（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

在設(shè)計分布式直流電網(wǎng)時，要特別注意電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)上的獨立負載可操控性。為了防止故障對系統(tǒng)的干擾，直流斷路器應(yīng)具有限流功能，尤其當兩個微電網(wǎng)的連接時，特別需要雙向直流斷路器，在正常情況下，不僅會有雙向的潮流，而且還需要兩側(cè)的限流和斷流以隔離直流電網(wǎng)中的故障負載和設(shè)備，對電力系統(tǒng)進行管理和控制[1]。

為了保證直流系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性，要對直流系統(tǒng)進行選擇性設(shè)計和故障分析，根據(jù)短路特性來選擇斷路器[2]。目前的機械式直流斷路器[3]，可以實現(xiàn)大電流分斷，但是產(chǎn)生的電弧可能延長故障電流的切除時間，對斷路器的壽命和系統(tǒng)整體功能產(chǎn)生影響。全固態(tài)直流斷路器[4]雖然有很快的關(guān)斷速度，但對故障檢測的響應(yīng)速度和半導(dǎo)體的保護要求較高，如圖1所示。其特點是需要增加額外的傳感器設(shè)備來檢測故障，然后發(fā)送信號給控制器再控制全控型半導(dǎo)體關(guān)斷。這種方法對檢測裝置的靈敏度和控制器響應(yīng)速度要求高，如果出現(xiàn)延遲，將給整個系統(tǒng)帶來安全隱患，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響。

圖1 傳統(tǒng)全控型直流斷路器結(jié)構(gòu)圖

為了克服傳統(tǒng)的基于全控型器件的單向直流固態(tài)斷路器的不足，提出雙向Z源直流固態(tài)斷路器。如圖2所示。

圖2 雙向Z源直流固態(tài)斷路器拓撲

如圖2 虛線框所示，包括一個雙向可控硅（TRIAC）和兩個Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，當發(fā)生短路故障時雙向可控硅能夠自動關(guān)斷，無需外部檢測和控制電路，在直流電路的應(yīng)用中更加方便，安全性更高。

1 Z源網(wǎng)絡(luò)原理分析

Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括一對LC回路，并聯(lián)在電感兩端的二極管D和電阻R組成電流的吸收回路[5]。由于提出的雙向Z源直流斷路器中的Z源網(wǎng)絡(luò)在雙向可控硅兩側(cè)對稱分布，當任一端作為電源輸入時，發(fā)生短路故障的原理是相同的，下面以斷路器左側(cè)為電源端，右側(cè)為負載端進行理論分析。

圖3 Z源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

正常工作時，電流經(jīng)過Z源網(wǎng)絡(luò)的兩個電感，直流通路中電感相當于導(dǎo)線，電源給Z源網(wǎng)絡(luò)的兩個電容充電，直至電容電壓和電源電壓相等。通過圖4可以看出，雙向Z源直流固態(tài)斷路器開通時，雙向可控硅兩端的電壓迅速跌落，由于電容的存在，開通電流有瞬間的上升，經(jīng)過600us左右后回到正常工作電流，開通特性較為穩(wěn)定。

圖4 斷路器開通時雙向可控硅電壓電流波形

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，由于Z源網(wǎng)絡(luò)中有電感電容的存在，LC串聯(lián)電路會在雙向可控硅上產(chǎn)生反向電壓，利用零電壓周期的原理[6]能夠在幾微秒內(nèi)使雙向可控硅關(guān)斷，不需要外部的故障檢測電路。暫態(tài)情況下，電感將維持電流iL恒定，故障過程中，Z源電容電流iC會一直上升到和電感電流iL相等，此時經(jīng)過雙向可控硅的電流會逐漸減小到零，從而使雙向可控硅換流關(guān)斷，隔離故障，當斷路器左側(cè)為電源，右側(cè)為負載時的故障電流路徑如圖5中箭頭所示[7]。

因此雙向Z源直流斷路器具有以下特點：1）可雙向?qū)ㄊ褂茫陔娏髯匀贿^零點可以快速分斷故障電流；2）電路組成簡單，不需要外部設(shè)備檢測故障電流；3）故障電流不經(jīng)過雙向可控硅。

2 雙向Z源直流斷路器參數(shù)分析

由于雙向Z源直流斷路器元件對稱設(shè)計，所以無論電源在左側(cè)還是右側(cè)，原理均相同，根據(jù)圖2所示電路拓撲，分析當電源從左側(cè)輸入，負載在斷路器右側(cè)時發(fā)生短路故障時的Z源網(wǎng)絡(luò)和負載暫態(tài)電流，規(guī)定電流從圖2中雙向可控硅左側(cè)流入為正向，右側(cè)流入為反向。

當雙向Z源直流斷路器開通時，經(jīng)過瞬態(tài)響應(yīng)后開始穩(wěn)定，由于線路中的電感和雙向可控硅（TRIAC）會產(chǎn)生較小的壓降，在正常情況下穩(wěn)態(tài)電流為：

