陶育菲，周中正，江 雪，王雨峰，李偉林

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西省西安市 710129）

0 引言

直流斷路器是直流系統(tǒng)短路故障保護(hù)中的一種重要保護(hù)裝置，具有普通開關(guān)和故障隔離的雙重作用，是直流系統(tǒng)中不可缺少的一部分。直流斷路器根據(jù)滅弧原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可以分為:機(jī)械式、全固態(tài)式和混合式［1-2］。

機(jī)械式直流斷路器是將交流斷路器應(yīng)用于直流系統(tǒng)中，但因?yàn)橹绷麟娏鳑]有過(guò)零點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)必須創(chuàng)造過(guò)零點(diǎn)環(huán)境［3-4］。全固態(tài)式斷路器由能量吸收支路和固態(tài)開關(guān)兩部分構(gòu)成，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流從電力電子固態(tài)開關(guān)流過(guò)；發(fā)生故障后，電力電子器件將快速關(guān)斷，感性元件的能量使斷路器兩端電壓變高，當(dāng)超過(guò)吸能支路的動(dòng)作值時(shí)，吸能支路動(dòng)作，完成開斷［5-6］?；旌鲜綌嗦菲鹘Y(jié)合了機(jī)械式和全固態(tài)式，由載流轉(zhuǎn)移支路、固態(tài)開關(guān)以及吸能支路構(gòu)成。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電流通過(guò)載流轉(zhuǎn)移支路傳遞；發(fā)生故障后，故障電流轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)，由吸能支路和固態(tài)開關(guān)開斷故障電流［7-8］。

機(jī)械式和混合式結(jié)構(gòu)雖具有較低的通態(tài)損耗，但其開關(guān)速度受到機(jī)械開關(guān)的制約，開關(guān)速度較慢。全固態(tài)式結(jié)構(gòu)開關(guān)速度迅速，但目前存在通態(tài)損耗較高、能量傳輸效率低的問(wèn)題，并且傳統(tǒng)全固態(tài)式結(jié)構(gòu)需要可靠的檢測(cè)與控制電路，增添了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性［9］。

近年來(lái)，由阻抗源變換器（impedance-source converter，即Z-source converter）發(fā)展衍生而來(lái)的Z源固態(tài)斷路器受到廣泛關(guān)注，且針對(duì)不同應(yīng)用需求涌現(xiàn)出多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)固態(tài)斷路器，Z源固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要檢測(cè)與控制電路，僅通過(guò)LC 回路參數(shù)設(shè)計(jì)便可實(shí)現(xiàn)故障的快速自動(dòng)切除，在國(guó)內(nèi)外均得到廣泛研究［10-13］。目前，Z 源固態(tài)斷路器可以應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)、航空電力系統(tǒng)以及直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，其中以直流微網(wǎng)為研究背景介紹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最多［14-15］。

文獻(xiàn)［11-13］提出交叉型、并聯(lián)型以及串聯(lián)型3 種Z 源固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)短路故障保護(hù)作用，但卻不具備雙向保護(hù)功能。文獻(xiàn)［16］提出一種基于單向串聯(lián)型Z 源結(jié)構(gòu)的雙向斷路器，實(shí)現(xiàn)雙向保護(hù)作用，但采用了較多元件，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。文獻(xiàn)［17］提出一種基于三線圈變壓器的雙向斷路器，結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，但是參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，不便于設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［18］提出一種雙向串聯(lián)橋式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)，但使用了較多的二極管，增加了電路的通態(tài)損耗，文獻(xiàn)［19］使用耦合電感代替上述斷路器中的電感，縮小了斷路器的體積，但依舊存在通態(tài)損耗較大的問(wèn)題。

針對(duì)目前Z 源固態(tài)斷路器存在的通態(tài)損耗較高的問(wèn)題，本文在廣泛調(diào)研現(xiàn)有典型Z 源結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種新型雙向Z 源固態(tài)直流斷路器。該斷路器采用反并聯(lián)的晶閘管實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，用電容代替二極管起到故障阻斷作用，進(jìn)而減小了穩(wěn)態(tài)電流流經(jīng)較多半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的通態(tài)損耗。本文首先分析了新型斷路器的工作原理，并結(jié)合模型給出其設(shè)計(jì)方法，而后就保護(hù)特性與現(xiàn)有典型Z源直流斷路器進(jìn)行了對(duì)比分析。最后，通過(guò)短路故障仿真及原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該斷路器的有效性。

