基于單相電壓暫降故障模擬器的研究

官正強，王 甜，任鵬飛，陳永強

（重慶科技學院 電氣工程學院，重慶 401331）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)尤其是信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展及敏感性用電設(shè)備（如PLC、微處理器）的大范圍使用，其對供電質(zhì)量的要求比一般傳統(tǒng)的機電設(shè)備更加苛刻。其中，電壓暫降對設(shè)備正常、安全運行的影響更為明顯，它可以對計算機、復雜電子設(shè)備、精密儀器、可編程控制器、變頻調(diào)速電機等許多用電設(shè)備造成不利影響[1]。雖然現(xiàn)在已研發(fā)出一系列治理電壓暫降的設(shè)備（如不間斷電源UPS、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器AVC、動態(tài)電壓恢復器DVR、電壓暫降修正器DYSC）[2]。目前歐美各國和日本對電壓暫降（包括短時斷電）的研究比較領(lǐng)先，在國際性電工會議和專業(yè)期刊上，這方面的研究成果層見疊出，主要包括：電網(wǎng)中電壓暫降的檢測和統(tǒng)計分析；暫降的危害；暫降過程的仿真計算；暫降域的研究；不平衡暫降的特性；暫降在不同電壓等級之間的傳播；暫降對配電系統(tǒng)可靠性的影響；減小暫降的技術(shù)措施以及暫降的標準等[3]。

圖1 單相電壓故障模擬器的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of single-phase voltage fault simulator

本文是根據(jù)單相電壓暫降模擬器的開發(fā)設(shè)計，提出了一種自耦變壓器和兩個雙向電子開關(guān)組成模塊產(chǎn)生電壓暫降的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓暫降的快速性、總諧波低、帶載能力強的要求，全面真實地模擬電網(wǎng)系統(tǒng)中各種單相電壓暫降事故特征量。

1 電壓暫降模擬器的實現(xiàn)方案

基于阻抗形式的實現(xiàn)方案有兩種，一種是串聯(lián)阻抗的實現(xiàn)方案，通過控制接入電阻的分壓原理大小來實現(xiàn)電壓暫降；另外一種是并聯(lián)形式的實現(xiàn)方案，通過調(diào)整可變電阻的大小控制電壓的大小。電阻形式的電壓暫降實現(xiàn)方案，其優(yōu)點在于構(gòu)造簡單、經(jīng)濟實惠、控制方便；其缺點在于對開關(guān)頻率、可變電阻的精度的要求都比較高，電壓暫降時分壓電阻會損耗大量的能量，所以這種方案的帶載能量較弱。

基于變壓器形式的實現(xiàn)方案也是兩種，用串聯(lián)變壓器或者并聯(lián)變壓器的方式來實現(xiàn)電壓下降，電壓下降的幅值和時間是可調(diào)節(jié)的。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、控制方便；其缺點在于對開關(guān)頻率、變壓器的精度的要求比較高，變壓器的出現(xiàn)導致電壓暫降模擬器的體積增大。

基于電力電子變換形式的實現(xiàn)方案，主要是脈沖寬度調(diào)制的變流器形式和矩陣式變換器，脈沖寬度調(diào)制變流器中的電力電子開關(guān)快速關(guān)斷會在電路中產(chǎn)生諧波，對設(shè)備產(chǎn)生不良影響；而矩陣式變換器由于雙向電力電子開關(guān)的數(shù)量較多，其控制難度較大，再加上其每個開關(guān)的控制都需要獨立的供電電源等問題，其實際使用會受到限制，同時該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)電壓幅值、頻率、相角及功率因數(shù)可以靈活隨意可調(diào)（功率因數(shù)可達0.99以上）。其缺點在于電路復雜，需要同時對9個雙向開關(guān)進行控制且要保證電源端不短路和負載端不斷路，而且每個雙向開關(guān)都要提供獨立的電源，其驅(qū)動與保護電路也相對比較復雜，如果稍有控制不當，將引發(fā)短路而損壞雙向開關(guān)及負載。

圖2 電壓暫降工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of voltage transient drop

2 單相電壓故障模擬器的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

基于自耦變壓器進行變幅、雙向電子開關(guān)進行換流的電壓暫降實現(xiàn)方案。此方案由于對開關(guān)的快速性要求較高，所以選用了雙向電子開關(guān)，仿真及實踐證明，滿足要求。該方案由主電路、驅(qū)動電路、控制電路、保護電路等4個部分組成，主電路由自耦變壓器及兩個雙向電子開關(guān)組成，主要負責產(chǎn)生電壓暫降；驅(qū)動電路是基于M56972L驅(qū)動芯片的IGBT驅(qū)動，主要負責驅(qū)動雙向電子開關(guān)中的IGBT，讓IGBT能夠可靠的通斷；控制電路是基于MiniSTM32單片機的控制系統(tǒng)，它通過TFTLCD對電壓暫降的工作狀態(tài)進行顯示，并通過按鍵進行設(shè)置，最后利用4步換流策略控制雙向電子開關(guān)。

