基于自耦调压器的电压暂降发生器研究

第４５卷第３期　２０１１年３月　电力电子技术　

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．３　Ｍａｒｃｈ　２０１１　

基于自耦调压器的电压暂降发生器研究　张　威，郑常宝，王　萍，周嗣理　（安徽大学，电子科学与技术学院，安徽合肥　２３００３９）　

摘要：为检验用户电力设备的性能，或者测试电气设备在受到电压暂降干扰时的工作情况，需要一种电压暂降　发生器来模拟电网产生电压暂降。在此提出了了一种由自耦调压器和全控型交流电子开关构成的电压暂降发　生器解决方案。该方案用ＤＳＰ作控制器，采用四步换流策略实现对全控型交流电子开关的换流控制，并为全控　型交流电子开关设计了新型的驱动与保护电路。实验证明，该系统具有快速性与有效性。　关键词：发生器；电压暂降；全控型交流电子开关　中图分类号：ＴＭ７６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２０１１）０３－００８８—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓａｇ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｕｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＺＨＥＮＧ　Ｃｈａｎｇ—ｂａｏ，ＷＡＮＧ　Ｐｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｓｉ—ｌｉ　（Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｒ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐ—　ｍｅｎｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｇｒｉｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａｕｔｏｔｒａｎｓ—　ｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｆｕｌｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＤＳＰ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｆｏｕｒ—ｓｔｅｐ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　ｆｕｌｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ａｎｄ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃ—　ｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ；ｆｕｌｌ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｗｉｔｃｈ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｒｏｍ　Ｅｄｕｃｔｉｏｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．　ＫＪ２００９Ａ１４４）；Ｔｈｅ　Ｅｘｃｅｌａｎｔ　Ｙｏｕｎｇ　Ｆｕｎｄ　Ｆｒｏｍ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２００９ＳＱＲＺ０９８）　

１　引　言　２０世纪８Ｏ年代以来，电压暂降已成为电能　，质量中最为突出的问题之一，也是造成生产损失　最主要的因素ｔ　１。ＩＥＥＥ将工频条件下电压下降到　额定值９０％　１０％的现象定义为电压暂降，将电压　暂降发生时电压的均方根值与额定电压均方根值　的比值定义为暂降幅值，将暂降从发生到结束之　间的时间定义为持续时间［２１　造成电压暂降的因　素有很多．如电力系统故障、负载的非线性、大型　电机的启停、雷击等。因此有必要对电压暂降进行　深入的研究　目前电压暂降发生器（ＶＳＧ）［３１有基于放大器、　基于开关阻抗、基于逆变器和基于调压器４种类　型。基于放大器的ＶＳＧ主要由工作在线性放大区　

基金项目：安徽省教育厅重点科研项目（ＫＪ『２００９Ａ１４４）；安　徽省高等学校省级优秀青年基金项目（２００９ＳＱＲＺ０９８）　定稿日期：２０１０—０９—２８　作者简介：张　威（１９８４一），男，安徽宿州人，硕士研究生，　研究方向为电力电子技术。　８８　

的功率器件来实现，具有波形较丰富，动态特性　好的特点，但存在造价高、功耗大、功率低等问　题：基于开关阻抗形式的ＶＳＧ结构与控制简单。　便于实现，但能量损耗大，不能实现能量的双向　流动：基于逆变器的ＶＳＧ能模拟多种电压故障，　如电压暂降与暂升、谐波、三相不对称运行等，但　由于输出需要电容滤波，从而影响了其电压暂降　的快速性：基于变压器与全控型交流电子开关的　ＶＳＧ具有响应速度快、效率高、能量可双向流动　等特点，并能实现任意时刻的电压暂降与暂升、　不规则波形的输出　