1 Z 源固態(tài)直流斷路器

由Z 源變換器發(fā)展而來(lái)的Z 源固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要檢測(cè)與控制電路就可以準(zhǔn)確識(shí)別故障，典型Z 源斷路器結(jié)構(gòu)有交叉型、并聯(lián)型、串聯(lián)型、雙向串聯(lián)型和耦合電感型，如附錄A 圖A1 所示。交叉型結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)［11］，但由于電流返回路徑有電感L2存在，導(dǎo)致負(fù)載與電源不共地。因此，并聯(lián)型結(jié)構(gòu)將電容放置在電源出線側(cè)，解決了不共地問(wèn)題，但卻造成故障狀態(tài)大量短路電流涌入電源側(cè)。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)改善了以上兩種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，滿足共地性要求，并且一部分故障電流流經(jīng)電容C1支路，解決大量故障電流涌入電源側(cè)的問(wèn)題。但以上結(jié)構(gòu)均不具有雙向保護(hù)性能。然而，直流系統(tǒng)中能量不僅單向流動(dòng)，常常會(huì)出現(xiàn)雙向流動(dòng)的情況，對(duì)系統(tǒng)的雙向保護(hù)也至關(guān)重要。

附錄A 圖A1（d）所示雙向串聯(lián)型斷路器［18］結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅采用一個(gè)晶閘管就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙向保護(hù)作用，但穩(wěn)態(tài)時(shí)電流流經(jīng)較多半導(dǎo)體元件，增加了系統(tǒng)通態(tài)損耗，傳輸效率降低。耦合電感型斷路器［19］采用耦合電感代替電感，縮小斷路器體積，但依舊存在通態(tài)損耗較高的問(wèn)題。

針對(duì)目前Z 源固態(tài)斷路器存在的通態(tài)損耗較高的問(wèn)題，本文在附錄A 圖A1 所示單向串聯(lián)型以及雙向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新型雙向Z 源固態(tài)直流斷路器結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，該新型拓?fù)洳捎昧艘环NH 橋結(jié)構(gòu)，采用反并聯(lián)的晶閘管實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，解決單向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不具備雙向保護(hù)功能的缺點(diǎn)；采用電容代替雙向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)中二極管的反向阻斷作用，降低穩(wěn)態(tài)時(shí)電流流經(jīng)多半導(dǎo)體元件而增加的通態(tài)損耗，從而改善目前Z 源斷路器損耗較高、效率低的問(wèn)題。新型結(jié)構(gòu)的工作原理在第2 章中詳細(xì)介紹。

圖1 新型雙向Z 源固態(tài)直流斷路器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of novel bidirectional Z-source solid-state DC circuit breaker

2 新型雙向固態(tài)直流斷路器

本章主要從穩(wěn)定工作狀態(tài)和短路故障狀態(tài)兩方面介紹新型雙向固態(tài)直流斷路器的工作原理。

2.1 穩(wěn)定狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，斷路器左側(cè)為電源輸入端，右側(cè)為負(fù)載，工作于能量正向流動(dòng)直流系統(tǒng)中時(shí)，電容可以當(dāng)作斷路處理，電感當(dāng)作短路處理［15，17］。因此，電源電流流經(jīng)電感L1、晶閘管SCR1、電感L2傳遞到負(fù)載側(cè)，電流路徑為:L1→SCR1→L2→RL，如圖2（a）中藍(lán)色實(shí)線所示。同樣地，當(dāng)斷路器右側(cè)為電源輸入端，左側(cè)為負(fù)載輸出端，工作于能量反向流動(dòng)系統(tǒng)中，電流通過(guò)電感L2、晶閘管SCR2、電感L1從電源端流向負(fù)載側(cè)，電流路徑為:L2→SCR2→L1→RL。

圖2 斷路器工作原理Fig.2 Operating principle of circuit breaker

晶閘管穩(wěn)態(tài)電流Iscr和負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流Is可以由式（1）計(jì)算:

式中:VS為電源電壓；RL為負(fù)載電阻。

2.2 短路故障狀態(tài)

