雙向Z源直流斷路器的研究

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引言

在設計分布式直流電網時，要特別注意電氣系統的穩定性，以及系統上的獨立負載可操控性。為了防止故障對系統的干擾，直流斷路器應具有限流功能，尤其當兩個微電網的連接時，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，而且還需要兩側的限流和斷流以隔離直流電網中的故障負載和設備，對電力系統進行管理和控制[1]。

為了保證直流系統供電的連續性和可靠性，要對直流系統進行選擇性設計和故障分析，根據短路特性來選擇斷路器[2]。目前的機械式直流斷路器[3]，可以實現大電流分斷，但是產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整體功能產生影響。全固態直流斷路器[4]雖然有很快的關斷速度，但對故障檢測的響應速度和半導體的保護要求較高，如圖1所示。其特點是需要增加額外的傳感器設備來檢測故障，然后發送信號給控制器再控制全控型半導體關斷。這種方法對檢測裝置的靈敏度和控制器響應速度要求高，如果出現延遲，將給整個系統帶來安全隱患，對系統的穩定性和可靠性產生影響。

圖1 傳統全控型直流斷路器結構圖

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

圖2 雙向Z源直流固態斷路器拓撲

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

1 Z源網絡原理分析

Z源網絡結構如圖3所示，包括一對LC回路，并聯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源網絡在雙向可控硅兩側對稱分布，當任一端作為電源輸入時，發生短路故障的原理是相同的，下面以斷路器左側為電源端，右側為負載端進行理論分析。

圖3 Z源網絡結構圖

正常工作時，電流經過Z源網絡的兩個電感，直流通路中電感相當于導線，電源給Z源網絡的兩個電容充電，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，經過600us左右后回到正常工作電流，開通特性較為穩定。

圖4 斷路器開通時雙向可控硅電壓電流波形

當系統發生短路故障時，由于Z源網絡中有電感電容的存在，LC串聯電路會在雙向可控硅上產生反向電壓，利用零電壓周期的原理[6]能夠在幾微秒內使雙向可控硅關斷，不需要外部的故障檢測電路。暫態情況下，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斷，隔離故障，當斷路器左側為電源，右側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）可雙向導通使用，在電流自然過零點可以快速分斷故障電流；2）電路組成簡單，不需要外部設備檢測故障電流；3）故障電流不經過雙向可控硅。

2 雙向Z源直流斷路器參數分析

由于雙向Z源直流斷路器元件對稱設計，所以無論電源在左側還是右側，原理均相同，根據圖2所示電路拓撲，分析當電源從左側輸入，負載在斷路器右側時發生短路故障時的Z源網絡和負載暫態電流，規定電流從圖2中雙向可控硅左側流入為正向，右側流入為反向。

當雙向Z源直流斷路器開通時，經過瞬態響應后開始穩定，由于線路中的電感和雙向可控硅（TRIAC）會產生較小的壓降，在正常情況下穩態電流為：

其中Uin代表電源電壓，uf,TRIAC代表雙向可控硅導通時正向電壓，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，則穩態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源網絡電容CZ提供，如圖6簡化的故障傳導路徑所示。假設Z源電容C3=C4，當負載故障時，兩個Z源網絡電容為串聯，可以得出如下公式：

忽略電源阻抗，根據分流原理可計算出通過Z源網絡電容和負載電容的電流為：

故障暫態與故障阻抗有關，假定故障電導從零線性地向最終故障電導上升，其斜率為：

其中Gfault是故障時的最終電導（Rf的倒數），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斜率表示：

結合式(4)和式(7)，根據KCL可以得到關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電流：

將式(10)代入式(4)可求得通過Z源電容的暫態電流：

根據式(9)可以得出Z源電感的暫態電壓：

考慮穩態值，短路故障時電感暫態電流為：

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

令式(14)為零，得到雙向可控硅關斷時最小的時間為：

故障暫態時式(16)中：

將式(17)和式(18)代入式(16)可求得：

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

則Z源電容的最小取值為：

根據式(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，一體化教學場所的建設不應該搞“一刀切”。對于投入不多、占地不大，需要教室和實訓設備同放一處的專業，如計算機相關專業，可以把課桌換成電腦桌，無論是專業理論課還是專業實訓課，都可以隨時開展教學。而對于投入較多、變化較快、需要大型設備的專業，如汽車相關專業，就不適合設備和課桌椅同放一室，一體化教學場所建設的重點是建設好盡量仿真的實訓場地，或者本身就是企業的校內實訓基地。

