（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）基于dsp控制的橋式固態(tài)斷路器.pdf

江蘇大學(xué)碩士擘位論文 a b s t r a c t t h cn u m b e ro f s e n s i t i v el o a df a c i l i t i e si si n c r e a s i n gv e r yf a s t 、“t ht h ed e v e l o p m e n t o fp o w e rs y s t e m ，w h i c hm a k e sm o r er e q u i r e m e n t so ne l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t ya n d s t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m h o wt ob r e a ko u tt h ef a u l tc u r r e n tw i t h i nas h o r tt i m et o s u p p r e s sv o l t a g es a ga n de n h a n c es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t c u r r e n t l y , t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lc i r c u i tb r e a k e r sa r ea d o p t e di nt r a n s m i s s i o nl i n e ， b u tt h e yh a v es o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o w s w i t c h i n gs p e e d e l e c t r i ca r ca n ds h o r t o p e r a t i o nl i f e e t c t h u s an e wb r e a k e rw i t hc u r r e n tc o n s t r a i n ta n df a s tb r e a k o u to f f a u l t c u r l e n t i sa l l u r g e n tn e e do f m o d e r np o w e rs y s t e r n t h es o l i ds t a t ec i r c u i tb r e a k e r s ( s s c b ) h a v et h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs w i t c h i n g s p e e d , 1 1 0e l e c t r i ca r ca n dl o n go p e r a t i o n t h es s c bc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lk i n d s ， s u c ha ss s c bb a s e do ns c rs s c bb a s e do i l0 t ona 1 b u tt h o s es s c b sa l lh a v e t h ed i s a d v a n t a g e sm o r ea l ll e s s v i ac o m p a r e dt h et w ot o p o l o g i e so fs s c b ( t h e a n t i p a r a l l e la n dt h eb r i d g e ) ，an e wb r i d g es s c bb a s e do ni g b tw a sp r o p o s e da sw e l l a sac o n t r o ls y s t e m t h i sc o n t r o ls y s t e ma d o p t sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p 、a n d m i c r oc o n t r o l l e ru n i t y ( m c u ) a st h ec p u t h ed s pi sa p p l i e dt od a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，a n dm c u i sa d o p t e df o rh m l t h ee x p e r i m e n ta n dr e s u l ts h o wt h a tt h es s c bc a nb r e a ko u tf a u l tc u r r e n tw i t h i n l m s w h e nt h es s c bi su s e da sat r a n s f e r - s w i t c l li tw o u l dp r o v i d er e l i a b l e p r o t e c t i o nf o rs e n s i t i v el o a df a c i l i t i e s i ta l s oc a nf u n c t i o nw e l lo nc u r r e n tc o n s t r a i n t w i t hc t r r r e n tl i m k e ri n d u c t a n c e a l lt h e s ec h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t ei t s a p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nf a c t s k e y w o r d a ：s s c b ，d s p ，s h o r tc i r c u i tf a u l t ，c t l r r c r l ! l i m i t c r i i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于， 不保密i l 。 學(xué)位論文作者魏君甲峙 簽字日期：b 1 年二月f 爭日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向； 工作單位： 通訊地址： 導(dǎo)師簽名 翻痊 簽字日期：p 0 年f 月7 v 日 電話 郵編 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn) 行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容以外，本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的 研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人 完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 才f 峰 日期：嗣年占月 妒 日 江蘇太學(xué)碩士擘位論文 第一章緒論 隨著我國社會(huì)的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的增長，電能的作用越來越大，對(duì)電能的需 求也在日益增加，電力系統(tǒng)越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，我國2 0 0 5 年底總裝機(jī) 容量達(dá)到5 1 億千瓦，發(fā)電量達(dá)到2 4 萬億千瓦時(shí)，發(fā)電和裝機(jī)容量均居世界第 二位，預(yù)計(jì)到2 0 0 6 年底，將達(dá)到5 8 7 億千瓦l 為了滿足遠(yuǎn)距離及大容量電能輸 送的要求，輸電電壓等級(jí)越來越高。