斷路器中能量正向流動(dòng)，短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器及時(shí)響應(yīng)。在短路瞬間，斷路器電容C3、C4以及負(fù)載電容CL同時(shí)放電，斷路器電容C1、C2同時(shí)充電，由于電感電流不能突變，因此，短路時(shí)刻，電容C1充電電流ic1和電容C3放電電流ic3反向通過(guò)晶閘管流向負(fù)載側(cè)，電容C2充電電流ic2和電容C4放電電流ic4流向負(fù)載側(cè)。在故障發(fā)生、晶閘管關(guān)斷之前，ic4大于ic2，當(dāng)晶閘管關(guān)斷之后，電容C2和C4處于串聯(lián)狀態(tài)，構(gòu)成一條串聯(lián)回路，電流ic2和ic4相等。在短路故障狀態(tài)，晶閘管關(guān)斷非常迅速，因此ic4大于ic2的時(shí)間非常短暫，從電容整個(gè)充放電時(shí)間來(lái)看，電流ic2和ic4近似相等。短路電流if由斷路器電容以及負(fù)載電容故障暫態(tài)充、放電產(chǎn)生的電流構(gòu)成。

短路故障狀態(tài)下電流路徑主要包含正常電流路徑和故障電流路徑兩部分，正常電流路徑如圖2（b）中藍(lán)色虛線所示，故障電流路徑如圖2（b）中紅色實(shí)線 所 示，具 體 為:C1→SCR1→C2→f；C3→SCR1→C2→f；C4→C2→f；CL→f，其中f為故障點(diǎn)。流經(jīng)晶閘管的正向電流等于穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流，當(dāng)晶閘管的反向電流等于正向電流時(shí)，晶閘管電流為零，電壓被反向偏置，晶閘管關(guān)斷，斷路器斷開，成功隔離故障，保護(hù)電路。

斷路器中能量反向流動(dòng)，系統(tǒng)故障時(shí)，斷路器工作原理與能量正向流動(dòng)時(shí)一樣，短路電流if由斷路器電容以及負(fù)載電容充、放電產(chǎn)生的電流構(gòu)成。其中，電容C2充電電流ic2和電容C4放電電流ic4反向流過(guò)晶閘管，電容C1充電電流ic1和電容C3放電電流ic3流向負(fù)載側(cè)。當(dāng)晶閘管關(guān)斷之后，電容C1和C3處于串聯(lián)狀態(tài)，電流ic1和ic3相等。故障電流流通路徑如圖2（c）中紅色部分所示。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器電容以及負(fù)載電容充、放電產(chǎn)生故障電流。故障電流if可以由式（2）計(jì)算:

式中:iCsscb為斷路器電容充、放電總電流；iCL為負(fù)載電容放電電流；Vf為故障輸出電壓；Gf為故障導(dǎo)納。

將負(fù)載電容記為CL，并且為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假設(shè)電容C1=C2=C3=C4=C，那么，通過(guò)對(duì)斷路器拓?fù)浞治隹梢缘玫?

通過(guò)進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到:

將電容C1和C3充、放電產(chǎn)生的電流之和記為iscrf，其反向通過(guò)晶閘管，具體表達(dá)式如下:

在負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，為保障晶閘管關(guān)斷，則流經(jīng)晶閘管的電流應(yīng)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。因此，當(dāng)iscrf等于穩(wěn)態(tài)下晶閘管電流Iscr時(shí)，晶閘管電流為零，電壓被反向偏置，進(jìn)而得到斷路器的最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納Gf為:

由式（7）可以看出，負(fù)載電阻和斷路器電容的增大會(huì)使最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納減??；負(fù)載電容的增大會(huì)使最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納增大。

假設(shè)故障導(dǎo)納在時(shí)間t內(nèi)，從零線性上升至故障導(dǎo)納最終值Gf，則最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率K可以由式（8）計(jì)算:

由式（2）、式（3）和式（4）可以推導(dǎo)出:

求解式（10）的微分方程，得到短路故障輸出電壓Vf:

將式（11）代入式（10）中，得到:

將式（12）代入式（6）中，得到:

求解式（13）最大值，得到:

當(dāng)晶閘管的反向電流與正向電流相等時(shí)，晶閘管電流為零，電壓反向［16］，即令式（1）與式（14）相等，得到K值:

由式（15）可以看出，最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升率K同樣與斷路器電容、負(fù)載電阻、負(fù)載電容均有關(guān)。負(fù)載阻值越大，K越??；負(fù)載電容越大，K越大。

3 斷路器參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 電容參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，斷路器是否將該變化判斷為故障與最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納和最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率有關(guān)。當(dāng)故障導(dǎo)納小于最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納時(shí)，斷路器將不能檢測(cè)出故障，會(huì)誤判該故障為負(fù)載的正常變化；當(dāng)故障導(dǎo)納上升速率小于最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率時(shí)，無(wú)論故障導(dǎo)納最后有多大，斷路器將不會(huì)認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生故障［20-21］。因此，最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納和最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率是設(shè)計(jì)斷路器元件參數(shù)的主要依據(jù)。

由2.2 節(jié)短路故障狀態(tài)時(shí)，對(duì)最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納和最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率的推導(dǎo)可知，當(dāng)斷路器參數(shù)設(shè)計(jì)同時(shí)滿足式（7）與式（15）這兩個(gè)條件時(shí)，才可以保障晶閘管電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，進(jìn)而被關(guān)斷。

依據(jù)式（7）和式（15）可以完成斷路器電容的參數(shù)設(shè)計(jì)，即同時(shí)滿足以下條件:

3.2 電感參數(shù)設(shè)計(jì)

電感參數(shù)同電容參數(shù)一樣，是斷路器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元件，對(duì)斷路器能否正常隔離故障起著至關(guān)重要的作用。隨著電感值減小，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，受電感限制的晶閘管正向電流分量將會(huì)迅速升高；假設(shè)電容網(wǎng)絡(luò)提供的晶閘管反向暫態(tài)電流分量不變，則晶閘管將難以實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零并可靠關(guān)斷。反之，當(dāng)電感值過(guò)大時(shí)，又會(huì)增大斷路器的體積重量。因此，需要合理確定電感的取值范圍。

求解式（11）輸出電壓Vf的一階泰勒展開式，得到:

在短路故障狀態(tài)，電感L1和電感L2串聯(lián)，假設(shè)電感L1=L2=L，則電感電壓為電源電壓VS與輸出電壓Vf之差的1/2，即

將式（17）代入式（18）中，得到:

設(shè)短路瞬間，電感電流的暫態(tài)變化量為iLf，則

聯(lián)立式（19）和式（20）得到:

對(duì)式（21）兩端求積分得到:

因此，晶閘管暫態(tài)電流iscr可由下式計(jì)算:

為了使電感電流對(duì)晶閘管電流的影響可以忽略，故三階電感電流應(yīng)遠(yuǎn)小于三階電容電流，得到:

將式（15）中所求K值代入式（24）中，得到:

由式（25）可以看出，電感取值可以由斷路器電容C和負(fù)載阻值RL確定其范圍。隨著電容C的增大，電感L也需相應(yīng)增大。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 新型斷路器仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)斷路器的短路故障隔離能力，搭建斷路器模型進(jìn)行仿真分析。在仿真中，斷路器可檢測(cè)到的最小故障導(dǎo)納設(shè)置為Gf=0.180 S，最小故障導(dǎo)納上升速率設(shè)置為K=280 S/s［18］，負(fù)載電阻RL=20 Ω，負(fù)載電容CL=220 μF，那么，由式（16）可以推導(dǎo)出:

為滿足式（26）對(duì)斷路器電容參數(shù)的要求，同時(shí)考慮到實(shí)際中電容的型號(hào)，仿真中選取電容C=220 μF，對(duì)應(yīng)Gf=0.175 S，對(duì)應(yīng)K=268 S/s。

將參數(shù)代入式（25）可以進(jìn)一步得到電感L的參數(shù):

最后，在仿真中選取電感L=10 mH。

仿真實(shí)驗(yàn)中，采用電源電壓VS=1 000 V，負(fù)載電容CL=220 μF，負(fù)載電阻RL=20 Ω，斷路器工作于能量正向流動(dòng)模式，負(fù)載短路故障發(fā)生在t=0.3 s，得到的斷路器仿真波形如圖3 和圖4 所示。