2.1 主電路的工作原理

基于自耦變壓器的電壓暫降模擬器工作原理圖如圖2所示。通過滑動自耦變壓器的b點并控制開關(guān)S1、S2就能產(chǎn)生暫降電壓及中斷電壓。電壓暫降的深度由自耦變壓器進行調(diào)節(jié)，暫降的持續(xù)時間通過兩個開關(guān)的通斷進行控制。

具體的，Ui為輸入端（220V交流電），開關(guān)S2處于斷開的同時S1閉合時，輸出電壓Uo為正常電壓；而開關(guān)S2閉合的同時S1處于斷開狀態(tài)時，此時輸出電壓Uo為暫降電壓，此狀態(tài)保持的時間為暫降的持續(xù)時間，b點的位置決定了電壓暫降的深度，當b點在a點與c點之間時，Uo只產(chǎn)生電壓暫降；而當b點滑到c點時，會產(chǎn)生中斷事件。

2.2 雙向電力電子開關(guān)的換流策略

圖3 實驗波形顯示Fig.3 Experimental waveform display

在電壓暫降模擬器中用到了兩個能量能雙向流動的雙向電子開關(guān)，但市場中未見直接實現(xiàn)以上功能的電力電子開關(guān)?；诖?，必須采用分立元件的搭建來構(gòu)成此開關(guān)結(jié)構(gòu)。目前研究比較成熟的有4種結(jié)構(gòu)，分別為二極管橋式結(jié)構(gòu)、共射極式結(jié)構(gòu)、共集極式結(jié)構(gòu)、RB-IGBT反并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。分析4種結(jié)構(gòu)之后逆阻式IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，市場上沒有逆阻式IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終選擇了普通IGBT共射極式結(jié)構(gòu)的雙向電子開關(guān)（必須有兩個獨立電源為整個電壓暫降模擬器的驅(qū)動板供電），并且針對這種結(jié)構(gòu)設(shè)置了電子開關(guān)的工作原則。

基于雙向電子開關(guān)的電壓暫降模擬器一般帶感性負載，且自耦變壓器的輸出兩端相當于兩個電壓源，根據(jù)電壓源與電流源的特性，電壓暫降模擬器的雙向電子開關(guān)在工作過程中必須遵循兩個基本原則：

1）不能出現(xiàn)兩個雙向開關(guān)同時關(guān)閉，導致輸入側(cè)短路，從而造成電壓源短路產(chǎn)生過電流而燒毀開關(guān)器件。

2）不能出現(xiàn)兩個雙向開關(guān)同時打開，導致輸出側(cè)斷路，從而造成感性負載突然斷路而產(chǎn)生過電壓擊穿開關(guān)器件[4]。

3 實驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計分析搭建了試驗電路，利用示波器對模擬輸出端實測之后得到圖形。分別測試了模擬器在不同暫降幅值和不同暫降時間的工作情況。圖3顯示出了實驗波形。圖3中，圖a）顯示電壓暫降到100V，時間持續(xù)100ms的情況；圖b）顯示暫降到0V的實測波形，時間持續(xù)100ms的情況；圖c）顯示暫降到100V，時間持續(xù)10ms的情況；圖d）顯示電壓暫降到0V持續(xù)10ms的情況。

a）暫降到100V的實測波形（持續(xù)時間100ms）；b）暫降到0V的實測波形（持續(xù)時間100ms）；c）暫降到100V的實測波形（持續(xù)時間 10ms）；d）暫降到0V的實測波形（持續(xù)時間10ms）。

4 結(jié)論

采用基于雙向電子開關(guān)的電壓暫降模擬器設(shè)計方案，提出了一種自耦變壓器和雙向電力電子開關(guān)配合工作的電壓暫降模擬器，對電壓暫降模擬器進行了設(shè)計、仿真、實物制作。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本低，可以模擬產(chǎn)生多種電壓暫降的波形。通過搭建電路實測，結(jié)果驗證了方案的可行性和有效性。該方案的不足之處在于電壓暫降產(chǎn)生的幅值和持續(xù)時間精度不高，極短時間的電壓閃降指標實現(xiàn)不夠立項，帶載能力不強，后續(xù)還需要進一步研究和優(yōu)化。