同時(shí)使得電力系統(tǒng)和輸電技術(shù)也得到了迅速 發(fā)展，能高效、潔凈地生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、分配和使用電能的技術(shù)將成為未來電 力技術(shù)的主導(dǎo)發(fā)展方向其特征是： ( 1 ) 高效潔凈的發(fā)電系統(tǒng) 專家們預(yù)測(cè)未來的發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對(duì)環(huán)境實(shí)際上沒有影響，即不僅不排放二氧 化硫等有害氣體，還具備脫硝、除塵等功能。 ( 2 ) 高度可靠的輸配電系統(tǒng) 隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、負(fù)荷密度和用戶重要性的增加，電力系統(tǒng)事故的 后果更嚴(yán)重，因此對(duì)輸配電系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。 ( 3 ) 對(duì)環(huán)境友好的輸配電系統(tǒng) 未來的輸配電系統(tǒng)必須滿足環(huán)境保護(hù)的要求，把線路和變電站可能產(chǎn)生的電 磁干擾、靜電感應(yīng)、噪聲、電磁場的生態(tài)效應(yīng)、以及對(duì)景觀的影響降低到最低限 度。 ( 4 ) 提供可靠、優(yōu)質(zhì)、個(gè)性化服務(wù)的配電系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)、微電子設(shè)備等敏感設(shè)備的廣泛采用，用戶對(duì)電能質(zhì)量要求越來 越高。例如生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的工廠，即使是電壓的瞬時(shí)下降或升高，均可導(dǎo) 致嚴(yán)重的后果。未來輸配電系統(tǒng)必須滿足重要用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。 ( 5 ) 靈活開放的輸配電系統(tǒng) 電力行業(yè)面臨著改革政策法令允許實(shí)行躉售托送，發(fā)電廠和電力用戶可以 根據(jù)協(xié)議通過電網(wǎng)售受電力。電網(wǎng)作為電力市場的物質(zhì)載體即發(fā)電廠和電力用 戶問電力交易的渠道，需要滿足對(duì)電力潮流靈活調(diào)節(jié)控制的要求。由于大范圍的 電力交易，使線路的負(fù)載普遍增加，有的線路的負(fù)載己接近穩(wěn)定極限，需要在強(qiáng) 化電網(wǎng)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)提高電網(wǎng)的靈活性和開放性。 江蘇大擘碩士學(xué)位論吏 1 1 電力系統(tǒng)的短路電流故障 電力系統(tǒng)的短路是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況之外的一切相與相之間或相與 地之間的短接，導(dǎo)致的原因是絕緣受到破壞。引起破壞的原因有多種：電氣設(shè)備 絕緣材料的自然老化、機(jī)械損傷，雷擊引起過電壓，自然災(zāi)害引起桿塔倒地或斷 線，鳥獸跨接導(dǎo)線引起短路，運(yùn)行人員誤操作等。 短路往往會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果“，主要有： ( 1 ) 電流急劇增加。短路時(shí)的電流要比正常工作電流大得多，嚴(yán)重時(shí)可達(dá) 正常電流得十幾倍。大型發(fā)電機(jī)出線端三相短路電流可達(dá)幾萬安甚至十幾萬安， 這樣大的電流將產(chǎn)生巨大電動(dòng)沖擊力，使電氣設(shè)各變形或損壞，同時(shí)會(huì)大量發(fā)熱 使設(shè)備過熱或損壞。有時(shí)短路點(diǎn)產(chǎn)生的電弧可能直接燒壞設(shè)備。 ( 2 ) 電壓大幅度下降。三相短路時(shí)，短路點(diǎn)的電壓為零。短路點(diǎn)附近的電 壓也明顯下降了，這將導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作，如異步電機(jī)轉(zhuǎn)速下降甚至 停轉(zhuǎn)。 ( 3 ) 可能使電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性遭到破壞。電力系統(tǒng)發(fā)生短路后，發(fā)電 機(jī)輸出的電磁功率減少，而原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率來不及相應(yīng)減少從而出現(xiàn)不 平衡功率，這將使得發(fā)電機(jī)相互聞的角度差越來越大，這就可能引起并列運(yùn)行得 發(fā)電機(jī)失去同步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引起大片地區(qū)停電。 ( 4 ) 不對(duì)稱短路時(shí)系統(tǒng)中將流過不平衡電流，會(huì)在臨近平行的通信線路中 感應(yīng)出很高的電勢(shì)和很大的電流，對(duì)通訊產(chǎn)生干擾，也可能對(duì)設(shè)備和人身造成危 險(xiǎn)。 為了保證電氣設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。減輕短路的影響，重要的是應(yīng)努力設(shè)法 消除可能引起短路的一切原因，而一旦短路故障發(fā)生，首先應(yīng)盡快切除短路部分， 使系統(tǒng)電壓在較短的時(shí)聞內(nèi)恢復(fù)正常值。這就需要采用快速動(dòng)作的斷路器等裝 置。 1 2 斷路器 斷路器是用來接通和斷開電路的電氣設(shè)備。其主要任務(wù)是：在正常工作情況 下可靠地接通和斷】_ l = 電路；在改變運(yùn)行方式時(shí)靈活地進(jìn)行切換操作；在系統(tǒng)發(fā)生 2 江蘇太學(xué)碩士學(xué)位論支 故障時(shí)迅速切除故障部分，以保證非故障部分的正常運(yùn)行；在設(shè)備檢修時(shí)隔離帶 電部分，以保證工作人員的安全。斷路器的種類很多，按照滅弧介質(zhì)可分為油斷 路器、空氣斷路器、真空斷路器、六氟化硫斷路器和磁吹斷路器等。 隨著配電網(wǎng)沖擊性、非線性負(fù)荷的日益增多，系統(tǒng)的短路容量也在不斷的增 加，這就對(duì)開關(guān)設(shè)備的開斷能力提出了更高的要求。同時(shí)，用戶對(duì)供電質(zhì)量的要 求也在不斷的提高，如何快速切除短路電流以抑制故障期間電壓的跌落、中斷等 故障已顯得非常重要“1 。現(xiàn)有的傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器因受其自身物理結(jié)構(gòu)的制約。 其開斷容量很難有大幅度提高，并且動(dòng)、靜觸頭分開時(shí)引起的電弧延長了故障電 流切除時(shí)間，使之難以滿足一些電力用戶對(duì)故障電流開斷的速動(dòng)性要求，因此 迫切要求出現(xiàn)一種能限制、迅速開斷故障電流的斷路器。 1 3 幾種現(xiàn)有的固態(tài)斷路器的比較 7 0 年代末，出現(xiàn)了一些用晶閘管器件傲開斷元件的特殊斷路器，由于這種斷 路器中投有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，又成為固態(tài)斷路器( s o l i ds t a t ec i r c u i tb r e a k e r ) ，最早 的固奎斷路器包括兩種基本類型：在電流第一次自然過零時(shí)開斷的單環(huán)( s i n g l e l o o p ) 斷路器：以及在第一次自然過零之前通過轉(zhuǎn)移回路產(chǎn)生人工高頻零點(diǎn)的限 流斷路器。