圖3 斷路器關(guān)鍵元件理論和仿真波形Fig.3 Theory and simulation waveforms of key components of circuit breakers

圖4 斷路器電容電流和短路電流仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of capacitor current and short-circuit current of circuit breaker

圖3（a）為依據(jù)斷路器工作原理繪制的關(guān)鍵元件理論波形，其中VC1和VC3分別表示電容C1和C3的電壓。t0～t1階段斷路器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，晶閘管電流iscr和電感L1、L2電流iL1、iL2相等，均等于負(fù)載電流。當(dāng)t=t1時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，斷路器進(jìn)入短路故障狀態(tài)，此時(shí)，由于電容C1和C3充、放電電流反向通過(guò)晶閘管，晶閘管電流得以迅速下降為零，隨后在t=t2時(shí)完全關(guān)斷。晶閘管關(guān)斷之后，電容C1和C3依舊處于充、放電狀態(tài)，在t=t4時(shí)，電容C1充電達(dá)到正向電壓最大值，電容C3放電達(dá)到反向電壓最小值，隨后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，在t=t6時(shí)，電容充放電狀態(tài)結(jié)束，分別達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。在短路故障狀態(tài)，電感L1的電流iL1先緩慢增大，再逐漸減小至0 A，如t1～t6階段所示。在該階段，電感L2的電流iL2先逐漸增大，當(dāng)電容C3放電電壓過(guò)零點(diǎn)開始反向時(shí)，即t=t3時(shí)刻，電感L2開始承受反向電壓，電流開始逐漸減??；當(dāng)電流iL2=0，即t=t4時(shí)，電容C3電壓達(dá)到反向電壓最小值；t=t5時(shí)，iL2最小，隨后逐漸上升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，斷路器短路故障狀態(tài)結(jié)束。

圖3（b）為與圖3（a）一一對(duì)應(yīng)的斷路器關(guān)鍵元件仿真波形圖。t0～t1階段斷路器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，系統(tǒng)短路故障發(fā)生在t=t1時(shí)刻。從圖中晶閘管電流波形可以看出，故障發(fā)生后，晶閘管關(guān)斷非常迅速，t1時(shí)刻與t2時(shí)刻幾乎重合，晶閘管電流從50 A 迅速下降至零，切除短路故障。從圖中電容C1和C3電壓波形可以看出，t=t1=0.3 s 時(shí)，電容C1充電，電壓從穩(wěn)態(tài)時(shí)0 V 充電至電源電壓1 000 V，電容C3放電，電壓從穩(wěn)態(tài)時(shí)1 000 V 逐漸下降，在其下降至零以前，電感L2承受正向電壓，電流逐漸增大；當(dāng)C3電壓下降至零時(shí)，L2繼續(xù)向C3反向充電，使其承受反向電壓，同時(shí)L2也承受反向電壓，電流開始下降；當(dāng)L2電流下降至零時(shí)，C3所承受反向電壓最大；隨后L2電流反向，C3電壓回升，當(dāng)回升至正值時(shí)，由電阻和二極管構(gòu)成的RD 續(xù)流支路開通并輔助耗能，使C3電壓最終穩(wěn)定在0 V。從圖3（b）所示電感L1、L2電流波形可以看出，系統(tǒng)故障后，電感L1電流先增大再逐漸下降至0 A，電感L2電流先上升至正向最大值，然后下降至反向最小值，最后逐漸上升至穩(wěn)態(tài)值0 A，在t=t3時(shí)電流值最大，t=t5時(shí)電流值最小，仿真波形與理論波形示意圖一致。

通過(guò)仿真獲得的電容C1至C4的電流波形如圖4（a）所示。在短路故障發(fā)生時(shí)，電容C1至C4進(jìn)入充放電狀態(tài)，產(chǎn)生充放電沖擊電流，隨后快速下降，之后隨著電容充放電結(jié)束，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)0 A。

