直流污秽试验系统试验电源控制策略的研究

王黎明 袁法培 陈 坚 傅正财

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200030；2.杭州市电力局，杭州 310009）

1 引言

超高压直流输电由于具有稳定性高，调节迅速灵活等一系列优点，在国内外得到广泛应用[1]。人工直流污秽试验可在短期内获得污秽地区直流输电外绝缘设计所需的数据，对线路的设计和安全运行起着至关重要的作用[2-3]。在进行人工直流污秽试验时，试验电源的输出电压自始至终要保持不变。但是，染污绝缘子的泄漏电流具有持续时间长、波动和幅值大等特点，泄漏电流势必造成电源输出电压的大幅度波动，考验控制系统的跟随性和抗扰性。特别是由于绝缘子表面放电熄灭引起负荷释放造成的相对电压过冲，若控制不迅速，则可能造成闪络，影响试验结果。

目前，国内外对以晶闸管为主要调压器件的直流污秽试验电源的研究已取得一些成果。文献[4]提出采用晶闸管反馈控制对减小直流电源的动态压降有明显效果，并设计了试验电源，但受当时技术的局限，控制系统采用纯硬件构成，与现在广泛应用的数字化控制系统相比，不便于操作和维护。文献[5]设计了一套基于晶闸管的污秽试验电源并进行了开环仿真研究。但与闭环控制相比较，开环控制不能自动修正被控量的偏离，抗扰动性能较差。已见文献中也没有对试验电源的控制策略进行详细讨论。

本文基于仿真分析，提出了直流污秽试验电源的控制策略，并将仿真与模拟试验相结合，引入高速单片机对晶闸管进行反馈控制，对所提策略的控制效果进行了验证。

2 试验电源的基本结构及性能要求

图1为人工直流污秽试验系统基本回路示意图，试验所用直流电源由交流电源经整流、升压、倍压和滤波后获得。图1中AC为输入电源，K为断路器，T1为调压器，KP1、KP2为单相晶闸管，T2为升压变压器，C1为倍压电容，C2为滤波电容，D1、D2为硅堆，R0、Ra为保护电阻，R、r分别为电阻分压器的高压臂与低压臂[6]。

图1 人工直流污秽试验系统基本回路示意图

根据人工直流污秽试验的相关标准，即IEC标准[7]和GB/T 22707-2008[8]的要求：前者要求在持续时间为500ms、峰值500mA、频率1Hz的电流脉冲负载下，直流电源的相对电压降和纹波因数均＜5%；后者要求在100mA阻性电流负载时电源的纹波因数＜3%，电源的相对电压降和相对电压过冲不应超过10%。标准中的相对电压降指的是试验中电压的跌落值与试验额定电压之比；而相对电压过冲则指试验中超过试验额定电压的那部分与试验额定电压之比。

标准中衡量电源输出性能参数的主要为3个指标，即纹波因数、相对电压降和相对电压过冲。IEC标准给出了检测电源性能的具体方法，即用持续时间为500ms、峰值500mA、频率1Hz的电流脉冲负载去验证电源的性能。由倍压电路的纹波因数公式[9]

式中，Id为流过负载的平均电流，A；Ud为负载两端平均电压，V；C为滤波电容，F；f为电源频率，Hz。

当回路参数及输出电压不变时，由公式（1）可知，输出电压的纹波因数S与负载电流Id成正比。如果负载电流为500m A时纹波因数＜3%，那么负载电流为100mA时纹波因数也一定＜3%。由此结论，后文将通过电流持续时间为500ms、峰值为500m A、频率为1Hz的模拟负载去验证电源的输出性能。

3 仿真模型及试验电源的控制策略

3.1 仿真模型的建立

为研究试验电源的控制策略，在M atlab 7.0的Simulink环境下搭建仿真模型，回路结构与图1相似，由此基本回路搭建的仿真模型见图2。图中R3为晶闸管阻容保护元件；R1、R2为模拟负载电阻；Pulse为脉冲发生器[10]，产生占空比为50%、频率为1Hz的方波；Sw itch为受控开关，与脉冲发生器共同控制负载电阻；Control system为控制系统，编程后实现控制策略；其他元件的含义同图1。R1、R2、Pulse和Sw itch模块组成模拟负载以验证电源的输出性能。