理想的固態(tài)斷路器有以下優(yōu)點(diǎn)： 1 大幅度提高開關(guān)速度，達(dá)到“s 級(jí)。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 2 準(zhǔn)確控制開關(guān)時(shí)刻： 3 使用壽命長，不受開關(guān)次數(shù)限制； 4 能限制故障電流； 5 無觸頭、機(jī)構(gòu)、滅弧室，減少了故障率。 8 0 年代以來，電力電子技術(shù)和徽電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上又重新結(jié)合 在一起，在電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)中大量采用微電子的加工工藝和集成制造技 術(shù)，從而誕生了多種全控型器件。3 ，如：門極可關(guān)斷晶閘管g t 0 、絕緣柵極晶體 管$ g b t 等。這些全控型器件由上萬個(gè)單元胞組成并聯(lián)集成，在功能上實(shí)現(xiàn)了自關(guān) 斷，從而避免了傳統(tǒng)電力電子器件關(guān)斷是所必需的強(qiáng)迫換流電路。 隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，固態(tài)斷路器所采用的功率元件及其主電路結(jié) 構(gòu)都經(jīng)歷了很大的變化“”，電力電子器件的快速發(fā)展也使柔性交流輸電的設(shè) 江蘇大學(xué)碩士擘位論文 想成為現(xiàn)實(shí)。近十年來，普通晶閘管、可關(guān)斷器件的開斷能力不斷提高。目前， 1 5 0 m m 直徑的晶閘管的耐壓已達(dá)到8 k v 1 2 k v 的水平，通過電流已達(dá)到1 0 k a 以 上。1 0 k v ，1 0 k a 的可關(guān)斷晶閘管( g t o ) 元件已有商品。單個(gè)電力電子器件的 開斷能力已達(dá)到8 0 m w1 0 0 m w 的水平，使電力電子開關(guān)用于高電壓、大功率 的輸配電一次系統(tǒng)成為可能。 1 3 1 基于品閘管的帶換流電路的固態(tài)斷路器 。二譬。 鹺f m 1 3 2 基于g t o 的固態(tài)斷路罌 在中高電壓場合，固態(tài)斷路器常采用額定電壓和額定電流相剝較高的g t o ， g t o 是晶閘管的一種派生器件，但是其關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于 在被導(dǎo)通后，普通晶閘管處于深度飽和狀態(tài)，而g t o 只能達(dá)到臨界飽和，因而當(dāng) 門板加反向觸發(fā)信號(hào)時(shí)g t o i i p 可自行關(guān)斷。目前，美國西屋電氣公司1 9 9 5 年研制 的g t o 強(qiáng)迫空冷戶外式固態(tài)斷路器( 1 3 8 k v ，6 5 0 a ) 安裝于新澤西州p s e & g 變 電站運(yùn)行，這一類型的固態(tài)斷路器也是目前唯一投入高壓場合中實(shí)際運(yùn)行的固態(tài) 4 江蘇走擘碩士擘住論文 一 圖1 2 基于g t o 的圊態(tài)斷路器 由于g t o 是全控型器件，因此由它構(gòu)成的固態(tài)斷路器能在任何時(shí)候關(guān)斷，但是通 態(tài)損耗較高，所需驅(qū)動(dòng)電路功率高，龐大的保護(hù)及緩沖電路不但增加了其運(yùn)行費(fèi) 用，而且還使裝置復(fù)雜，降低了裝置的可靠性。加之其過載能力低，不能持續(xù) 導(dǎo)遙故障電流，而只能在故障電流到達(dá)其最大關(guān)斷值前關(guān)斷，因此固態(tài)斷路器無 法實(shí)現(xiàn)與下游斷路器的整定配合。 1 3 3 混合型斷路器 以往的固態(tài)斷路器由于通態(tài)損耗過大、需龐大的冷卻系統(tǒng)及相對(duì)于機(jī)械式斷 路器價(jià)格過高等缺點(diǎn)，針對(duì)此缺點(diǎn)，出現(xiàn)了一種真空斷路器良好的靜態(tài)特性，結(jié) 合電力電子回路的動(dòng)態(tài)特性而構(gòu)成混合型斷路器( h y b d dc b ) - i s 。即在機(jī)械式 開關(guān)的基礎(chǔ)上，利用電力電子器件作為無觸頭開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)的觸頭并聯(lián)，構(gòu) 成一種綜合兩者共同優(yōu)點(diǎn)的新型斷路器，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 3 所示。 圖1 4 混合型斷路器 其工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，固態(tài)斷路器斷開，真空斷路器閉合，完 成導(dǎo)電通流任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由事故檢測(cè)和控制回路向真空開關(guān)發(fā)出分 閘脫扣信號(hào)，同時(shí)給g t 0 發(fā)出導(dǎo)通脈沖信號(hào)，隨后真空開關(guān)分閘，短路電流在電 弧電壓的作用下經(jīng)過一定的時(shí)問全部轉(zhuǎn)移至g t o ，然后g t o 再斷開?；旌鲜綌嗦?器有效地結(jié)合了傳統(tǒng)斷路器通惑損耗小、固態(tài)斷路器開斷速度快等優(yōu)點(diǎn)，與靜止 型斷路器相比較，由于電力電子器件只在開關(guān)開斷的瞬間導(dǎo)通，平時(shí)幾乎沒有損 江蘇走擘碩士學(xué)位論文 耗，所以省卻了笨重的冷卻設(shè)備。研究表明“，該裝置可在i m s 內(nèi)將6 0 k a 的預(yù)期 故障電流限制在1 0k a 以內(nèi)，限流效果非常顯著，這不但減輕了故障電流帶來的 電磁應(yīng)力和熱應(yīng)力，而且可使電壓跌落在瞬間恢復(fù)，有效消除了電壓跌落對(duì)其他 負(fù)荷的影響。但是混合式斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于控制，當(dāng)真空開關(guān)斷開時(shí)有電 弧產(chǎn)生。這不但磨損了開關(guān)觸頭，影響真空斷路器的壽命，而且較長時(shí)間的電弧 電流轉(zhuǎn)移不但威脅著o t o 的安全，又限制了g r o 快速開斷故障電流的能力，同時(shí) 其成本可能比普通的固態(tài)斷路器還高，只能作為一種過渡方案。 1 4 固態(tài)斷路器與f a c t s 柔性交流輸電技術(shù)( f a c t s ) 是2 0 世紀(jì)8 0 年代后期由美國電t ：i 研究院e p r i ( e l e c t r i c a lp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ) 的n g h i n g o r a n i 博士提出的一種全新的 技術(shù)概念，其本質(zhì)是利用電力電子技術(shù)和控制理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電系統(tǒng)參數(shù)和 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活控制，合理分配輸送功率并降低功率損耗，大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性“”“。