（电力电子与电力传动专业论文）静态转换开关及其新型控制的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , p o w e rc u s t o m e r s r e q u e s to fp o w e rq u a l i t y g e t sm o r ea n dm o r es e v e r e b e c a u s eo ft h ei m p u l s i v el o a d s ，n o n l i n e a rl o a d s 。 a s y m m e t r i cl o a d sa n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t sw i d e l yu s e d ，t h ep o w e rq u a l i t yo fp o w e r g d di sb e i n gd e t e r i o r a t e d ，k i n d so fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a p p e n s f r e q u e n t l y v o l t a g es a gi st h em o s ts e r i o u sp r o b l e m ，w h i c hc a u s e st h a te q u i p m e n t w o r ka b n o r m a l l ya n dl a r g ea m o u n to fl o s se c o n o m i c a l s t si so n ek i n do fe q u i p m e n tb a s eo nc u s t o mp o w e r t e c h n o l o g y , a n di tp r o v i d e s e c o n o m i ca n de f f e c t i v ep l a nf o ri m p r o v i n gt h ep o w e r q u a l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h eb a s ep r i n c i p a la n dm a i nc i r c l eo fs t s ，a n dd e e pr e s e a r c h e do ns o m eo ft h e t e c h n o l o g i e s f o rt r a n s f e rs t r a t e g yan e wm e t h o db a s e do nl cr e s o n a n tc i r c l ei s p r o p o s e d ，w h i c hh e l pt r a n s f e rf a s ta n dq u i c k l yb e t w e e nt w os o u r c e s t h ef e a t u r eo f t h en e wm e t h o di sr e c y c l i n gt h es u r p l u sp o w e r t h r o u g ht h er e v e r s e dt h y r i s t o r , w h i c h r e d u c e dt h ei m p u l s ec a u s e db yp o w e rp o u r e di n t ol o a d ，w i t h o u ts e r i e sc o n n e c t e d d i o d ei nt h ep o w e rc i r c l e ，w h i c ha v o i d e de x t r al o s s e s i nt h ea s p e c to fp o w e r q u a l i t y d e t e c t i o n ，i n t r o d u c e ds o m eg e n e r a la l g o r i t h m sf o rv o l t a g es a g sd e t e c t i o n ，a n dl a y e m p h a s i so nt h a tb a s e do no t p d qt r a n s f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l to fm a t l a b p r o v e dt h a ta l g o r i t h m sb a s e do na 一1 3 1 d qt r a n s f o r md e t e c t sv o l t a g es a gi nr e a l t i m e w i t hl o wc o m p u t a t i o n ，b u ts e n s i t i v et on o i s e sa n dh a r m o n i c s an e w a l g o r i t h mb a s e d o nk a l m a nf i l t e ra n ds h o r tt i m ec o r r e l a t i o nt r a n s f o r mi sp r o p o s e d a n di t sr o b u s tt o n o i s e s ，h a r m o n i c sa n ds m a l lf r e q u e n c yd e v i a t i o n ，a n dd e t e c t sv o l t a g es a g sf a s t p a r t i c i p a t ei nt h ed e s i g no ft h ep r o t o t y p e ，t e s t ss h o w st h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h e p a p e rw o r k sw e l l k e y w o r d s ：s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ( s t s ) v o l t a g es a g k a l m a nf i l t e r t h y r i s t o rp o w e rq u a l i t y n 一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的n 4 忠对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲氇圭，签字隅加肋年弓月夕同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝垄盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢参费、 签字同期：如7 年乡月同 导师签名： 签字同期：z 力f p 年3 月9 同 浙江大学硕士学位论文 1 选题背景和研究意义 电能是现代社会发展重要的物质基础，也是使用最广泛的能源之一。它不仅 经济实用、清洁方便，而且易于传输、控制、转化，在现代社会的日常生活和工 业生产中起着重要的作用。