图2 仿真模型图

3.2 试验电源的控制策略

调节交流电源对电容的充电电压可以有效保持电源装置输出电压的稳定性，而调节晶闸管触发角就调节了电源对电容的充电电压[5]。基于以上结论，控制系统将根据采样所得的反馈电压Uf与整定电压Ug之间的差值Uz，控制晶闸管的触发角及导通状态。此触发角是指从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度[11]。

为了探索晶闸管触发角每次提前或延迟的角度与电源输出性能的关系，进行了仿真试验。仿真模型如图2，在其他参数不变的情况下，只改变触发角α每次提前或延迟的角度δ，仿真结果如图3所示。

图3 触发角对电源输出性能的影响

仿真表明，随着δ的增大，电源的相对电压过冲也增大，但当δ＞7°时，增大的趋势减缓；然而随着δ的增大，纹波因数和相对电压降则随着减小，并在δ＞5°后减小的趋势减缓。由于相对电压过冲在δ＞5°时高于2%，综合考虑三个参数和国标的要求，晶闸管每次提前或延迟的度数在5°较为适宜。

根据文献[3]的结论，当晶闸管的触发角α在93°～109°的小范围调节时，调节的效果最为有效。图4为触发角α在90°～110°时，触发角提前或推迟5°所带来的输出电压的变化值与原输出电压的百分比。

图4 触发角每次移动5°时电压变化的百分数

在此范围内，电压最多变化3.5%，即当相对电压降或相对电压过冲高于3.5%时，通过触发角的一次提前或推迟不能完全使输出电压调整到位。考虑到多次调整耗时过多，影响电源的输出性能，控制过程中，若遇到此种情况，应将晶闸管的触发角将直接调整到0°或180°，即晶闸管将全导通或全截止。

基于以上分析，对控制系统提出流程图如图5所示的如下控制策略。

（1）Uz＞0，电源实际输出电压低于整定电压，即出现相对电压降，若电压降高于3.5%，则晶闸管全部导通，否则晶闸管的触发角提前5°。

图5 控制策略流程图

（2）Uz＜0，电源实际输出电压高于整定电压，即出现相对电压过冲，若电压过冲高于3.5%，则晶闸管不触发，否则晶闸管的触发角延迟5°。

4 仿真研究

4.1 仿真及仿真参数的选取

受试验条件所限，无法直接在10kV高压回路中对所提策略进行试验验证，所以采用仿真与低压模拟试验相结合的方法进行验证。仿真及低压模拟试验参数如表1所示，表1中的实际高压系统参数按实际高压试验系统的要求设置。

表1 实际高压系统及模拟低压系统参数

低压系统参数由高压系统参数折算得到，低压系统参数中输入电压及相关电阻的选取为高压系统的千分之一，以保持由高压系统转为低压系统后流过负载的平均电流Id不变；高压系统中采用10kV电源和1：10的升压变压器来获得100kV的电源，而高压系统中10kV的电源折算到低压系统后应为10V，考虑输入电源的稳定性，低压系统中舍去1:10的升压变压器，直接用100V的交流电源作为输入电源。

低压系统中输入倍压电路的电压是高压系统的千分之一，在回路结构不变的前提下，高压系统的负载两端平均电压Udh为低压系统负载两端平均电压Udl的1000倍。由公式（1）可知，当Id及f不变时，C与Ud成反比。因此，为保持高压系统折算到低压系统后的纹波因数S不变，则低压系统的滤波电容Cl为高压系统Ch的1000倍，即高压系统为2μF时，低压系统为2000μF。

4.2 仿真与分析

为了验证所提出的控制策略，进行了三项仿真，分别为对10kV电源输入且含匝数比为1:10的升压变压器的实际高压系统仿真、100kV电源输入且不含升压变压器的实际高压系统的仿真以及模拟试验用的低压系统的仿真。仿真中负载电流如图6（a）所示，图6（b）～（d）分别为含升压变压器的实际高压系统、不含升压变压器的实际高压系统和模拟的低压系统的输出电压波形。