２　基于自耦调压器的ＶＳＧ原理与结构　２．１　ＶＳＧ工作原理　图１示出基于自耦调压器与全控型交流电子　开关的ＶＳＧ原理图。Ｋ　，Ｋ　各为由一对反向并的　串联快恢复二极管的逆阻式ＩＧＢＴ组成的全控型　交流电子开关。串联快恢复二极管的原因是所选　的逆阻式ＩＧＢＴ所能承受的反压低。图１中，若自　耦调压器滑动端ａ在ｂ点以下，当Ｋ　闭合，　断　基于自耦调压器的电压暂降发生器研究　开时，输出电压　为正常电压；当Ｋ　断开，Ｋ：闭　合时，“　为暂降电压；若滑动端ａ调到ｄ点，当Ｋ　断开，Ｋ：闭合时，“。：０，ＶＳＧ产生电压中断事件；若　滑动端ａ调到ｂ点以上，如图中ｃ点，此时Ｋ　断　开，Ｋ　闭合，产生电压暂升事件。还可通过控制　Ｋ　，Ｋ：的通断实现不规则波形的输出。　Ｋ　图１基于自耦调压器的ＶＳＧ原理图　２．２　ＶＳＧ结构介绍　基于自耦调压器的ＶＳＧ结构框图如图２所　示，它主要由５部分组成：①单相自耦调压器，为　ＶＳＧ提供正常电压与暂降电压两个电压等级：　②全控型交流电子开关，接收驱动信号，按驱动信　号的要求通断，实现功率的输出：③驱动与保护电　路，主要起信号隔离与放大的作用。它接收ＤＳＰ　发出的控制信号．将其隔离放大来驱动全控交流　电子开关．并实时监测逆阻式ＩＧＢＴ的导通电压　Ｍ　，若其大于一定值，则认为逆阻式ＩＧＢＴ发生过　流故障，驱动电路会自动封锁其驱动信号．并将故　障信号传递给ＤＳＰ．ＤＳＰ将从软件上封锁驱动脉　冲。同时ＤＳＰ输出一开关量给继电器，断开输入　电压．从而更好地实现了全控型交流电子开关故　障保护：④ＤＳＰ＋信号调理电路，是整个系统的信　号处理与控制核心。通过串口接收上位机的控制　信号并检测负载电流的方向信号，确定调用四步　换流程序，实现对全控交流电子开关的换流控制：　⑤Ｐｃ机，提供一个可视化的操作环境，可显示故　障信息，发送产生电压暂降、电压中断和不规则波　形等控制信息给ＤＳＰ。　ＰＣ机　＝　ＤＳＰ＋信号调理电路　琶　上　卜　继电器　驱动与保护电路　负载　电流　信号　负　载　图２　ＶＳＧ结构框图　３　四步换流策略　】　四步换流策略是矩阵式变换器中提出的对全　控型交流电子开关安全的换流方法。处于换流期　间的开关管必须满足：①同一时刻不能有导致输　入端短路的开关组合出现，否则将引起输入端短　路。产生尖峰电流，烧伤器件；②任一时刻每一输　出相的开关管不能全部关断，若关断则导致感性　负载的电流没有通路，产生尖峰电压，甚至击穿　开关管。四步换流策略完全满足上述两个换流条　件，可以实现可靠的换流。下面以图３为例，来说　明四步换流策略在ＶＳＧ中的应用以及如何实现　安全换流　

图３基于自耦调压器的单相ＶＳＧ主电路　图３中，当ＶＳＧ输出正常电压“　时，　端的　两个逆阻式ＩＧＢＴ都导通，　端的两个逆阻式　ＩＧＢＴ都关断。假设此时负载电流　＞０的方向为正　方向，ＶＳＧ产生暂降电压　：。根据四步换流策略，　第１步关断处于导通状态但不流过电流的ＩＧＢＴ．　由于ｉ。为正方向，因此关断ＶＳ　第２步打开即将　通过电流的ＩＧＢＴ，由于此时ｉ　为正方向，故应打　开ＶＳｈ；第３步关断ＶＳ。　；第４步打开Ｖｓ抽。换流　时序图如图４所示。　

