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

隨著電力電子技術尤其是信息化技術的迅猛發展及敏感性用電設備（如PLC、微處理器）的大范圍使用，其對供電質量的要求比一般傳統的機電設備更加苛刻。其中，電壓暫降對設備正常、安全運行的影響更為明顯，它可以對計算機、復雜電子設備、精密儀器、可編程控制器、變頻調速電機等許多用電設備造成不利影響[1]。雖然現在已研發出一系列治理電壓暫降的設備（如不間斷電源UPS、動態電壓調節器AVC、動態電壓恢復器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）的研究比較領先，在國際性電工會議和專業期刊上，這方面的研究成果層見疊出，主要包括：電網中電壓暫降的檢測和統計分析；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；暫降對配電系統可靠性的影響；減小暫降的技術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構圖Fig.1 Hardware structure diagram of single-phase voltage fault simulator

本文是根據單相電壓暫降模擬器的開發設計，提出了一種自耦變壓器和兩個雙向電子開關組成模塊產生電壓暫降的方法，能夠實現電壓暫降的快速性、總諧波低、帶載能力強的要求，全面真實地模擬電網系統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方案

基于阻抗形式的實現方案有兩種，一種是串聯阻抗的實現方案，通過控制接入電阻的分壓原理大小來實現電壓暫降；另外一種是并聯形式的實現方案，通過調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方案，其優點在于構造簡單、經濟實惠、控制方便；其缺點在于對開關頻率、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方案也是兩種，用串聯變壓器或者并聯變壓器的方式來實現電壓下降，電壓下降的幅值和時間是可調節的。其優點在于結構簡單、控制方便；其缺點在于對開關頻率、變壓器的精度的要求比較高，變壓器的出現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方案，主要是脈沖寬度調制的變流器形式和矩陣式變換器，脈沖寬度調制變流器中的電力電子開關快速關斷會在電路中產生諧波，對設備產生不良影響；而矩陣式變換器由于雙向電力電子開關的數量較多，其控制難度較大，再加上其每個開關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，同時該結構可以實現電壓幅值、頻率、相角及功率因數可以靈活隨意可調（功率因數可達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，而且每個雙向開關都要提供獨立的電源，其驅動與保護電路也相對比較復雜，如果稍有控制不當，將引發短路而損壞雙向開關及負載。

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構及工作原理

基于自耦變壓器進行變幅、雙向電子開關進行換流的電壓暫降實現方案。此方案由于對開關的快速性要求較高，所以選用了雙向電子開關，仿真及實踐證明，滿足要求。該方案由主電路、驅動電路、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組成，主要負責產生電壓暫降；驅動電路是基于M56972L驅動芯片的IGBT驅動，主要負責驅動雙向電子開關中的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，它通過TFTLCD對電壓暫降的工作狀態進行顯示，并通過按鍵進行設置，最后利用4步換流策略控制雙向電子開關。

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S1、S2就能產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節，暫降的持續時間通過兩個開關的通斷進行控制。

具體的，Ui為輸入端（220V交流電），開關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S2閉合的同時S1處于斷開狀態時，此時輸出電壓Uo為暫降電壓，此狀態保持的時間為暫降的持續時間，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只產生電壓暫降；而當b點滑到c點時，會產生中斷事件。

2.2 雙向電力電子開關的換流策略

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，但市場中未見直接實現以上功能的電力電子開關。基于此，必須采用分立元件的搭建來構成此開關結構。目前研究比較成熟的有4種結構，分別為二極管橋式結構、共射極式結構、共集極式結構、RB-IGBT反并聯式結構。分析4種結構之后逆阻式IGBT反并聯結構，市場上沒有逆阻式IGBT反并聯結構，最終選擇了普通IGBT共射極式結構的雙向電子開關（必須有兩個獨立電源為整個電壓暫降模擬器的驅動板供電），并且針對這種結構設置了電子開關的工作原則。

基于雙向電子開關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，根據電壓源與電流源的特性，電壓暫降模擬器的雙向電子開關在工作過程中必須遵循兩個基本原則：

1）不能出現兩個雙向開關同時關閉，導致輸入側短路，從而造成電壓源短路產生過電流而燒毀開關器件。

2）不能出現兩個雙向開關同時打開，導致輸出側斷路，從而造成感性負載突然斷路而產生過電壓擊穿開關器件[4]。

3 實驗結果

根據設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100ms的情況；圖b）顯示暫降到0V的實測波形，時間持續100ms的情況；圖c）顯示暫降到100V，時間持續10ms的情況；圖d）顯示電壓暫降到0V持續10ms的情況。

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

4 結論

采用基于雙向電子開關的電壓暫降模擬器設計方案，提出了一種自耦變壓器和雙向電力電子開關配合工作的電壓暫降模擬器，對電壓暫降模擬器進行了設計、仿真、實物制作。該裝置結構簡單，控制方便，成本低，可以模擬產生多種電壓暫降的波形。通過搭建電路實測，結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生的幅值和持續時間精度不高，極短時間的電壓閃降指標實現不夠立項，帶載能力不強，后續還需要進一步研究和優化。