输出电压的具体参数见表2。对比仿真参数与标准，仿真所得电源的输出参数满足相关标准对相对电压降、相对电压过冲及纹波因数的要求。

表2 仿真结果汇总

5 模拟试验验证

为了进一步验证控制策略，在实验室搭建低压模拟污秽试验系统，系统回路如图1，参数见表1，与低压系统仿真参数相同。调压控制系统采用ATMEL公司的atmega128芯片，该芯片自带10位高速A/D模块，经电阻分压器采样电源实际输出电压，采样速度最快可达13μs[12]，可针对反馈电压，利用晶闸管调整交流侧每半个周波的输入，保持电源输出的稳定。模拟低压系统中分压器的分压比为61:1。模拟负载由PLC和交流接触器控制。晶闸管的触发部分采用光纤与控制系统隔离，以保障控制系统的安全和减少系统的干扰。

图6 仿真结果

试验的控制目标为250V，在本文所提出的控制策略的控制下，电源输出电压如图7所示。

图7 低压模拟试验结果

在输出直流500m A，持续0.5s时间的阻性负载电流下，相对电压降为1.8%，纹波因数为1.99%，相对电压过冲为2.8%。

6 仿真及试验结果分析

通过仿真及低压模拟试验结果，可以得出如下结论：

（1）对比图6（b）与图6（c），在倍压电路输入电压不变的情况下，系统输入电压与升压变压器的变化不会对电源的输出电压产生大的影响。

（2）对比图6（c）与图6（d），实际高压系统的仿真结果与模拟低压系统的仿真结果基本相同，因此通过4.1节所述的方法，经高压系统参数折算出的模拟低压系统参数可靠，低压系统同样可以验证所提出的控制策略。

（3）对比图6（d）与图7，相同回路的仿真及模拟试验结果相吻合，仿真所得结果是可靠的。

7 结论

根据仿真及低压模拟试验研究，研究了直流高压污秽试验系统中晶闸管的控制角变化对系统的输出性能的影响，找出且量化了相对最优的控制角变化大小，并提出了控制策略。搭建了以单片机为控制机构的快速调压控制系统对晶闸管进行闭环控制。本系统具有实现成本低、性能稳定等优点，由该快速调压控制系统控制的直流高压污秽试验电源在IEC推荐的负载电流下，输出电压的相对电压降小于2%、纹波因数小于3%、相对电压过冲小于3%，远高于IEC及国家标准中对试验电源的要求。

[1] 顾乐观,孙才新.电力系统的污秽绝缘[M].重庆:重庆大学出版社,1990:67-68.

[2] 日本电气学会通信教育会.绝缘子[M].勒宝丰,魏光大,方云桥,译.北京:机械工业出版社,1990:172-175.

[3] Linjie Zhao,Chengrong Li,Jun Xiong,et al.An Artificial Pollution Test on Silicone Rubber Insulators under Long-time Wetted Conditions [J].2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,2007:320-323.

[4] 张建辉,顾乐观,孙才新.晶闸管控制直流污秽试验电源的探讨[J].高电压技术,1985,(4):35-39.

[5] 许中荣,唐炬,蒋兴良,等.600kV直流污秽试验电源设计与仿真[J].高电压技术,2003,29(9):10-11.

[6] G Zingales,A Zingales.HVDC Generators for wet and pollution tests[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1985,104(11):3202-3208.

[7] IEC/TR261245-1993.A rtificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on d.c. systems [S].

[8] GB/T 22707-2008.直流系统用高压绝缘子的人工污秽试验[S].

[9] 张仁豫,陈昌渔,王昌长.高电压试验技术（第二版）[M].北京:清华大学出版社,1990:71.

[10] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的matlab仿真[M].北京:机械工业出版社,2006:62.

[11] 王兆安,黄俊.电力电子技术（第四版）[M].北京:机械工业出版社,2005:44.

[12] Atmel.8位AVR微处理器A tmega128, Rev.2467LAVR-05/04[R]. Beijing:Atmel,2005.