f a c t 設(shè)備主要包括：靜止無功發(fā)生器( s v g ) 、快速可控串 補(bǔ)裝置( t c s c ) 、振蕩阻尼器( f r d ) 、統(tǒng)一潮流控制器( c p f c ) 、有源電力濾波器 ( a p f ) 和固態(tài)斷路器s s c b 等裝置。 1 4 1f a c t s 產(chǎn)生的背景 由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、運(yùn)行任務(wù)日益繁重、環(huán)保要求日益嚴(yán)格等原因，電 網(wǎng)運(yùn)行在發(fā)達(dá)國家中產(chǎn)生了一系列凼難1 ： 1 由于輸電可控性能很差，功率分布中的自由潮流和負(fù)荷變化很大。 2 由于輸電網(wǎng)缺少快速控制手段，在功率輸送過程中常造成“功率繞送” 和“功率倒流”情況。此外。還有大量輸電受限制的“瓶頸”環(huán)節(jié)。 3 交流輸電線需要經(jīng)常投切以改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或斷開故障，但目前只能依 靠機(jī)械型斷路器。而這種斷路器速度慢、維修量大，是形成暫i 奩穩(wěn)定問題嚴(yán)重的 重要因素。這也是輸電可控性差的主要原因之一。 4 由于負(fù)荷和電力市場的需求以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，獲得能多送電力 的新建輸電線的走廊更加困難等原因，使已有輸電線的負(fù)擔(dān)同益加重，輸送能力 不足的矛盾日益突出。輸送能力主要受制于暫態(tài)穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限，因此，對(duì) 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 提高輸送能力的有關(guān)技術(shù)措施的需求也日益騷追。 f a c t s 技術(shù)的出現(xiàn)正適應(yīng)和滿足了上述情況的需求。其效果主要體現(xiàn)在提 高了輸電網(wǎng)潮流流向的控制能力以及輸電線輸送能力兩個(gè)方面。因此，這項(xiàng)新技 術(shù)正逐漸引起世界各國的廣泛注意和重視。 1 4 2 同態(tài)斷路器在f a c t s 中的作用 f a c t s 要實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的快速靈活控制，s s c b 是其中最 關(guān)鍵的控制設(shè)備”“”。這是因?yàn)閟 s c b 控制的是整個(gè)電力線路的投切，開關(guān)時(shí)刻 的選擇和開關(guān)動(dòng)作的快慢等因素將影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性，而f a c t s 的其他器件只是調(diào)節(jié)線路的某些參數(shù)和性能而己。因此對(duì)固態(tài)斷路器的研究有十 分重要的意義。 固態(tài)斷路器在f a c t s 中的用途相當(dāng)廣泛：當(dāng)s s c b 和s t a t c o n 配合起來 一起使用時(shí)，可提供優(yōu)質(zhì)電力“：當(dāng)兩臺(tái)s s c b 分別與兩條電源饋線相連而向 一個(gè)重要用戶供電時(shí)，可利用s s c b 能在一個(gè)周期內(nèi)快速完成切換的髓力向用 戶提供不問斷電源，這就是固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)( s s t s ) 。，用作轉(zhuǎn)換開關(guān)的固態(tài)斷 路器常采用的是晶閘管，這是因?yàn)榫чl管能在短時(shí)間內(nèi)承受一定值的過電流而不 至于損壞，同時(shí)其導(dǎo)通壓降也非常低。當(dāng)s s c b 同限流電抗器或電阻器組合在一 起，s s c b 就能在配電系統(tǒng)中迅速插入限流裝置以防止來自大短路容量的過大故 障電流”“；母聯(lián)斷路器是用來當(dāng)故障發(fā)生時(shí)隔離母線之問的聯(lián)系，目前使用 的多為熔斷器，這些熔斷器必須都是一次性的，必須經(jīng)常更換，采用固態(tài)斷路器 作為母聯(lián)開關(guān)不但可以快速的切斷故障，而且可以反復(fù)使用”1 。采用固態(tài)斷路器 投切電容器可以克服老式( 采用機(jī)械開關(guān)投切) 無功補(bǔ)償裝置投切時(shí)產(chǎn)生的瞬變 過程，提高響應(yīng)速度，延長電容的使用壽命”“1 。 圖l - 4 表明了固態(tài)斷路器在f a c t s 中的用途。 ， 江蘇大擘碩士擘位論文 一賭 h 巫卜 轉(zhuǎn)換開羌 斷路器帶s 1 a t c o n k ) f i 煎荷 盱 巨圃i 譬負(fù)特 h 哥 軟啟動(dòng)器 人人 g 唰陜g l _ _ 哥 li 圈ii 蛭 圖卜4 崮態(tài)斷路器在f a c t s 中的應(yīng)用 1 5 固態(tài)斷路器研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 負(fù)荷 國外對(duì)固態(tài)斷路囂的研究起步較早，美國馬爾文市大功率電力電子器件廠已 經(jīng)制造出1 5 k v 6 0 0 a 的s s c b 的樣機(jī)，可在4 m s 內(nèi)完全關(guān)斷。西屋公司與e p r i 合作于1 9 9 5 年研制的強(qiáng)迫空冷戶外式斷路器，已經(jīng)安裝于新澤西州的p s e & g 變電站，英國也研制出了了1 3 k v 的配電s s c b 。“。 國內(nèi)高校和科研單位也曾對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了一些研究。浙江大學(xué)本世紀(jì)初在國 家自然科學(xué)基會(huì)的資助下，研制了一套采用i g b t 的具有短路限瘴保護(hù)的固態(tài)開 關(guān)“1 。但是，國內(nèi)s s c b 研制水平還處于低電壓、小電流的試制水平，采用的器 件的容量較小。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多可應(yīng)用到大功率領(lǐng)域的電力電子器 件，這些器件的出現(xiàn)將對(duì)s s c b 的實(shí)用化研究起到極大的促進(jìn)作用。我國在浚領(lǐng) 8 江蘇太學(xué)碩士學(xué)位論之 域起步較晚，應(yīng)該加緊在這方面的研究。 總結(jié)國內(nèi)外的研究成果，未來固態(tài)斷路器發(fā)展的主要趨勢(shì)有： 1 ，s s c b 開關(guān)特性的研究，針對(duì)不屙的負(fù)荷和短路故障情況，通過實(shí)驗(yàn)和理 論分析，比較與傳統(tǒng)斷路器動(dòng)作特性的區(qū)別，掌握s s c b 的工作規(guī)律； 2 研究不同電力電子器件( g t o 、i g b t 、i g c t 等) 構(gòu)成的s s c b 的開關(guān) 特性，確定s s c b 樣機(jī)采用的基本器件： 3 大功率電力電子器什串并聯(lián)及其門極同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究； 4 研究與限流裝置相結(jié)合，組成固態(tài)限流器( s s f l ) 。 1 6 本文主要研究的內(nèi)容 本文主要研究固態(tài)斷路器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，本課題的主要任務(wù)是：借鑒國 內(nèi)外研制固態(tài)斷路器的經(jīng)驗(yàn)，研制一種性能更加完善并具有一定實(shí)用性的固 態(tài)斷路器，以適應(yīng)電力系統(tǒng)f a c t s 發(fā)展的需要。