其中Uin代表電源電壓，uf,TRIAC代表雙向可控硅導(dǎo)通時正向電壓，Rload代表負載電阻，Ron,TRICA代表雙向可控硅開通時的電阻，Rindctors代表電感的電阻。

分析時忽略雙向可控硅和電感線路的阻抗壓降，則穩(wěn)態(tài)TRIAC電流為：

圖6 簡化電容電流路徑圖

考慮故障電流的階躍變化，故障電流由負載電容Cload和Z源網(wǎng)絡(luò)電容CZ提供，如圖6簡化的故障傳導(dǎo)路徑所示。假設(shè)Z源電容C3=C4，當負載故障時，兩個Z源網(wǎng)絡(luò)電容為串聯(lián)，可以得出如下公式：

忽略電源阻抗，根據(jù)分流原理可計算出通過Z源網(wǎng)絡(luò)電容和負載電容的電流為：

故障暫態(tài)與故障阻抗有關(guān)，假定故障電導(dǎo)從零線性地向最終故障電導(dǎo)上升，其斜率為：

其中Gfault是故障時的最終電導(dǎo)（Rf的倒數(shù)），Δt是上升到最終值的時間。假定電感電流恒定，故障電流可以用負載電壓和故障電導(dǎo)斜率表示：

結(jié)合式(4)和式(7)，根據(jù)KCL可以得到關(guān)于負載電容電壓的微分方程：

將式(9)代入式(7)可求得短路故障時的暫態(tài)電流：

將式(10)代入式(4)可求得通過Z源電容的暫態(tài)電流：

根據(jù)式(9)可以得出Z源電感的暫態(tài)電壓：

考慮穩(wěn)態(tài)值，短路故障時電感暫態(tài)電流為：

根據(jù)KCL定律，結(jié)合式(11)和式(13)可計算發(fā)生短路故障時通過TRIAC的電流為：

令式(14)為零，得到雙向可控硅關(guān)斷時最小的時間為：

故障暫態(tài)時式(16)中：

將式(17)和式(18)代入式(16)可求得：

如果故障電導(dǎo)上升較快，則需要Z源電容值較??；如果故障電導(dǎo)是階段變化，故障電流可以表示為輸出電壓乘以故障電導(dǎo)，式(4)可以用來表示Z源電容通過的電流，結(jié)合式(2)可得：

則Z源電容的最小取值為：

根據(jù)式(14)，可以看出電感電流相對于電容電流在三階項上的作用，為了滿足式(19)的最小電導(dǎo)率K，與電容電流相比，電感電流可以忽略不計，可以得到：

將式(19)代入式(22)，在滿足確保電感電流可以安全忽略的前提下得到最小電感：

總之，一體化教學(xué)場所的建設(shè)不應(yīng)該搞“一刀切”。對于投入不多、占地不大，需要教室和實訓(xùn)設(shè)備同放一處的專業(yè)，如計算機相關(guān)專業(yè)，可以把課桌換成電腦桌，無論是專業(yè)理論課還是專業(yè)實訓(xùn)課，都可以隨時開展教學(xué)。而對于投入較多、變化較快、需要大型設(shè)備的專業(yè)，如汽車相關(guān)專業(yè)，就不適合設(shè)備和課桌椅同放一室，一體化教學(xué)場所建設(shè)的重點是建設(shè)好盡量仿真的實訓(xùn)場地，或者本身就是企業(yè)的校內(nèi)實訓(xùn)基地。

因此，為了保證Z源斷路器能夠安全開斷，Z源網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)必須滿足以上推導(dǎo)出的條件。

3 仿真分析

根據(jù)以上分析，使用PLECS軟件對雙向Z源直流斷路器進行短路分斷仿真。

具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

按照圖2所示，搭建仿真電路，在負載側(cè)并聯(lián)1mΩ電阻模擬短路，根據(jù)表1中的參數(shù)，仿真設(shè)定在0.1s時觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，在0.5s時觸發(fā)短路故障，此時右側(cè)Z源網(wǎng)絡(luò)開始響應(yīng)。

圖7 右側(cè)Z源網(wǎng)絡(luò)元件電壓電流波形

由圖7可知，當發(fā)生短路故障時，靠近負載和故障側(cè)的Z源網(wǎng)絡(luò)迅速響應(yīng)，一對串聯(lián)的LC電路開始發(fā)生諧振，電容釋放能量，流經(jīng)電容的電流迅速增大，此時在雙向可控硅兩端產(chǎn)生反向電壓，當電容電流和電感電流大小相等時TRIAC自動關(guān)斷。

圖8 雙向可控硅關(guān)斷時的電壓和電流波形

雙向可控硅的電壓和電流波形如圖8所示，在短路經(jīng)過80us后，雙向可控硅兩端達到最大反向電壓，進入反向阻斷階段，電流迅速降為零，隨后進入正向恢復(fù)階段，雙向可控硅開始承受正向電壓，實現(xiàn)了快速關(guān)斷的功能，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，當輸出電壓為零時，串聯(lián)的電容電壓和電感電壓會變得相等，并且等于電源電壓的一半。之后二極管的電流和電感的電壓仿真波形如圖9所示，在階段I時，LC諧振持續(xù)到電感電壓為負值，二極管開始導(dǎo)通，電流進入L-D-R回路，電容中的電流開始衰落，直至階段II，電感電壓和二極管電流為零，諧振結(jié)束。

