唐 宇 于希娟 丁屹峰 周作春 周小麗 劉木清

(1.北京電力科學研究院，北京 100000;2.復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

電壓跌落 (周波跌落)主要是因為電網(wǎng)、電力設備故障或負荷突然出現(xiàn)大的變化引起的［1］～［4］。一些文獻中采用從系統(tǒng)側解決電壓跌落的方法［5］，本文從用戶側入手，主要以光源為負載研究燈具的抗電壓跌落特性并提出補償方法。氣體放電燈 (HID)包括高壓鈉燈、金鹵燈等為電壓敏感性負載，當電網(wǎng)電壓跌落或突然斷電后，燈具僅能維持很短時間就會熄滅，而HID燈的原理決定了它們斷電后重啟需要較長的時間，大概需要十幾分鐘［6］。為了滿足重要政治用戶對照明負荷正常用電的特定需求，達到“零閃動”的目標，需要在分析HID燈具抗電壓跌落性能的基礎上，研究HID燈具的抗電壓跌落補償裝置，使得電網(wǎng)電壓波動或故障斷電后，HID燈能維持不熄滅，保持到應急后備電源切換上去，可以保證燈具不會受電網(wǎng)故障而熄滅重啟。本文首先用電壓跌落發(fā)生裝置進行常用典型燈具的抗電壓跌落特性研究，并針對HID燈具提出單燈的補償方法，從而保證燈具不熄滅。

2 燈具抗電壓跌落試驗

2.1 測試原理

在本文中用北京電力科學研究院研發(fā)的電壓跌落模擬發(fā)生裝置對典型的燈具進行試驗，電壓跌落模擬發(fā)生裝置和試驗原理圖如圖1所示。試驗中可以設定電壓跌落幅值、起始相角、間隔時間和重復次數(shù)等。該裝置具體技術指標如下:跌落幅值范圍:0～100%;跌落持續(xù)時間范圍:1ms～5min，分辨率1ms;跌落相角范圍:0～359℃，分辨率1℃;輸出電流:200A;模擬三相三線 (三相四線)系統(tǒng)同時電壓跌落;分相模擬電壓跌落，相間跌落時間差可以控制。

圖1 電壓跌落模擬裝置原理圖Fig.1 Schematic of voltage drop generating device

針對跌落幅值、持續(xù)時間、跌落相角三個特征量進行組合試驗，每個組合進行三次，兩次試驗之間最小時間間隔依被試設備的特性而不同 (對于氣體放電燈類，因電壓跌落會影響放電特性，要等穩(wěn)定后進行下一次試驗)，但不得小于10s。試驗中記錄被試燈具的電壓和電流波形;引起熄滅發(fā)生的跌落相角、跌落幅值和持續(xù)時間;以及被試燈具熄滅后恢復正常運行的重啟時間。電壓跌落特性描述如圖2所示。跌落幅值是指電網(wǎng)電壓有效值跌落的幅度，用額定值的1%～90%標示，跌落相角指電壓開始跌落的起始相位角，持續(xù)時間是指低電壓的持續(xù)時間。

圖2 電壓跌落示意圖Fig.2 Schematic diagram of voltage drop

2.2 測試結果

對高壓鈉燈、金屬鹵化燈、節(jié)能燈、白熾燈、LED燈進行電壓跌落試驗，各種燈的啟動特性和電壓跌落響應性能如表1所示。從表1可以看出，LED、白熾燈和節(jié)能燈啟動較快，熄滅后也可立即恢復，而高壓鈉燈和金屬鹵化燈啟動特性相對較差，啟動過程時間較長，燈熄滅后需要充分冷卻才能啟動，大概需要10分鐘左右才能恢復照明，對電壓跌落也較敏感。

圖3、圖4分別為電壓跌落至67%和81%時的鈉燈試驗錄波圖，從圖中可以看出，電壓跌落至67%時，高壓鈉燈持續(xù)6ms熄滅，而電壓跌落至81%時，持續(xù)20ms燈保持不熄滅。表2～表6為典型高壓鈉燈和金鹵燈的實驗數(shù)據(jù)。

通過對不同種類、功率的氣體放電燈進行實驗，可以看出氣體放電燈的功率與抗跌落能力有關。氣體放電燈的功率越大，其抗跌落的性能相對越強。

表1 燈具的啟動特性和電壓跌落響應性能Table 1 The startup characteristics and the voltage drop response performance of the lamps

續(xù)表

圖3 高壓鈉燈試驗錄波圖:電壓跌落至67%持續(xù)6ms(燈熄)Fig.3 Waveform of sodium lamp:voltage drops to 67%for 6ms(lights out)

圖4 高壓鈉燈試驗錄波圖:電壓跌落至81%持續(xù)20ms(燈不熄滅)Fig.4 Waveform of Sodium lamp:voltage drops to 81%for 20ms(lights on)

表2 被試高壓鈉燈 (SON-T150W)試驗結果Table 2 Measurement result for sodium lamp(SON-T150W)