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 研究通過f f t 對(duì)電力系統(tǒng)參數(shù)的分析和測(cè)量方法，研究固態(tài)斷路 器的保護(hù)原理和方法： ( 2 ) 研究固態(tài)斷路器的主電路，分析反并聯(lián)和橋式兩種結(jié)構(gòu)的固態(tài)斷 路器的優(yōu)缺點(diǎn)，研究固態(tài)斷路器中器件的串聯(lián)使用、緩沖電路等，并在此基 礎(chǔ)上完成吲態(tài)斷路器主電路的設(shè)計(jì)； ( 3 ) 為了實(shí)現(xiàn)固態(tài)斷路器控制系統(tǒng)的復(fù)雜功能，研究采用d s p 和m c u 雙c p u 架構(gòu)的固態(tài)斷路器控制系統(tǒng)電路，以替代傳統(tǒng)的采用一個(gè)微處理器 的控制系統(tǒng)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成相關(guān)的軟件框圖設(shè)計(jì)； ( 4 ) 搭建固態(tài)斷路器仿真和實(shí)驗(yàn)電路，利用m a t l a b s i m u l i n k 對(duì)其應(yīng)用 進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果迸行對(duì)比，以驗(yàn)迂固態(tài)斷路器的性能： ( 5 ) 對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)并對(duì)下一步工作做出展望。 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)住論更 第二章固態(tài)斷路器的保護(hù)原理 為了實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化，這不僅要求固態(tài)斷路器能夠提供傳統(tǒng)斷路器的各 種保護(hù)和控制功能，而且能夠?qū)崟r(shí)顯示電路中的各種參數(shù)( 電流、電壓，功率、 功率因數(shù)等) ，也可以設(shè)定和修改各種保護(hù)功能的動(dòng)作參數(shù)。若干個(gè)固態(tài)斷路器 通過互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可組成智能配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信和遙調(diào)等功能。而實(shí)現(xiàn)上述 功能的前提，就是采用合適的算法，對(duì)電力參數(shù)的進(jìn)行準(zhǔn)確、快速測(cè)量，這對(duì)于 實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。 大多數(shù)保護(hù)算法的計(jì)算可視為對(duì)信號(hào)中參數(shù)的估算過程，對(duì)算法性能的評(píng)價(jià) 取決于其是否能在較短數(shù)據(jù)窗內(nèi)，從信號(hào)的若干采樣值中獲得基波分量或某次諧 波分量的精確估計(jì)值”。衡量各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，重要指標(biāo)可以歸結(jié)為：計(jì) 算精度、響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)算量。這三者之間往往是相互矛盾的，因此應(yīng)根據(jù)保護(hù)的 功能性能指標(biāo)( 如精度、動(dòng)作時(shí)間等) 和保護(hù)裝置硬件條件( 如c p u 的運(yùn)算速、 存儲(chǔ)器的容量等) 的不同，采用不同的算法。 2 1 采用有效值變換進(jìn)行電力系統(tǒng)參數(shù)的分析與檢測(cè) 狂非止弦情況p ，相電沉、相電壓的有效值定義為： ，= 據(jù)f 產(chǎn)破，u = 辱r 砌 ( 2 - 1 ) 在對(duì)電流電壓采樣時(shí)，每個(gè)周期采樣n 點(diǎn)，采樣間隔為d 瓦，得到理想化采樣序 列 、慨 ，則有 扛牿五= 扛軍楓( 2 - - 2 ) 若疋恒定為a t ，電流電壓的有效值為： 卜居軍后軍( 2 - - 3 ) 其它的電力參數(shù)如下： 有功功率j d = ( 2 4 ) o 江蘇犬學(xué)碩士學(xué)位論文 視在功率s = u ( 2 5 ) 無功功率q = 拈2 一p 2 ( 2 - - 6 ) d 功率因數(shù)c o s o = 丟( 2 - - 7 ) o 該方法的精度與采樣的點(diǎn)數(shù)n 和采樣的同步度有關(guān)。在系統(tǒng)速度允許的情 況下一般一個(gè)周波可采樣幾百個(gè)點(diǎn)，非同步采樣誤差與失步度成正比，而且和計(jì) 算首點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)計(jì)算首點(diǎn)值最接近有效值時(shí)，非同步采樣誤差最小。該算法實(shí)時(shí) 性強(qiáng)，算法簡單，能夠計(jì)及信號(hào)中商次諧波的影響，在不需要測(cè)量基波和各次諧 波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法。 2 2 采用快速傅立葉變換( f f t ) 進(jìn)行電力系統(tǒng)參數(shù)的分析與檢測(cè) 傅里葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅暈葉變換( ( d f t ) 轉(zhuǎn)換到頻域，求 出基波和諧波分量，再求有效值及功率，實(shí)際使用中可以采用快速傅罩葉變換 ( f f l ) 以提高運(yùn)算速度。該算法不需增加硬件濾波裝置，就具有很強(qiáng)的濾波能力， 這樣減少了前向通道誤差，降低了系統(tǒng)成本，適合于進(jìn)行電力線路的繼電保護(hù)、 諧波分析。但傅立葉算法復(fù)雜，運(yùn)算量大，傳統(tǒng)的單片機(jī)芯片難于滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí) 時(shí)性的要求。在本設(shè)計(jì)中，控制器采用的是先進(jìn)的定點(diǎn)d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， 為了提高c p u 的利用率，本漫計(jì)選擇的是傅立葉算法。 快速傅立葉( f a s tf o 、】r i e ft r a n s f o r m ) 只是離散傅立葉變換( d f t ) 的改進(jìn) 算法。同時(shí)，快速傅立葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)是由運(yùn)算的過程決定的，對(duì)于n 點(diǎn)采 樣，通常取n = 2 m ，i t l 為芷整數(shù)。由于n 為偶數(shù)則可將 工 分為由偶數(shù)和基數(shù) 點(diǎn)組成的兩個(gè)序列來計(jì)算，即： e = z w + 工時(shí)( 2 8 ) n 月得 月岢數(shù) 當(dāng)n 為偶數(shù)時(shí)，令n = 2 r , 即由偶數(shù)點(diǎn)的采樣序列組成新序列 正， ； 當(dāng)n 為奇數(shù)時(shí)，令n = 2 r + l ，即由奇數(shù)點(diǎn)的采樣序列組成新序列( 石。l ； 經(jīng)過上述變換，就可將原一個(gè)d f t 轉(zhuǎn)換為兩個(gè)序列d f t 。