以看出，基于简化情感控制的DVR控制系统具有稳定、快速响应的特性。

3 电路仿真

使用Matlab/SIMULINK仿真平台搭建了基于图3控制系统的Z源DVR仿真模型，对所提出的基于简化情感控制的Z源动态电压恢复器进行动态仿真验证，并与经Signal Constraint模块进行参数优化后的基于比例积分（PI）、无Z源的动态电压恢复器进行比对。微电网处于孤岛模式，DVR由SIMULINK中直流电压模块提供能量，算例中涉及参数如表1所示。

设负荷电压允许偏差为10%UN，分别设定电压瞬变幅度为额定电压的30%、75%，仿真过程为：0～0.5 s负载电压正常，0.5 s时供电电压瞬间跌落，DVR检测到电压跌落后自动投入补偿，1 s时供电电压恢复正常，DVR自动退出。电压骤升仿真过程为：1～1.5 s负载电压正常;1.5 s时供电电压瞬间骤升， DVR检测到电压骤升后自动投入补偿;2 s时供电电压恢复正常，DVR自动退出。运行过程中负载电压变化情况的仿真结果见图7、图8。

从仿真结果可以看出：

1）供电侧电压跌落30%US（跌落至154 V）时，2种动态电压恢复器均能有效地进行电压补偿。PI控制的DVR在供电电压越下限后启动，使负荷电压下降至180V时便开始回升，电压恢复至0.9ULD时所用时间为12.7 ms;基于简化情感控制模型的DVR在检测到电压跌落时启动，经过调节调压因子B，Z源网络输出端电压提升至约120 V，使U·DVR启动时的幅值增大，补偿速度加快，负载电压跌至193 V时便开始回升，电压恢复至0.9ULD时所用时间也缩短至5 ms。

2）供电侧电压跌落75%US（跌落至55 V）时，已超出PI控制无Z源DVR的补偿范围，负载电压只能恢复到165 V;而基于简化情感控制器的Z源DVR中逆变器输入端直流电压提升至178 V左右，故仍可将负荷电压恢复到220 V，电压恢复至09ULD时所用时间为11 ms。

下表所列数据为电压跌落30%时，用文献[24]中的4种控制方法以及本文方法将电压值恢复至90%额定电压所用时间。

由上表数据可知，基于简化情感控制的Z源DVR电压恢复时间能够短至5 ms。

电压骤升与电压暂降的补偿效果相似，鉴于篇幅有限未予列出。

4 实验验证

基于dSPACE实验平台搭建了如图9所示的单相DVR进行补偿效果验证，参与验证的分别有基于PI控制、无Z源网络的DVR和基于BELBIC、有Z源网路的DVR，实验参数如表3所示。

4.1 30%电压跌落实验

供电侧电压在2.65 s时跌落30%U*S，DVR检测到电压跌落后自动启动电压补偿。DVR的逆变器输入端直流电压Ui变化如图10所示。2种DVR补偿后的负载电压见图11、图12所示。

由图10～图12可以看出，在电压跌落30%U*S时，2种DVR均可以有效使负荷电压完全恢复;基于PI控制、无Z源DVR恢复时长约为0.1 s;基于简化情感控制、有Z源DVR，因Z源網络的升压作用，逆变器输入端直流电压上升至13.4 V左右，故补偿速度更快，电压完全恢复时长只需0.02 s。

4.2 75%电压跌落实验

供电侧电压在2.65 s时跌落75%U*S，DVR检测到电压跌落后自动启动电压补偿。DVR的逆变器输入端直流电压变化如图13所示。两种DVR补偿后的负载电压见图14～图15。

由图13～图15可以看出，在电压跌落75%U*S时，已超出PI控制、无Z源DVR的补偿范围，负荷电压无法完全恢复;基于简化情感控制、带Z源DVR的逆变器输入端直流电压升至17.2 V左右，因此仍然能使负荷电压完全恢复，且用时只需005 s。

5 结 论

针对微电网电压瞬变的问题，提出了一种基于简化情感控制的Z源动态电压恢复器。通过原理分析、稳定性测试、Matlab/SIMULINK软件建模仿真以及dSAPCE平台实验可得以下结论：

1）Z源网络能够提高DVR中逆变器的输入电压，进而拓宽DVR的动态补偿范围，并能加快补偿的初始速度;

2）简化情感控制模型具有PI变结构的特性，能够通过自学习调整权值，从而提高DVR的补偿速度和精确度;

3）对简化情感控制参数进行了优化选择，并经阶跃响应测试，证明控制系统具有快速、稳定的特性;

4）与经参数优化后的PI控制、模糊控制、位置式PI控制、增量式PI控制的DVR进行比较，基于简化情感控制的Z源DVR，其电压恢复速度更快。

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（编辑：刘素菊）

收稿日期： 2019-04-16

基金項目：国家自然科学基金（51567002）

作者简介：龙 军（1956—），男，教授，硕士生导师，研究方向为电力系统检测与控制、分布式发电与微电网技术;

郑宇琦（1993—），男，硕士研究生，研究方向为微电网控制。

通信作者：龙 军