图４换流时序图　经过上述过程，ＶＳＧ输出的电压为　：，产生暂　降电压。由换流过程可见，该换流策略不会引起输　入侧短路与输出侧开路，并且有５０％的概率实现　零电流换流，减小开关损耗。　

４驱动与保护电路　全控型交流电子开关驱动与保护一直以来都　是研究热点。而传统驱动保护电路不能直接应用　于全控型交流电子开关控制．这是由于该开关在　操作过程中要承受反压，若直接驱动全控型交流　电子开关，就有可能损坏驱动电路与开关管　。在　此应用如图５所示解决方法。图中比较电压　＝　２　ｖ，比较器ＬＭ３ｌ１实时检测集射两端电压，一旦　超过　，则ＬＭ３１１输出低电平，光耦Ｊ４５４输　出高电平，Ｍ５７９６２Ｌ的１脚检测到高电平，进而关　断驱动信号．达到保护逆阻式ＩＧＢＴ的作用。　８９　

ｖ　ｖ　第４５卷第３期　２０１１年３月　电力电子技术　

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Ｍａｒｃｈ　２０１ｌ　

１０　Ｖ　敞障　输ｍ　

嵴嘲　号　

图５全控交流电子开关驱动与保护原理图　５　实验结果　根据所给的ＶＳＧ结构框图搭建了实验电路。　在该电路中，选择Ｆ２８０８为控制芯片，１ＭＢＨ一１００　逆阻式ＩＧＢＴ组成全控型交流电子开关。实验中，　四步换流每步延时为２　ｓ，换流完成不到１０　ｓ，　从而保证了电压暂降的快速性。实验波形见图６。　

ｔ／｛２５　ｍｓ／格）　（ａ）４脯波的电压暂降与Ｉ荻复　

１／ｆ１　０ｍｓ／格）　（ｂ　、舰则波形　图６实验波形　

Ｉ／（】０　ｎ１ｓ／格）　（ｃ）　规则波形　

图６ａ为周期为４周波的电压暂降与恢复波　形，电压跌落幅度为４０％。图６ｂ，１２为两个不规则　波形。其中图６ｂ在一个周波内换流了２次，图６ｃ　在一个周波内换流了４次　

６　结　论　在此将矩阵式变换器中的一些技术应用到电　压暂降发生器中，又为其全控型交流电子开关设　计了新型的驱动与保护电路。实验结果表明，该电　压暂降发生器系统可以模拟多种类型的电压故障　波形。不足之处在于，该电压暂降发生器系统是基　于检测负载电路方向来实现四步换流的，对小电　流准确性判断存在一定困难　

参考文献　［１］Ｓａｒｍｉｅｎｔｏ　Ｈ　Ｇ，Ｅｓｔｒａｄａ　Ｅ．Ａ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓａｇ　Ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ａｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｗｉｔｈ　Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄｒｉｖｅｓ［Ｊ】．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９６，２（１）：１６—１９．　［２］Ｅ　Ｒ　Ｃｏｌｌｉｎｓ，Ｒ　Ｌ　Ｍｏｒｇａｎ．Ａ　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　Ｓａｇ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｏｉｌ　Ｐｏｗ—　ｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９６，１１（１）：５２６－５３２．　【３］陈增禄，姚伟鹏，毛惠丰，等．一种电压暂变发生器研　究『Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（３）：９７—９９．　【４］刘　勇，资益康，黄科元．矩阵式变换器中双向开关换　流技术研究…．电力电子技术，２００２，３７（４）：５Ｏ一５２．　［５］　Ｇａｎｇ　Ｌｉ，Ｋａｉ　Ｓｕｎ，Ｌｉｐｅｉ　Ｈａｎｇ．ＲＢ—ＩＧＢＴ　Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ　Ｃｉｒ—　ｃｕｉｔ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．　ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎ　ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，（１１）：１３５６—１３６３．