仿真中，設(shè)置故障導(dǎo)納上升速率遠(yuǎn)大于最小可檢測(cè)故障導(dǎo)納上升速率，得到不同故障導(dǎo)納下短路電流波形如圖4（b）所示。從圖4（b）中可以看出，當(dāng)故障導(dǎo)納等于0.17 S，小于最小可檢測(cè)導(dǎo)納0.175 S 時(shí)，斷路器不能檢測(cè)到故障，短路電流上升并維持在200 A 左右；當(dāng)故障導(dǎo)納大于0.175 S 時(shí)，斷路器可以及時(shí)斷開，短路電流迅速下降，并穩(wěn)定于0 A，短路電流會(huì)隨著故障導(dǎo)納的增大而增大，當(dāng)故障導(dǎo)納等于10 S 時(shí)，短路電流峰值可達(dá)2 800 A左右。

在仿真中，改變系統(tǒng)負(fù)載，分別模擬純阻性負(fù)載、阻容性負(fù)載以及阻感性負(fù)載情況下，短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器是否能及時(shí)響應(yīng)。通過(guò)仿真所得到的短路電流波形如圖4（c）所示。從圖4（c）中可以看出，阻容性負(fù)載時(shí)，短路電流峰值最小，約為2 kA，純阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載時(shí)，短路故障波形幾乎重合，電流峰值約為10 kA，3 種負(fù)載情況下，短路故障電流均迅速下降為0 A，說(shuō)明斷路器可以迅速切斷故障，進(jìn)一步驗(yàn)證斷路器的有效性。

圖3 和圖4 所示均為兩極短路故障情況下的仿真波形。為進(jìn)一步驗(yàn)證斷路器的故障響應(yīng)能力，附錄A 圖A2 給出了單極接地短路故障仿真波形，從圖中可以看出，在單極接地故障發(fā)生時(shí)，與發(fā)生兩極短路故障時(shí)一樣，斷路器及時(shí)檢測(cè)到故障，電容C3放電，此時(shí)電容C1也同樣處于充電狀態(tài)，晶閘管電流迅速下降至0 A，電壓被反向偏置足夠長(zhǎng)時(shí)間，從而關(guān)斷，短路故障電流逐漸振蕩下降至0 A。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)附錄A 圖A3 所示的短路故障保護(hù)方案，搭建系統(tǒng)級(jí)保護(hù)仿真模型，該仿真模型可以近似模擬直流微網(wǎng)發(fā)生兩極短路故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)程和穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)特性，通過(guò)仿真可以分析系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)對(duì)斷路器故障隔離功能的影響以及斷路器接入系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響［22-25］。仿真中，模擬短路故障發(fā)生在t=0.5 s 時(shí)，短路故障時(shí)間持續(xù)至1 s，仿真所獲得的波形如附錄A 圖A4 所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，晶閘管電流迅速下降至零，從而關(guān)斷。負(fù)載側(cè)電壓從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的1 000 V 也隨著故障引入迅速下降，晶閘管電流的驟降緊隨負(fù)載電壓之后，說(shuō)明斷路器在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)可以迅速檢測(cè)到系統(tǒng)故障，并自動(dòng)將故障切除，保障系統(tǒng)其他部件安全運(yùn)行。

為進(jìn)一步驗(yàn)證斷路器的故障分?jǐn)嗄芰Γ罱?8 V/10 W 斷路器原理樣機(jī)，以能量正向流動(dòng)時(shí)為例，完成短路測(cè)試，原理樣機(jī)照片如附錄A 圖A5 所示。實(shí)驗(yàn)中，采用28 V 直流電源作為輸入，負(fù)載選用阻值為100 Ω 的電阻。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的負(fù)載電流、電壓波形，晶閘管電流、電壓波形以及電容C1、C3兩端電壓波形如圖5 所示。

圖5 斷路器實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of circuit breaker

從圖5（a）中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器負(fù)載電壓從穩(wěn)態(tài)工作的28 V 迅速下降為0 V，負(fù)載電流也從穩(wěn)態(tài)工作0.28 A 下降至0 A，并且維持在零狀態(tài)，與仿真結(jié)果一致，表明該斷路器能夠及時(shí)檢測(cè)到短路故障并做出響應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)其他部件安全運(yùn)行。

從圖5（b）所示的晶閘管電流和電壓實(shí)驗(yàn)波形中可以看出，晶閘管穩(wěn)態(tài)工作電流與負(fù)載電流一致，發(fā)生短路故障時(shí)，電流在200 μs 內(nèi)下降為零，其電壓穩(wěn)態(tài)工作時(shí)大約為零，在故障時(shí)刻，電壓被反向偏置足夠長(zhǎng)時(shí)間，保障晶閘管可以被可靠關(guān)斷。

