基于自耦调压器的电压暂降发生器研究

电力电子技术

PowerElectronics

Vol.45，No.3March2011

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

230039）

（安徽大学，电子科学与技术学院，安徽合肥

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：1000-100X（2011）03-0088-03

ResearchofVoltageSagGeneratorBasedonAutotransformer

ZHANGWei，ZHENGChang-bao，WANGPing，ZHOUSi-li

（AnhuiUniversity，Hefei230039，China）

Abstract：Inordertotesttheperformanceofelectricalequipmentormeasuretheworkingstatusofelectricalequip-mentbythevoltagesagintheworkofinterference，itisnecessarytomakeakindofvoltagesaggeneratorwhichcansimulategridgeneratingvoltagesag.Akindofvoltagesaggeneratorsolutionschemewhichiscomposedofautotrans-formerandfull-controlledACelectronicswitchispresented.ThisschememakesuseofDSPasthecontroller，adoptingfour-stepcommutationstrategyforfull-controlledACelectronicswitchofcommutationcontrol.Andanewtypeofdriveandprotectioncircuitisdesignedforthefull-controlledACelectronicswitch.Experimentsshowthespeedandeffec-tivenessofthesystem.

Keywords：generator；voltagesag；full-controlledalternatingcurrentelectronicswitch

FoundationProject：SupportedbyTheKeyResearchProjectfromEducationDepartmentofAnhuiProvince（No.KJ2009A144）；TheExcelantYoungFundFromEducationDepartmentofAnhuiProvince（No.2009SQRZ098）

1引言

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

20世纪80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[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[2]。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）[3]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（KJ2009A144）；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-），男，安徽宿州人，硕士研究生，

研究方向为电力电子技术。

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

2.1

基于自耦调压器的VSG原理与结构

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。K1，K2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K1闭合，K2断

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开时，输出电压uo为正常电压；当K1断开，K2闭合时，uo为暂降电压；若滑动端a调到d点，当K1断开，K2闭合时，uo=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K1断开，K2闭合，产生电压暂升事件。还可通过控制

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。

K1，K2的通断实现不规则波形的输出。

2.2VSG结构介绍

基于自耦调压器的VSG结构框图如图2所

图3中，当VSG输出正常电压u1时，u1端的两个逆阻式IGBT都导通，u2端的两个逆阻式

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

IGBT都关断。假设此时负载电流io>0的方向为正

方向，VSG产生暂降电压u2。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io为正方向，因此关断VS1m；第2步打开即将通过电流的IGBT，由于此时io为正方向，故应打开VS2n；第3步关断VS1n；第4步打开VS2m。换流时序图如图4所示。

uce，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。

经过上述过程，VSG输出的电压为u2，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[5]。在此应用如图5所示解决方法。图中比较电压Uinf=

3四步换流策略[4]

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

2V，比较器LM311实时检测集射两端电压，一旦uce超过Uinf，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。

第45卷第3期2011年3月

电力电子技术

PowerElectronics

Vol.45，No.3March2011

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，c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。

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图5

全控交流电子开关驱动与保护原理图

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。

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-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2μs，换流完成不到10μs，从而保证了电压暂降的快速性。实验波形见图6。

参考文献

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姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（上接第87页）其大小为

Z=0.903mH，短路容量为法，用此方法计算出的无功功率变化曲线和实际的变化曲线相差不大。阐述了计算值和实际值有差异的原因：电流较小时，变流器工作在有环流运行模式。由于EAST极向场负载是典型的恒电流负载，所以用相同的方法计算了EAST运行在设计值时，极向场电源无功电流变化曲线，并为

Sc=325MVA，在电流峰值时，电压下降为：

（5）△U=姨3Iac2_maxZ=1.707kV

由于△U超出了国家标准规定的10kV电网电压变化±7％，因此，有必要对其进行无功功率补偿。

EAST无功补偿装置的设计提供原始依据。

参考文献

[1][2]

图4

实验波形

陈

坚.电力电子学———电力电子变换和控制技术

君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补鹏.±15kA四象限运行变流电源的研制[J].

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5结论

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朱桂萍，陈建业.电力电子电路的计算机仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

这里通过研究极向场及其供电电源的结构和运行方式，找出计算10kV母线处无功功率的方

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