双向Z源直流断路器的研究

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620）

0 引言

在设计分布式直流电网时，要特别注意电气系统的稳定性，以及系统上的独立负载可操控性。为了防止故障对系统的干扰，直流断路器应具有限流功能，尤其当两个微电网的连接时，特别需要双向直流断路器，在正常情况下，不仅会有双向的潮流，而且还需要两侧的限流和断流以隔离直流电网中的故障负载和设备，对电力系统进行管理和控制[1]。

为了保证直流系统供电的连续性和可靠性，要对直流系统进行选择性设计和故障分析，根据短路特性来选择断路器[2]。目前的机械式直流断路器[3]，可以实现大电流分断，但是产生的电弧可能延长故障电流的切除时间，对断路器的寿命和系统整体功能产生影响。全固态直流断路器[4]虽然有很快的关断速度，但对故障检测的响应速度和半导体的保护要求较高，如图1所示。其特点是需要增加额外的传感器设备来检测故障，然后发送信号给控制器再控制全控型半导体关断。这种方法对检测装置的灵敏度和控制器响应速度要求高，如果出现延迟，将给整个系统带来安全隐患，对系统的稳定性和可靠性产生影响。

图1 传统全控型直流断路器结构图

为了克服传统的基于全控型器件的单向直流固态断路器的不足，提出双向Z源直流固态断路器。如图2所示。

图2 双向Z源直流固态断路器拓扑

如图2 虚线框所示，包括一个双向可控硅（TRIAC）和两个Z源阻抗网络，当发生短路故障时双向可控硅能够自动关断，无需外部检测和控制电路，在直流电路的应用中更加方便，安全性更高。

1 Z源网络原理分析

Z源网络结构如图3所示，包括一对LC回路，并联在电感两端的二极管D和电阻R组成电流的吸收回路[5]。由于提出的双向Z源直流断路器中的Z源网络在双向可控硅两侧对称分布，当任一端作为电源输入时，发生短路故障的原理是相同的，下面以断路器左侧为电源端，右侧为负载端进行理论分析。

图3 Z源网络结构图

正常工作时，电流经过Z源网络的两个电感，直流通路中电感相当于导线，电源给Z源网络的两个电容充电，直至电容电压和电源电压相等。通过图4可以看出，双向Z源直流固态断路器开通时，双向可控硅两端的电压迅速跌落，由于电容的存在，开通电流有瞬间的上升，经过600us左右后回到正常工作电流，开通特性较为稳定。

图4 断路器开通时双向可控硅电压电流波形

当系统发生短路故障时，由于Z源网络中有电感电容的存在，LC串联电路会在双向可控硅上产生反向电压，利用零电压周期的原理[6]能够在几微秒内使双向可控硅关断，不需要外部的故障检测电路。暂态情况下，电感将维持电流iL恒定，故障过程中，Z源电容电流iC会一直上升到和电感电流iL相等，此时经过双向可控硅的电流会逐渐减小到零，从而使双向可控硅换流关断，隔离故障，当断路器左侧为电源，右侧为负载时的故障电流路径如图5中箭头所示[7]。

因此双向Z源直流断路器具有以下特点：1）可双向导通使用，在电流自然过零点可以快速分断故障电流；2）电路组成简单，不需要外部设备检测故障电流；3）故障电流不经过双向可控硅。

2 双向Z源直流断路器参数分析

由于双向Z源直流断路器元件对称设计，所以无论电源在左侧还是右侧，原理均相同，根据图2所示电路拓扑，分析当电源从左侧输入，负载在断路器右侧时发生短路故障时的Z源网络和负载暂态电流，规定电流从图2中双向可控硅左侧流入为正向，右侧流入为反向。

当双向Z源直流断路器开通时，经过瞬态响应后开始稳定，由于线路中的电感和双向可控硅（TRIAC）会产生较小的压降，在正常情况下稳态电流为：

其中Uin代表电源电压，uf,TRIAC代表双向可控硅导通时正向电压，Rload代表负载电阻，Ron,TRICA代表双向可控硅开通时的电阻，Rindctors代表电感的电阻。

分析时忽略双向可控硅和电感线路的阻抗压降，则稳态TRIAC电流为：

图6 简化电容电流路径图

考虑故障电流的阶跃变化，故障电流由负载电容Cload和Z源网络电容CZ提供，如图6简化的故障传导路径所示。假设Z源电容C3=C4，当负载故障时，两个Z源网络电容为串联，可以得出如下公式：

忽略电源阻抗，根据分流原理可计算出通过Z源网络电容和负载电容的电流为：

故障暂态与故障阻抗有关，假定故障电导从零线性地向最终故障电导上升，其斜率为：

其中Gfault是故障时的最终电导（Rf的倒数），Δt是上升到最终值的时间。假定电感电流恒定，故障电流可以用负载电压和故障电导斜率表示：

结合式(4)和式(7)，根据KCL可以得到关于负载电容电压的微分方程：

将式(9)代入式(7)可求得短路故障时的暂态电流：

将式(10)代入式(4)可求得通过Z源电容的暂态电流：

根据式(9)可以得出Z源电感的暂态电压：

考虑稳态值，短路故障时电感暂态电流为：

根据KCL定律，结合式(11)和式(13)可计算发生短路故障时通过TRIAC的电流为：

令式(14)为零，得到双向可控硅关断时最小的时间为：

故障暂态时式(16)中：

将式(17)和式(18)代入式(16)可求得：

如果故障电导上升较快，则需要Z源电容值较小；如果故障电导是阶段变化，故障电流可以表示为输出电压乘以故障电导，式(4)可以用来表示Z源电容通过的电流，结合式(2)可得：