圖9 LC諧振時L-D-R回路仿真波形

由圖10可知，當負載短路時，電流快速上升，在雙向可控硅關(guān)斷后，負載電流開始跌落，在2ms左右完全隔離，但是由于左側(cè)Z源網(wǎng)絡(luò)和電源連接，穩(wěn)態(tài)時電感相當于導(dǎo)線，發(fā)生短路故障時，電源側(cè)瞬態(tài)電流開始增大，雙向可控硅關(guān)斷后，左側(cè)Z源網(wǎng)絡(luò)中的電容開始放電，由于兩個電容在電源側(cè)放電時為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以峰值電流為穩(wěn)態(tài)時電流的兩倍，且方向與穩(wěn)態(tài)時電流相反，放電時間取決于電容的大小，因此在設(shè)計時應(yīng)考慮電源側(cè)的瞬態(tài)電流，一方面要保證Z源電容的大小能使雙向可控硅關(guān)斷，另一方面也要考慮電源側(cè)故障電流對供電系統(tǒng)的影響。

圖10 短路時電源側(cè)和負載側(cè)電流波形

圖11 不同Z源參數(shù)下負載電流波形

由圖11可知，Z源網(wǎng)絡(luò)中不同的參數(shù)對負載短路暫態(tài)電流的峰值大小和持續(xù)時間有明顯的影響，當保持Z源電感恒定時，Z源電容越小，負載暫態(tài)電流峰值越小，故障電流持續(xù)時間越??；當保持Z源電容恒定，Z源電感越小，負載暫態(tài)電流峰值越大，故障持續(xù)時間越小，但是當取值不當時也可能造成TRIAC不能自動關(guān)斷的后果，所以在設(shè)計時應(yīng)該綜合考慮負載短路電流的大小和斷路器關(guān)斷時間，在確保TRIAC能關(guān)斷的前提下，再選擇性設(shè)計Z源網(wǎng)絡(luò)。

4 實驗驗證

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)搭建實驗平臺，進一步驗證前文所闡述的理論和仿真結(jié)果。實驗電路按圖2所示搭建，采用不同的輸入電壓進行實驗，在負載側(cè)并聯(lián)電阻來模擬短路故障。圖12為故障時響應(yīng)波形。

表2 實驗參數(shù)

圖12 雙向Z源直流固態(tài)斷路器短路時的實驗波形

示波器中CH1為雙向可控硅電壓，CH2為雙向可控硅電流，CH3為負載電流，CH4為Z源網(wǎng)絡(luò)中電容的電流。發(fā)生短路故障時，主電路電流發(fā)生換向逐步降到零，通過負載的故障電流迅速上升，同時Z源網(wǎng)絡(luò)中電容開始放電，TRIAC承受反向偏置電壓，持續(xù)100us后TRIAC關(guān)斷，隨后電容電流進入L-D-R回路，直至放電完成。

圖13 雙向Z源直流固態(tài)斷路器參數(shù)不匹配時的實驗波形

為了驗證Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計的影響，將電感L改為10uH，則無法滿足式(23)的判據(jù)，實驗波形如圖13所示，發(fā)生負載瞬間短路時，電容開始放電，由于參數(shù)不匹配，Z源網(wǎng)絡(luò)電感太小，TRIAC承受短暫的反向電壓后，繼續(xù)發(fā)生正向偏置，流經(jīng)TRIAC的電流并沒有完全的關(guān)斷為零，而是經(jīng)過瞬間的跌落后繼續(xù)正向流通，流經(jīng)負載的電流也在瞬間的上升后，由于沒有完全關(guān)斷，線路中有電感的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過一段時間后回到正常工作值?？梢姡琙源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)必須滿足關(guān)斷的基本要求，否則無法完成分斷功能。

5 結(jié)語

提出了一種雙向Z源直流斷路器，通過仿真和實驗驗證，得到如下結(jié)論：雙向Z源直流固態(tài)斷路器能夠快速的切斷故障負載，有效的保護電源，能夠承受較大的電流，不需要額外的檢測裝置，因此可根據(jù)系統(tǒng)要求進行級聯(lián)操作運行；由于TRIAC可以雙向?qū)ǎp向Z源直流斷路器可以應(yīng)用在雙向電流流通的系統(tǒng)，且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求個性化調(diào)整Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，動態(tài)設(shè)計關(guān)斷時間和峰值電流。

不足之處：斷路器需要門極觸發(fā)信號才能導(dǎo)通，如果負載是不持續(xù)開通的，門極信號每次都要觸發(fā)，且斷路器的電流要從零開始，這使得門極控制變得相對復(fù)雜，增加了系統(tǒng)風(fēng)險。