f f t 算法的實(shí)質(zhì) 就是不斷地把長序列地d f t 分解成幾個(gè)短序列地d f t ，并利用跖的周期性和 對(duì)稱性來減少d f t 的運(yùn)算次數(shù)。f f t 算法有很多種，晟常用的f f t 是基2 f f t ， 江蘇走擘顧士學(xué)位論文 并且有編寫得相當(dāng)精練的子程寧供開發(fā)人員使用。f f t 一般分為倒序和遞推兩個(gè) 步驟。 倒序算法可由下述步驟實(shí)現(xiàn)： i 將n ( n - 2 “，m 為整數(shù)) 個(gè)自然編號(hào)的十進(jìn)制數(shù)每隔一個(gè)挑出來一個(gè)， 分尉組成兩組一次排列： 2 將每組的十進(jìn)制分別每隔一個(gè)挑出一個(gè)，再分別分為兩組依次排列； 3 如此重復(fù)，共進(jìn)行m - i 步，將一個(gè)序列分為n 2 組，即可完成。 最后得到的十進(jìn)制序列，恰好為二進(jìn)制倒位排列的十進(jìn)制數(shù)序列。對(duì)于n = 8 、 m = 3 的情況，倒排序列過程如表所示。 二進(jìn)制原序列工 倒序過程 二進(jìn)制倒序片 第步 第二步 工= m ， 五 矗f o = ) 正= 彳一 正工 = z 。， 以= _ 0 。2 ， 正 正正= 。 五= 一一 五 工= 一。， = z 0 0 ， 石 z = z 一 正= z 一 正正 工= 一啷， = 彳， 五 = i ， = 0 0 7 1 z 工 工；z m ) 在上表中右邊為倒序的二進(jìn)制表示，下邊一個(gè)數(shù)總是上邊一個(gè)數(shù)在最高位加 1 得到的，但是要作反向加法，要從晟高位向低位進(jìn)位。上述倒序的規(guī)律也是編 寫倒序程序的依據(jù)。 遞推運(yùn)算過程的規(guī)律足編寫遞推運(yùn)算程序的依據(jù)。咀n = 8 、m = 3 為例，并令 爿”= 丘、五。k 丘、矗”= 、一”= 忘、?！? 賓、”= 矗、?！? 危、”= 戽， 則相應(yīng)的8 點(diǎn)基2 f f t 完整的流程如圖所示。 由圖中f f t 遞推運(yùn)算的流程圖可以看出，這個(gè)過程分為m = 3 段，每段芪有 n 2 = 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)。以i = 1 2 j n ，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)的間距則為2 。1 。將每段的算式分成 節(jié)點(diǎn)對(duì)來計(jì)算，則可以得到簡單的算式形式，各段各算式的系數(shù)分別為 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論之 2 f l f 2 f 2 f 哪= e 1 百“= ( e 1 。廣，引= p 1 鏟：0 1 i ；j ) 5 。則可以歸納出統(tǒng)一的形式： 碟= ，育6 = ( p 1 f ) ，= l 2 。m ； ( 2 9 ) 由每段節(jié)點(diǎn)對(duì)左邊的?！啊焙鸵? + t - 一i ) ，可以計(jì)算出該段節(jié)點(diǎn)對(duì)右邊?！焙?爿( + l - l 。這里的l - i 和f 代表的是段號(hào)。因此： 群= 幫。+ 跺制j i = 0 1 j ，l ( 2 一i o ) = 一。”一贈(zèng)e 臻h = 0 , 1 ，2 1 - 1 ( 2 1 1 ) 上述兩式為蝶形算式其計(jì)算流圖如所示 爿n 劈。1 1 + 群茹 一l 各段中對(duì)結(jié)點(diǎn)h 的序號(hào)不變，故可將計(jì)算出的矗。值存入原來?！? 的地址 里，能夠進(jìn)行同地址運(yùn)算并節(jié)省內(nèi)存這也是f f t 算法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于n = 8 的f f t 而占，當(dāng)? = 1 時(shí)，節(jié)點(diǎn)間距為2 “= l ，系數(shù)嶗= p 1 鏟，h = 0 ， 則為昭= l ，只有一種類型的蝶形運(yùn)算；當(dāng)，= 2 時(shí)，節(jié)點(diǎn)間距為2 “：2 ，系數(shù) 2 f 哪= p 1 f “，h = 0 , 1 ，則為哪、砩，有兩種類型的蝶形運(yùn)算，當(dāng)，；3 時(shí)，節(jié) 2 fl 點(diǎn)間距為2 “1 = 4 ，系數(shù)時(shí)= 口。2 “，h = o ，1 ，2 , 3 ，則為蝶、孵、孵、嘲，又 四種類型的蝶形運(yùn)算。 每段計(jì)算的間距比前一段加倍，每段蝶形運(yùn)算的類型也比前一段加倍，根據(jù) 上述遞推運(yùn)算的規(guī)律，可以編寫出高效的f f t 的程序。比較d f t 和f f f ，對(duì)于 n = 1 2 8 ，d f t 需要運(yùn)算1 2 8 2 = 1 6 3 8 4 次，而f f t 僅需要7 x1 2 8 2 = 4 4 8 次，從而 可以使電力參數(shù)的分析的速度大大提高。 本設(shè)計(jì)中采用的電力參數(shù)中，參照上述公式將電流分解為基波f ( f ) 及各次諧 波分量的形式可以得到： 江蘇大學(xué)顧士擘住論文 = 專m 啦z 旁( 2 - - 1 2 ) k ；上筍i ( n ) s i n ( 2 ，r 旦) ( 2 - - 1 3 ) 6 掃2 吉丟 號(hào)) 由此可以經(jīng)過計(jì)算得到k 次諧波電的振幅、相角和有效值 振幅：= 瓜再歷( 2 - - 1 4 ) 相角：純= a r r a n ( k ) ( 2 - 1 5 ) 有觸璣= 壓= 壓磊( 2 - - 1 6 ) 電壓的計(jì)算方法類似于電流，由于非j 下弦函數(shù)的有效值等于信號(hào)中各次諧波 分量的電流和電壓的有效值分別為 i =。上萍e q 再 ( 2 1 7 ) 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的有功功率一般是指基波有功功率。其定義為 p = 睪r m ) f ( 啪 ( 2 1 8 ) 將u ( t ) 、f ( r ) 分別用傅立葉表示再展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得 p = u o l o + 以 c o s q = 最( 2 一1 9 ) k = i t 異。 同理有無助功率計(jì)算式 功率因數(shù) q = q ( 2 2 0 ) s 妒一p 11 ( 2 2 1 ) ”5 妒2 i 。了雨旺一 2 3 保護(hù)時(shí)限的原理及實(shí)現(xiàn) 過電流保護(hù)是斷路器的一個(gè)重要保護(hù)功能。圊念斷路器應(yīng)具有過載長延時(shí)、 短路短延時(shí)、短路瞬動(dòng)這三段電流保護(hù)功能。 ( 1 ) 過載長延時(shí)保護(hù) 江蘇大學(xué)碩士擘住論文 過載是電力系統(tǒng)中最常見的故障，它是指線路電流高于額定電流的一種不正 常的工作狀態(tài)。過載雖然不會(huì)馬上危及到電網(wǎng)和電氣設(shè)備，但是長期存在的話會(huì) 影響電氣設(shè)備的壽命。 過載長延時(shí)具有斜波特性，及1 2 t 特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 罡瓦= ( 1 5 l ) 2 氣( 2 - 2 2 ) 其中t 為過電流，矗為動(dòng)作時(shí)間，r 為電流整定值，屯為長延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定 值。 由公式可知長延時(shí)保護(hù)具有反時(shí)限特性，其動(dòng)作時(shí)間與故障程度成反比。長 延時(shí)動(dòng)作整定值c 決定了過載保護(hù)長延時(shí)的保護(hù)范圍。