则Z源电容的最小取值为：

根据式(14)，可以看出电感电流相对于电容电流在三阶项上的作用，为了满足式(19)的最小电导率K，与电容电流相比，电感电流可以忽略不计，可以得到：

将式(19)代入式(22)，在满足确保电感电流可以安全忽略的前提下得到最小电感：

总之，一体化教学场所的建设不应该搞“一刀切”。对于投入不多、占地不大，需要教室和实训设备同放一处的专业，如计算机相关专业，可以把课桌换成电脑桌，无论是专业理论课还是专业实训课，都可以随时开展教学。而对于投入较多、变化较快、需要大型设备的专业，如汽车相关专业，就不适合设备和课桌椅同放一室，一体化教学场所建设的重点是建设好尽量仿真的实训场地，或者本身就是企业的校内实训基地。

因此，为了保证Z源断路器能够安全开断，Z源网络的相关参数必须满足以上推导出的条件。

3 仿真分析

根据以上分析，使用PLECS软件对双向Z源直流断路器进行短路分断仿真。

具体的仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

按照图2所示，搭建仿真电路，在负载侧并联1mΩ电阻模拟短路，根据表1中的参数，仿真设定在0.1s时触发双向可控硅导通，在0.5s时触发短路故障，此时右侧Z源网络开始响应。

图7 右侧Z源网络元件电压电流波形

由图7可知，当发生短路故障时，靠近负载和故障侧的Z源网络迅速响应，一对串联的LC电路开始发生谐振，电容释放能量，流经电容的电流迅速增大，此时在双向可控硅两端产生反向电压，当电容电流和电感电流大小相等时TRIAC自动关断。

图8 双向可控硅关断时的电压和电流波形

双向可控硅的电压和电流波形如图8所示，在短路经过80us后，双向可控硅两端达到最大反向电压，进入反向阻断阶段，电流迅速降为零，随后进入正向恢复阶段，双向可控硅开始承受正向电压，实现了快速关断的功能，根据基尔霍夫电压定律，当输出电压为零时，串联的电容电压和电感电压会变得相等，并且等于电源电压的一半。之后二极管的电流和电感的电压仿真波形如图9所示，在阶段I时，LC谐振持续到电感电压为负值，二极管开始导通，电流进入L-D-R回路，电容中的电流开始衰落，直至阶段II，电感电压和二极管电流为零，谐振结束。

图9 LC谐振时L-D-R回路仿真波形

由图10可知，当负载短路时，电流快速上升，在双向可控硅关断后，负载电流开始跌落，在2ms左右完全隔离，但是由于左侧Z源网络和电源连接，稳态时电感相当于导线，发生短路故障时，电源侧瞬态电流开始增大，双向可控硅关断后，左侧Z源网络中的电容开始放电，由于两个电容在电源侧放电时为并联结构，所以峰值电流为稳态时电流的两倍，且方向与稳态时电流相反，放电时间取决于电容的大小，因此在设计时应考虑电源侧的瞬态电流，一方面要保证Z源电容的大小能使双向可控硅关断，另一方面也要考虑电源侧故障电流对供电系统的影响。

图10 短路时电源侧和负载侧电流波形

图11 不同Z源参数下负载电流波形

由图11可知，Z源网络中不同的参数对负载短路暂态电流的峰值大小和持续时间有明显的影响，当保持Z源电感恒定时，Z源电容越小，负载暂态电流峰值越小，故障电流持续时间越小；当保持Z源电容恒定，Z源电感越小，负载暂态电流峰值越大，故障持续时间越小，但是当取值不当时也可能造成TRIAC不能自动关断的后果，所以在设计时应该综合考虑负载短路电流的大小和断路器关断时间，在确保TRIAC能关断的前提下，再选择性设计Z源网络。

4 实验验证

根据表2中的数据搭建实验平台，进一步验证前文所阐述的理论和仿真结果。实验电路按图2所示搭建，采用不同的输入电压进行实验，在负载侧并联电阻来模拟短路故障。图12为故障时响应波形。

表2 实验参数

图12 双向Z源直流固态断路器短路时的实验波形

示波器中CH1为双向可控硅电压，CH2为双向可控硅电流，CH3为负载电流，CH4为Z源网络中电容的电流。发生短路故障时，主电路电流发生换向逐步降到零，通过负载的故障电流迅速上升，同时Z源网络中电容开始放电，TRIAC承受反向偏置电压，持续100us后TRIAC关断，随后电容电流进入L-D-R回路，直至放电完成。

图13 双向Z源直流固态断路器参数不匹配时的实验波形

为了验证Z源网络参数设计的影响，将电感L改为10uH，则无法满足式(23)的判据，实验波形如图13所示，发生负载瞬间短路时，电容开始放电，由于参数不匹配，Z源网络电感太小，TRIAC承受短暂的反向电压后，继续发生正向偏置，流经TRIAC的电流并没有完全的关断为零，而是经过瞬间的跌落后继续正向流通，流经负载的电流也在瞬间的上升后，由于没有完全关断，线路中有电感的存在，导致产生振荡，经过一段时间后回到正常工作值。可见，Z源网络参数必须满足关断的基本要求，否则无法完成分断功能。

5 结语

提出了一种双向Z源直流断路器，通过仿真和实验验证，得到如下结论：双向Z源直流固态断路器能够快速的切断故障负载，有效的保护电源，能够承受较大的电流，不需要额外的检测装置，因此可根据系统要求进行级联操作运行；由于TRIAC可以双向导通，双向Z源直流断路器可以应用在双向电流流通的系统，且可以根据系统的要求个性化调整Z源网络参数，动态设计关断时间和峰值电流。

不足之处：断路器需要门极触发信号才能导通，如果负载是不持续开通的，门极信号每次都要触发，且断路器的电流要从零开始，这使得门极控制变得相对复杂，增加了系统风险。