表3 被試高壓鈉燈 (SON-T1000W)試驗結果Table 3 Measurement result for sodium lamp(SON-T1000W)

表4 被試金屬鹵化燈 (HPI-T250W)試驗結果Table 4 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T250W)

表5 被試金屬鹵化燈 (HPI-T400W)試驗結果Table 5 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T400W)

表6 被試金屬鹵化燈 (HPI-T1000W)試驗結果Table 6 Measurement result for metal halide lamp(HPI-T1000W)

3 燈具抗電壓跌落補償

3.1 補償裝置原理

針對上述燈具抗電壓跌落的實驗結果，本文提出了一種燈具抗電壓跌落補償?shù)难b置，補償裝置采用一個電容器儲能，平時電網(wǎng)電壓工作正常時，燈具由電網(wǎng)供電，同時電網(wǎng)通過整流器整流給電容充電;當電網(wǎng)電壓跌至額定電壓的60%時，電容存儲的能量通過逆變電路將電壓變?yōu)榻涣?20V輸出供給燈具，燈具由補償裝置供電，系統(tǒng)中采用一個DSP進行電網(wǎng)電壓的實時監(jiān)控和電路的控制。補償裝置原理圖如圖5所示。

圖5 補償裝置結構框圖Fig.5 Structure diagram of compensation device

主電路如圖6所示。逆變器為單相橋式結構。逆變器直流側采用電解電容作為儲能裝置，提供直流側電壓ud。當電網(wǎng)供電正常的時候，雙向晶閘管VT1導通，直流側電容由IGBT反并聯(lián)的二極管通過電感L進行充電儲能。當檢測到電網(wǎng)電壓跌落超過40%時，VT1分斷，使負載脫離電網(wǎng)，同時，VT2導通，逆變器輸出交流電壓，以供給負載使用。

圖6 補償裝置主電路結構圖Fig.6 The main circuit diagram of the compensation device

圖7 補償裝置控制電路圖Fig.7 Control circuit diagram of the c ompensation device

控制電路如圖7所示?？刂齐娐凡捎没贒SP的數(shù)模混合結構實現(xiàn)。其中中央處理器DSP采樣電網(wǎng)電壓，用于投切判斷;采樣直流側電壓，用于輸出電壓有效值控制。DSP的PWM單元輸出四路高頻驅動信號至逆變橋的4支IGBT管，兩路通斷信號至2支晶閘管開關。電路控制部分供電由兩部分構成，當電網(wǎng)供電正常時，有電網(wǎng)電壓降壓整流取電，當電網(wǎng)供電不正常而被切除時，由直流側電容分壓后供電。

3.2 實驗結果

以負載為一個400W的金鹵燈為例，根據(jù)試驗該燈具在電網(wǎng)電壓跌到額定電壓的70%時燈具會熄滅，故該實例中設定電壓切換的閾值電壓為額定電壓的70%時進行切換，即電網(wǎng)電壓小于154V時進行投切，設燈具最高允許輸入電壓為額定電壓的120%，即220×1.2=264V，設置當電網(wǎng)斷電后裝置能夠維持100ms(這個時間也是電網(wǎng)后備電源二次投切所需要的時間)，則儲能電容值計算如下:

在實際應用中，考慮留一定的裕量，選用400V/1000的電容兩只來實現(xiàn)。圖8為逆變器輸出端電壓波形，圖9為逆變器輸出負載端電壓波形，將補償裝置接入400W金鹵燈，電網(wǎng)電壓斷電100ms燈具維持不熄滅，電壓跌至60%時10s內燈具不熄滅。

圖8 逆變器輸出電壓波形Fig.8 Voltage waveform of the inverter output

4 結論

本文選用了市面上典型的幾款燈具進行了燈具

抗電壓跌落試驗，試驗表明，金鹵燈和鈉燈等氣體放電光源對電壓較為敏感，并且啟動特性較差，最后根據(jù)試驗結果，提出了一種針對單燈的補償裝置，保證在電網(wǎng)電壓斷電或突然跌落時給予補償，保證燈具不熄滅。

［1］Mcgranaghan M F，Mueller D R，Samotyj M J.Voltage Sags in Industrial Systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1993，29(2):397.

［2］張慧潔，王奔，田甜.動態(tài)電壓恢復器的變結構控制研究.電測與儀表，2011，48(550):42～46.

［3］周杰.電壓跌落檢測的仿真研究 ［J］.繼電器，2007，35(增刊):431～435.

［4］姚剛，李世雙.基于配電網(wǎng)電壓跌落問題的DVR研究.貴州電力技術，2011，14(2):38～40.

［5］王賓，潘點存，徐丙根.配電系統(tǒng)電壓跌落問題的分析 ［J］.電網(wǎng)技術，2004，28(2):56～59.

［6］張麗，孟紅秀，王貴蘭.一種HID燈啟動電路的設計方案.河北農(nóng)業(yè)大學學報，2009，32(5):119～123.

［7］周太明.光源原理與設計.復旦大學出版社，1993年11月.