對(duì)于過載電流產(chǎn)生的故 障，固態(tài)短路器的關(guān)斷按1 2 t 等于常數(shù)關(guān)系里反時(shí)限特性，可阱實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的斷 路器選擇功能。反時(shí)限保護(hù)的實(shí)質(zhì)是熱保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間和電流平方成反比，我們 可以根據(jù)測(cè)得的過電流倍數(shù)，查表得到動(dòng)作時(shí)間，動(dòng)作時(shí)聞一到，就發(fā)生保護(hù)動(dòng) 作。具體的技術(shù)指標(biāo)為：= ( o 4 一1 ) l tf 。= 1 5 ，3 0 ，6 0 ，1 2 0 , 2 4 0 s 其中為額定電 流值。 ( 2 ) 短路短延時(shí)的特性及其保護(hù)特性 短路短延時(shí)特性可以分為兩段，即反時(shí)限特性和定時(shí)限特性。當(dāng)短延時(shí)電流 整定值小8 ，。時(shí)，斷路器短延時(shí)特性同時(shí)具有反時(shí)限和定時(shí)限保護(hù)特性：當(dāng)短延 時(shí)電流整定值大于8 ，時(shí)，斷路器短延時(shí)特性只有定時(shí)限特性。短延時(shí)的反時(shí)限 保護(hù)和過載的一樣，也是通過查表法判斷是否動(dòng)作。具體的技術(shù)指標(biāo)為： = ( o 4 8 ) ，卸1 ，0 2 ，0 3 ，o 4 s ，其中厶為額定電流值，為延時(shí)時(shí)間。 當(dāng)短延時(shí)動(dòng)作電流在( 1 s ) l 之間時(shí)，短路短延時(shí)呈反時(shí)限特性，數(shù)學(xué)表達(dá) 式如下所示： 霉弓= ( 8 ) 2 ( 2 - - 2 3 ) 其中b 為過電流，露為動(dòng)作時(shí)間- 為電流整定值，為長延時(shí)動(dòng)作時(shí)間 整定值。當(dāng)短延時(shí)動(dòng)作電流大于8 ，r 時(shí)，保護(hù)特性自動(dòng)轉(zhuǎn)換成定時(shí)限特性，這時(shí) 候短延時(shí)的動(dòng)作時(shí)間和電流的整定值無關(guān)，一般有乓= o 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 s 可供選擇。 當(dāng)故障電流大于整定電流值時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，只要定時(shí)時(shí)間一到，就產(chǎn)生保護(hù)動(dòng) 作。在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果故障電流值小于整定值，則保護(hù)退出。短路故障是電力 江蘇丈擘碩士學(xué)住論文 系統(tǒng)不；f 常運(yùn)行的最重要原因，有效切斷故障線路是斷路器的主要功能，同時(shí)又 要保證沒有出現(xiàn)故障的線路正常運(yùn)行，這就是所謂的選擇性短路保護(hù)。對(duì)于具有 選擇性保護(hù)功能的系統(tǒng)，動(dòng)作時(shí)聞的整定應(yīng)該分級(jí)進(jìn)行，主干線上的斷路器短延 時(shí)的動(dòng)作時(shí)州應(yīng)該大于支路上的全分?jǐn)鄷r(shí)間。 ( 3 ) 短路瞬時(shí)保護(hù) 短路瞬時(shí)保護(hù)功能足為了彌補(bǔ)短延時(shí)通斷能力不足束設(shè)置的，它的動(dòng)作特性 為定時(shí)限，固態(tài)斷路器的動(dòng)作時(shí)間一般在i m s 以內(nèi)。利用即采即比的方法c p u 將采集來的電流信號(hào)的峰值和整定值進(jìn)行比較，如果某次的電流信號(hào)峰值大于整 定電流值，則再采樣一次，兩次的結(jié)果相近的話，說明發(fā)生短路故障。如果兩次 結(jié)果相差很大，那么就不是短路故障。 2 4 本章小結(jié) 本蓽介紹了兩種常用電力參數(shù)分析和檢測(cè)方法，其中著重介紹了快速傅立葉 變換( f f t ) 的原理和特點(diǎn)，并對(duì)固態(tài)斷路器保護(hù)功能的原理和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理論 分析，本章是整個(gè)固態(tài)斷路器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章固態(tài)斷路器主電路設(shè)計(jì) 主電路的研究與s s c b 的電壓等級(jí)、裝置容量、控制方式以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 都有密切關(guān)系，主電路的好壞直接影響到固態(tài)斷路器的性能。固態(tài)斷路器主電路 的設(shè)計(jì)主要包括：確定固態(tài)斷路器采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所采用的器件、以及其他一 些輔助電路如器件的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路等等。 3 1 常用主電路結(jié)構(gòu)總結(jié)比較 多年來，隨著電力電子器件的發(fā)展，出現(xiàn)了很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固態(tài)斷路器， 但是其基本結(jié)構(gòu)大多為圖3 - l a 所示的反并聯(lián)，該結(jié)構(gòu)的工作原理是：正半周時(shí) 電流漉過i g b t l ，負(fù)半周時(shí)電流流過i g b t 2 。 圖3 一l a 反并聯(lián)式結(jié)構(gòu)t i f f 3 1 b 橋式結(jié)構(gòu) 圖3 1 b 中的電路與圖3 一l a 的區(qū)別主要在于圖3 一l b 電路的環(huán)流回路采用了橋 式結(jié)構(gòu)，該工作原理是：正半周時(shí)電流流經(jīng)r 1 、i g b t 、r 3 ，負(fù)半周時(shí)電流流經(jīng) r 2 ，i g b t 、r 4 ，固態(tài)斷路器中的i g b t 始終保持導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)減少了全控型 器件的個(gè)數(shù)，尤其在高電壓場合，需要將若干個(gè)器件串聯(lián)的情況下，將明顯減少 所需全控型器件的個(gè)數(shù)，同時(shí)橋式結(jié)構(gòu)將原來的交流控制模式改成了直流控制模 式，使得i g b t 在正常情況下一直保持導(dǎo)通，從而避免了圖3 一l a 結(jié)構(gòu)中所必須的 過零點(diǎn)的檢測(cè)，大大的簡化了控制系統(tǒng)。 單純從固憊斷路器的費(fèi)用考慮，橋式固態(tài)斷路器的優(yōu)勢(shì)非常明顯。但是反并 聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，它明顯增加了器件的數(shù)量，降低了整個(gè)裝置的可靠性，同時(shí)整個(gè) 斷路器的導(dǎo)通損耗也相應(yīng)的增加，提高了對(duì)散熱的要求。 由上述分析可知，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固態(tài)斷路器各有利弊，可根據(jù)實(shí)際需要加 以選擇，本文選擇的是采用橋式結(jié)構(gòu)。