电网模拟器分类及原理解析

针对不同应用场合，电网模拟器有不同结构。从测试方式的角度，现有电网模拟器可分为移动式（集装箱形式，方便测试认证机构对不同地点的对象进行测试）、固定式和简化式（抽检用）。从电路结构和实现方式角度，电网模拟器又可分为阻抗分压式、变压器式和电力电子式^[4，5]。

8.1.1.1 阻抗分压式电网模拟器

阻抗分压式电网模拟器通过在主电路中并联电阻/电抗实现电压跌落模拟。并联阻抗方式电路中，若开关（可以是继电器、接触器或者晶闸管）闭合，则电压出现跌落，开关断开，则电压恢复，其电路原理如图8-3所示^[4]。

图8-3 并联阻抗分压式电网模拟器原理电路

并联阻抗分压式电路是最为常见的一种电网模拟器，结构简单、实现方便，若采用可变阻抗，还可调节电压跌落深度。然而，由于所接入阻抗在正常运行或模拟电压跌落时流过较大电流，必须选择大功率的阻抗元件，其能量损耗较大；此外，负载变化时，阻抗匹配关系也发生变化，电压跌落深度难以准确控制。阻抗分压式电网模拟器也无法实现电网频率变化、电压畸变等模拟，只能用于低电压穿越的相关测试。

8.1.1.2 变压器式电网模拟器

变压器式电网模拟器可由多个独立的升压/降压变压器组合实现，也可由一个中心抽头变压器单独实现^[5]。多个升压/降压变压器组合实现的变压器式电网模拟器原理电路如图8-4所示。图中，变压器1和2分别为降压、升压变压器。图8-4a中，变压器1串联在电网和负载之间；变压器2与负载并联；其故障模拟与并联阻抗分压式电网模拟器类似，通过投切变压器2实现电压的跌落与恢复。图8-4b中，变压器1和2为串联结构，正常运行时，投入变压器2，电网电压经两级变压后对负载供电；切除变压器2时，负载电压出现跌落。

图8-4 升压/降压变压器组合实现的变压器式电网模拟器原理电路

单个中心抽头变压器实现的单相电网模拟器原理电路如图8-5所示，通过改变变压器中心抽头位置，以改变一二次侧电压比而实现电压跌落模拟。(www.xing528.com)

图8-5 中心抽头变压器实现的电网模拟器原理电路

变压器式电网模拟器中，切换开关通常使用交流电子开关，可避免继电器或接触器的动作时间延时、短暂的电压中断和较大的电流电压尖峰等，一般用于中大功率场合，其可靠性高、简单易行。然而，当功率较大时，变压器的体积和重量很大、不便携带。若抽头固定，则电压比不可调节，因而其只能获得固定的电压跌落深度。此外，带中心抽头的变压器结构和工艺较复杂，造价较为昂贵。实际工程中，此方案并不多见。

8.1.1.3 电力电子式电网模拟器

电力电子式电网模拟器形式多样，理论上所有可控的三相交流逆变电源都可用于模拟电网故障，如交-交变流器及交-直-交变流器等。图8-6所示的四象限背靠背变流器是电力电子式电网模拟器中结构和控制最为成熟的，通过控制变流器可输出多种故障波形：电压跌落、闪变、频率波动，过/欠电压等，并可方便地控制电压跌落深度、持续时间、相位跳变和跌落类型。

图8-6 电力电子式电网模拟器原理电路

电力电子式电网模拟器形式灵活、功能强大。由于开关频率较高，使得无源器件体积较小，系统重量较轻、便于携带和使用。然而，电力电子器件的功率容量有限、系统控制复杂，成本相对较高、可靠性相对较低。从低电压穿越测试的成本和可靠性角度出发，电力电子式电网模拟器并非大功率系统测试的最佳方案，在小功率的实验室模拟和测试中是较好的选择。近年来随着电力电子装置成本的降低，一些大型测试认证机构为了实现精确、全面的系统测试，也相继建立了大功率电力电子式电网模拟系统，用于大功率新能源发电系统的测试认证。

综上所述，阻抗分压式电网模拟器和电力电子式电网模拟器是最常见的两种方案，下节将分别对其进行重点介绍。