基于单相电压暂降故障模拟器的研究

官正强，王 甜，任鹏飞，陈永强

（重庆科技学院 电气工程学院，重庆 401331）

0 引言

随着电力电子技术尤其是信息化技术的迅猛发展及敏感性用电设备（如PLC、微处理器）的大范围使用，其对供电质量的要求比一般传统的机电设备更加苛刻。其中，电压暂降对设备正常、安全运行的影响更为明显，它可以对计算机、复杂电子设备、精密仪器、可编程控制器、变频调速电机等许多用电设备造成不利影响[1]。虽然现在已研发出一系列治理电压暂降的设备（如不间断电源UPS、动态电压调节器AVC、动态电压恢复器DVR、电压暂降修正器DYSC）[2]。目前欧美各国和日本对电压暂降（包括短时断电）的研究比较领先，在国际性电工会议和专业期刊上，这方面的研究成果层见叠出，主要包括：电网中电压暂降的检测和统计分析；暂降的危害；暂降过程的仿真计算；暂降域的研究；不平衡暂降的特性；暂降在不同电压等级之间的传播；暂降对配电系统可靠性的影响；减小暂降的技术措施以及暂降的标准等[3]。

图1 单相电压故障模拟器的硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of single-phase voltage fault simulator

本文是根据单相电压暂降模拟器的开发设计，提出了一种自耦变压器和两个双向电子开关组成模块产生电压暂降的方法，能够实现电压暂降的快速性、总谐波低、带载能力强的要求，全面真实地模拟电网系统中各种单相电压暂降事故特征量。

1 电压暂降模拟器的实现方案

基于阻抗形式的实现方案有两种，一种是串联阻抗的实现方案，通过控制接入电阻的分压原理大小来实现电压暂降；另外一种是并联形式的实现方案，通过调整可变电阻的大小控制电压的大小。电阻形式的电压暂降实现方案，其优点在于构造简单、经济实惠、控制方便；其缺点在于对开关频率、可变电阻的精度的要求都比较高，电压暂降时分压电阻会损耗大量的能量，所以这种方案的带载能量较弱。

基于变压器形式的实现方案也是两种，用串联变压器或者并联变压器的方式来实现电压下降，电压下降的幅值和时间是可调节的。其优点在于结构简单、控制方便；其缺点在于对开关频率、变压器的精度的要求比较高，变压器的出现导致电压暂降模拟器的体积增大。

基于电力电子变换形式的实现方案，主要是脉冲宽度调制的变流器形式和矩阵式变换器，脉冲宽度调制变流器中的电力电子开关快速关断会在电路中产生谐波，对设备产生不良影响；而矩阵式变换器由于双向电力电子开关的数量较多，其控制难度较大，再加上其每个开关的控制都需要独立的供电电源等问题，其实际使用会受到限制，同时该结构可以实现电压幅值、频率、相角及功率因数可以灵活随意可调（功率因数可达0.99以上）。其缺点在于电路复杂，需要同时对9个双向开关进行控制且要保证电源端不短路和负载端不断路，而且每个双向开关都要提供独立的电源，其驱动与保护电路也相对比较复杂，如果稍有控制不当，将引发短路而损坏双向开关及负载。

图2 电压暂降工作原理图Fig.2 Schematic diagram of voltage transient drop

2 单相电压故障模拟器的硬件结构及工作原理

基于自耦变压器进行变幅、双向电子开关进行换流的电压暂降实现方案。此方案由于对开关的快速性要求较高，所以选用了双向电子开关，仿真及实践证明，满足要求。该方案由主电路、驱动电路、控制电路、保护电路等4个部分组成，主电路由自耦变压器及两个双向电子开关组成，主要负责产生电压暂降；驱动电路是基于M56972L驱动芯片的IGBT驱动，主要负责驱动双向电子开关中的IGBT，让IGBT能够可靠的通断；控制电路是基于MiniSTM32单片机的控制系统，它通过TFTLCD对电压暂降的工作状态进行显示，并通过按键进行设置，最后利用4步换流策略控制双向电子开关。

2.1 主电路的工作原理

基于自耦变压器的电压暂降模拟器工作原理图如图2所示。通过滑动自耦变压器的b点并控制开关S1、S2就能产生暂降电压及中断电压。电压暂降的深度由自耦变压器进行调节，暂降的持续时间通过两个开关的通断进行控制。

具体的，Ui为输入端（220V交流电），开关S2处于断开的同时S1闭合时，输出电压Uo为正常电压；而开关S2闭合的同时S1处于断开状态时，此时输出电压Uo为暂降电压，此状态保持的时间为暂降的持续时间，b点的位置决定了电压暂降的深度，当b点在a点与c点之间时，Uo只产生电压暂降；而当b点滑到c点时，会产生中断事件。

2.2 双向电力电子开关的换流策略

图3 实验波形显示Fig.3 Experimental waveform display

在电压暂降模拟器中用到了两个能量能双向流动的双向电子开关，但市场中未见直接实现以上功能的电力电子开关。基于此，必须采用分立元件的搭建来构成此开关结构。目前研究比较成熟的有4种结构，分别为二极管桥式结构、共射极式结构、共集极式结构、RB-IGBT反并联式结构。分析4种结构之后逆阻式IGBT反并联结构，市场上没有逆阻式IGBT反并联结构，最终选择了普通IGBT共射极式结构的双向电子开关（必须有两个独立电源为整个电压暂降模拟器的驱动板供电），并且针对这种结构设置了电子开关的工作原则。

基于双向电子开关的电压暂降模拟器一般带感性负载，且自耦变压器的输出两端相当于两个电压源，根据电压源与电流源的特性，电压暂降模拟器的双向电子开关在工作过程中必须遵循两个基本原则：

1）不能出现两个双向开关同时关闭，导致输入侧短路，从而造成电压源短路产生过电流而烧毁开关器件。

2）不能出现两个双向开关同时打开，导致输出侧断路，从而造成感性负载突然断路而产生过电压击穿开关器件[4]。

3 实验结果

根据设计分析搭建了试验电路，利用示波器对模拟输出端实测之后得到图形。分别测试了模拟器在不同暂降幅值和不同暂降时间的工作情况。图3显示出了实验波形。图3中，图a）显示电压暂降到100V，时间持续100ms的情况；图b）显示暂降到0V的实测波形，时间持续100ms的情况；图c）显示暂降到100V，时间持续10ms的情况；图d）显示电压暂降到0V持续10ms的情况。

a）暂降到100V的实测波形（持续时间100ms）；b）暂降到0V的实测波形（持续时间100ms）；c）暂降到100V的实测波形（持续时间 10ms）；d）暂降到0V的实测波形（持续时间10ms）。

4 结论

采用基于双向电子开关的电压暂降模拟器设计方案，提出了一种自耦变压器和双向电力电子开关配合工作的电压暂降模拟器，对电压暂降模拟器进行了设计、仿真、实物制作。该装置结构简单，控制方便，成本低，可以模拟产生多种电压暂降的波形。通过搭建电路实测，结果验证了方案的可行性和有效性。该方案的不足之处在于电压暂降产生的幅值和持续时间精度不高，极短时间的电压闪降指标实现不够立项，带载能力不强，后续还需要进一步研究和优化。