因此，為了保證Z源斷路器能夠安全開斷，Z源網絡的相關參數必須滿足以上推導出的條件。

3 仿真分析

根據以上分析，使用PLECS軟件對雙向Z源直流斷路器進行短路分斷仿真。

具體的仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

按照圖2所示，搭建仿真電路，在負載側并聯1mΩ電阻模擬短路，根據表1中的參數，仿真設定在0.1s時觸發雙向可控硅導通，在0.5s時觸發短路故障，此時右側Z源網絡開始響應。

圖7 右側Z源網絡元件電壓電流波形

由圖7可知，當發生短路故障時，靠近負載和故障側的Z源網絡迅速響應，一對串聯的LC電路開始發生諧振，電容釋放能量，流經電容的電流迅速增大，此時在雙向可控硅兩端產生反向電壓，當電容電流和電感電流大小相等時TRIAC自動關斷。

圖8 雙向可控硅關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，隨后進入正向恢復階段，雙向可控硅開始承受正向電壓，實現了快速關斷的功能，根據基爾霍夫電壓定律，當輸出電壓為零時，串聯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諧振持續到電感電壓為負值，二極管開始導通，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，在雙向可控硅關斷后，負載電流開始跌落，在2ms左右完全隔離，但是由于左側Z源網絡和電源連接，穩態時電感相當于導線，發生短路故障時，電源側瞬態電流開始增大，雙向可控硅關斷后，左側Z源網絡中的電容開始放電，由于兩個電容在電源側放電時為并聯結構，所以峰值電流為穩態時電流的兩倍，且方向與穩態時電流相反，放電時間取決于電容的大小，因此在設計時應考慮電源側的瞬態電流，一方面要保證Z源電容的大小能使雙向可控硅關斷，另一方面也要考慮電源側故障電流對供電系統的影響。

圖10 短路時電源側和負載側電流波形

圖11 不同Z源參數下負載電流波形

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

4 實驗驗證

根據表2中的數據搭建實驗平臺，進一步驗證前文所闡述的理論和仿真結果。實驗電路按圖2所示搭建，采用不同的輸入電壓進行實驗，在負載側并聯電阻來模擬短路故障。圖12為故障時響應波形。

表2 實驗參數

圖12 雙向Z源直流固態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源網絡中電容的電流。發生短路故障時，主電路電流發生換向逐步降到零，通過負載的故障電流迅速上升，同時Z源網絡中電容開始放電，TRIAC承受反向偏置電壓，持續100us后TRIAC關斷，隨后電容電流進入L-D-R回路，直至放電完成。

圖13 雙向Z源直流固態斷路器參數不匹配時的實驗波形

為了驗證Z源網絡參數設計的影響，將電感L改為10uH，則無法滿足式(23)的判據，實驗波形如圖13所示，發生負載瞬間短路時，電容開始放電，由于參數不匹配，Z源網絡電感太小，TRIAC承受短暫的反向電壓后，繼續發生正向偏置，流經TRIAC的電流并沒有完全的關斷為零，而是經過瞬間的跌落后繼續正向流通，流經負載的電流也在瞬間的上升后，由于沒有完全關斷，線路中有電感的存在，導致產生振蕩，經過一段時間后回到正常工作值。可見，Z源網絡參數必須滿足關斷的基本要求，否則無法完成分斷功能。

5 結語

提出了一種雙向Z源直流斷路器，通過仿真和實驗驗證，得到如下結論：雙向Z源直流固態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，因此可根據系統要求進行級聯操作運行；由于TRIAC可以雙向導通，雙向Z源直流斷路器可以應用在雙向電流流通的系統，且可以根據系統的要求個性化調整Z源網絡參數，動態設計關斷時間和峰值電流。

不足之處：斷路器需要門極觸發信號才能導通，如果負載是不持續開通的，門極信號每次都要觸發，且斷路器的電流要從零開始，這使得門極控制變得相對復雜，增加了系統風險。