圖5（c）為電容C1和C3的電壓實(shí)驗(yàn)波形。電容C1電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為晶閘管SCR1的通態(tài)壓降電壓，約為0.7 V，電容C3電壓為電源電壓28 V，故障發(fā)生后，電容C1充電至28 V，電容C3放電，電壓下降至0 V。

4.2 不同結(jié)構(gòu)斷路器仿真對(duì)比分析

在單向結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)型性能優(yōu)于交叉型和并聯(lián)型，為進(jìn)一步對(duì)比各斷路器的性能，搭建串聯(lián)型、雙向串聯(lián)型、耦合電感型以及新型H 橋型斷路器仿真模型，串聯(lián)型、雙向串聯(lián)型、耦合電感型仿真參數(shù)如附錄A 表A1—表A3 所示，仿真波形如圖6 所示，通過(guò)仿真分析各結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，幾種結(jié)構(gòu)性能對(duì)比如表1 所示。

圖6 串聯(lián)型、雙向串聯(lián)型、新型H 橋型、耦合電感型斷路器仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of series,bidirectional series,novel H-bridge and coupled-inductor-based circuit breakers

表1 不同結(jié)構(gòu)性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of different structures

從圖6（a）可以看出，短路故障發(fā)生時(shí)，各斷路器的晶閘管電壓均迅速被反向偏置，電壓反向偏置時(shí)間近似相等。耦合電感型結(jié)構(gòu)反向浪涌電壓最大；串聯(lián)型和雙向串聯(lián)型結(jié)構(gòu)反向電壓大致相等，晶閘管電壓波形相似；本文所設(shè)計(jì)的新型H 橋型結(jié)構(gòu)反向電壓最小，大約為耦合電感型的1/4，其正向浪涌電壓略高于其他3 種結(jié)構(gòu)。

圖6（b）所示為各斷路器電容電壓仿真波形。在故障瞬間，各電容迅速放電，放電電流反向通過(guò)晶閘管，使晶閘管電流出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。新型結(jié)構(gòu)以及串聯(lián)型結(jié)構(gòu)電容放電后穩(wěn)定于0 V，雙向串聯(lián)型和基于耦合電感型結(jié)構(gòu)的電容電壓快速放電并被二極管D4鉗制為負(fù)電壓。

圖6（c）為負(fù)載電流仿真波形，在電源電壓與負(fù)載阻值相同的情況下，串聯(lián)型以及新型結(jié)構(gòu)負(fù)載電流大于雙向串聯(lián)型以及基于耦合電感型結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，雙向串聯(lián)型和基于耦合電感型結(jié)構(gòu)電流需經(jīng)過(guò)晶閘管和兩個(gè)二極管才能傳遞到負(fù)載，而串聯(lián)型和新型結(jié)構(gòu)電流僅流經(jīng)晶閘管一個(gè)半導(dǎo)體元件就可以傳遞到負(fù)載側(cè)，因此提高了能量傳輸效率，降低了通態(tài)損耗。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)有典型直流斷路器的性能特點(diǎn)，針對(duì)目前現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，提出了一種新型雙向Z 源固態(tài)斷路器，同時(shí)闡述了該斷路器的工作原理以及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)其有效性及可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論:

1）采用反并聯(lián)的晶閘管實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，從而可以使斷路器對(duì)系統(tǒng)具有雙向保護(hù)作用，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

2）采用電容代替以往結(jié)構(gòu)二極管的反向阻斷作用，降低了穩(wěn)態(tài)時(shí)電流流經(jīng)較多二極管而增添的通態(tài)損耗，提高了能量傳輸效率。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，均驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的斷路器在短路故障時(shí)能對(duì)滿足設(shè)計(jì)條件的故障快速響應(yīng)，并且可靠切除故障，保障系統(tǒng)其他部件安全可靠運(yùn)行。

本文雖完成了斷路器的有效性驗(yàn)證，但對(duì)基于斷路器的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究，在后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步深入探究直流系統(tǒng)設(shè)備及典型工況對(duì)斷路器故障保護(hù)特性的影響。

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