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論丈 3 2 固態(tài)斷路器中i g s t 驅(qū)動(dòng)電路的選擇和設(shè)計(jì) 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是屯力電子主電路與控制電路之間的接口，電子裝 置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可 使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)問，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝 置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義1 。另外，對(duì)電力電子器件和整 個(gè)裝置的保護(hù)措施也往往與驅(qū)動(dòng)電路有機(jī)的結(jié)合在一起，通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)， 這使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更為重要。 3 , 2 1i g b t 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求 i o b t 是壓控型器件，柵極輸入阻抗商，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)較為容易。 但必須注意，i g b t 的特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化。 1 隨著柵極正向電壓u c e 的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小。若+ u c e 固定不變時(shí)，通奈壓降隨集電極電流增大而增大開通損耗隨結(jié)溫升高而增 大。 2 隨著柵極反向電壓一u c e 的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變 化不大， g b t 的運(yùn)行可靠性提高。 3 柵極串連電阻r o 增加，將使 g b t 的開通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使i g b t 在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低i g b t 運(yùn)行的安全性和可靠性。 通過以上特性可以看出，一個(gè)理想的i g b t 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備以下基本要求： ( l ) 通常i o b t 的柵極電壓最大額定值為2 0 v ，若超過此值，柵極就會(huì)被擊 穿，導(dǎo)致器件損壞，為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護(hù)。 ( 2 ) i g b t 存在2 5 v 6 v ( t = 2 5 攝氏度) 的開啟電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此開啟電壓 時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其開啟電壓，否則也會(huì) 造成器件損壞，正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)同時(shí)考慮在額定運(yùn)行條件下和一 定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通 態(tài)損耗也越小。對(duì)無短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路而言，驅(qū)動(dòng)電壓高一些有好處，可使器 件在備種過流場合仍處于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取1 5 v 。在有短路保護(hù) 的場合，不希望器件工作于飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流， 對(duì)短路電流保護(hù)有好處。此時(shí)，柵極電壓可取1 3 v 。 正蘇大擘碩士擘位論文 另外，為了減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。i g b t 的柵極等 效為一電容負(fù)載，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。 ( 3 ) 當(dāng)柵極信號(hào)低于其開啟電壓時(shí)i g b t 就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷 時(shí)間，關(guān)斷過程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng) 提供低電阻的放電通路或柵極反抽電路。一般柵極反向電壓取為一( 5 1 0 ) v 。為 了提高i g b t 的抗干擾能力，關(guān)斷后在其柵極加上一定幅值的反向電壓。 ( 4 ) i g b t 柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵 極輸入電容，所以驅(qū)動(dòng)電路需要提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流、電壓額定值越 大，其輸入電容就越大。 ( 5 ) i g b t 是高速開關(guān)器件。在大電流的運(yùn)行場合，關(guān)斷時(shí)聞不宜過短，否則 會(huì)產(chǎn)生過商的集電極電壓尖蜂。柵極電阻r g 對(duì)i g b t 的開關(guān)時(shí)問有直接的影響。 柵極電阻過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會(huì)對(duì)器件造 成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。而柵極電阻過大， 器件的開關(guān)速度將降低，無法滿足固態(tài)斷路器迅速將故障電流斷開的初衷。 ( 6 ) 驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間應(yīng)隔離。由于固態(tài)斷路器中的i g b t 所承受的 電壓和電流等繳較商。因此必須保證驅(qū)動(dòng)電路具有相當(dāng)?shù)碾姼綦x能力。以確保設(shè) 各的正常工作和維修調(diào)試人員的人身安全。驅(qū)動(dòng)電路與柵極之聞的引線應(yīng)盡可能 短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用 光耦器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。 ( 7 ) 輸入輸出信號(hào)傳輸盡量無延時(shí)。這一方面能夠減小系統(tǒng)響應(yīng)滯后。另一 方面能提高固憊斷路器的快速性。 ( 8 1 電路簡單、成本低。 3 2 2 固態(tài)斷路器中蜱i g b t 驅(qū)動(dòng)電路的形式和特點(diǎn) i g b t 是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，根據(jù)電路的隔離方式，i g b t 驅(qū)動(dòng)電路分為兩大 類，一種采用光電耦合，另一種采用脈沖變壓器，兩者都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸及電 路隔離，具體