近些年来随着计算机技术和芯片集成的发展，大量基 于计算机系统和和微处理器的电子设备不断涌现，这些设备对电能质量非常敏 感，如一个计算中心掉电2 秒就会损失大量的数据，造成巨大的经济损失；而芯 片生产线如果供电中断几十毫秒，就会导致产品损坏，损失难以估量。为了保证 这些设备能够正常运行，电力用户电能质量提出了很高的要求。然而随着各种冲 击性、非线性、非对称性负荷和电力电子设备的不断增加，电网的电能质量受到 了污染0 , 2 】。为了能够解决电能质量的需求和现状的矛盾，越来越多的专家学者， 以及政府部门开始注意并研究电能质量问题，对电网进行综合治理，提高电网的 电能质量，解决电能质量问题成为了研究的重点。这对工业发展和经济进步具有 重要的意义。 1 1 电能质量问题 1 1 1 电能质量及其标准 电能质量( p o w e r q u a l i t y ) ，从普遍意义上讲就是优质供电。但是直到今天，人 们对电能质量还没有一个统一的认识。这主要是由于关注角度有所不同。比如供 电部门关注电压、频率的合格率、供电可靠性等指标；而电力用户则更重视电能 是否能使生产设备正常运行。电气与电子工程师协会( i e e e ) 将电能质量定义 为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其他相关装置相协 调的方式驱动、保护电子装置 。 电压质量问题根据持续的时长不同，可以分为稳态与暂态两类。稳态的电能 质量问题以波形畸变为主要特征，包括：过电压( o v e rv o l t a g e ) 、欠电压( u n d e r v o l t a g e ) 、三相电压不平衡( v o l t a g eu n b a l a n c e ) 、谐波( h a r m o n i c ) 、间谐波 ( i n t e r h a r m o n i c ) 、频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) 以及噪声( n o i s e ) 。暂态的电能质 量问题以频谱和持续时间为主要特征，包括：电压暂升( s w e l l s ) 、电压暂降( s a g s ) 、 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：、电压瞬变( t r a n s i e n t s ) 、电压波动和电压闪变( f l i c k e r s ) 、 电压缺e l ( n o t c h e s ) 、暂态谐波( t r a n s i e n th a r m o n i c s ) 。 浙江大学硕士学位论文 西方发达国家对电能质量的研究主要集中在暂态电能质量问题、稳态电能质 量问题、三相电压不平衡、波形畸变、电压波动和闪动、频率偏差六个方面。目 前世界上很多工业发达国家都已制定并颁布实施了符合本国情况的国家标准。随 着对电能质量认识的不断发展，各国制定的电能标准正在向国际电工委员会 ( i e c ) 推荐标准靠拢。 我国对电能质量研究起步较晚。2 0 世纪8 0 年代以前，以电网的频率、电压 和功率因数为研究对象；随着负荷大量增加和对电能质量的要求增高，谐波、电 压偏差、三相不平衡度、负序和电压波动及闪变等已经引起了人们的重视；最近 几年，人们对电能质量的认识和要求有了进一步提高，暂态电能质量参数已经引 起了人们的注意。我国在参考了i e ce m c 一6 1 0 0 0 系列标准和电气与i e e es t d 标 准后，颁布符合我国国情的电能质量系列国家标准，包括供电电压允许偏差， 电压允许波动和闪变，公用电网谐波，三相电压允许不平衡度、电力系 统频率允许偏差暂态过电压和瞬态过电压等标准。 1 1 2 电压暂降 电压暂降( s a g s ) ，又叫电压跌落、电压骤降，属于短时电能质量问题。i e e e 对电能质量的定义是：电压有效值下降至额定值的1 0 0 p 9 0 ，持续时间0 5 个周 期至1 分钟。电压暂降的持续时间较短，但是危害很大。由于以往的大多数用电 设备对短时的电压问题不敏感，因此电压暂降并没有引起人们的关注。但是随着 工业生产技术的发展，大多数很多精密的设备被广泛的使用。比如电脑，可编程 逻辑器件等设备，极大地提高了生产效率。但是这些设备对电能质量非常敏感， 即使是短时间的电压问题也可能导致设备的异常工作。比如当电压低于6 0 ，持 续2 4 0 m s 以上时，会造成计算机工作异常如数据丢失；直流电机在电压低于8 0 的时候被跳闸；芯片测试仪在电压低于8 5 的时候停止工作，芯片、主板被烧毁。 而由此产生的经济损失更是难以估量【3 5 】。据介绍，由于一次电压暂降而使某生 产线重新启动需花费5 0 0 0 0 美元；某玻璃制品厂工频周波的电压中断，造成损失 约2 0 0 0 0 0 美元；某计算机中心2 s 的供电中断引起了约6 0 0 0 0 0 美元的损失。据 统计，在欧洲和美国，电压暂降受到的关注远高于其他电能质量问题。在电力用 户投诉的电能质量问题中，8 0 以上是电压暂降引起的【6 1 。因此，电压暂降被认 为是最严重的电能质量问题。 浙江大学硕士学位论文 电压暂降发生的原因有：输配电系统发生短路故障，感应电动机启动、雷击、 开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时。其中，雷击、短路故障和感应 电动机启动是引起电压暂降的主要原因。不同原因引起的电压暂降有不同的特 点。统计表明，雷击引起的电压暂降占很大比例。由于电力系统中的很多设备都 是露天工作的，雷电很容易影响电力设备的正常工作，引发电压暂降。特别是在 雨水和雷电较多的地区，因雷击引起的电压跌落约占总数的6 0 左右，持续时间 超过5 个周期。系统短路故障也会引发电压暂降，其中系统单相对地短路引发电 压暂降的现象较多。这类短路故障的发生，同时可能导致几百公里内的电网发生 电压暂降，危害较大。根据距故障点距离的不同，暂降的程度也不同。通常暂降 后电压有效值下降至额定值的3 0 以下。此外，大容量感应电机在启动时也会引 的电压暂降。感应电动机的用电量约占电网总负荷6 0 以上，感应电动机启动时， 定子电流可以达到额定电流的数倍，从而引起所接母线发生电压暂降。由感应电 机的启动而引发的电压暂降，其严重程度与电机容量、启动方式等因素有关。这 种暂降的持续时间较长，但暂降程度一般较小，不会对用户造成严重的影响。 电压暂降虽然持续时间短，但是发生频率较高，且影响面积大，常常给工业 生产带来巨大的损失。因此，对电压暂降的研究成为了近年来的热点。 1 2 电能质量问题的补偿方法 为了积极应对电能质量问题，不少的专家学者相继提出了各种电能质量补偿 方法。n g h i n g o r a n i 博士在1 9 8 8 年提出了用户电力技术c u s t o mp o w e r 的概念， 1 9 9 6 年日本学者正式提出了与上述概念相似的f r i e n d s ( f l e x i b l er e l i a b l ea n d i n t e l l i g e n te l e c t r i ce n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ) 。这两个概念的实质是一样的，通过在 中低压配用电系统中充分运用电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技 术，从而提高供电可靠性。将用户电力技术与配网自动化技术结合起来，不仅能 满足一般用户对电能质量的要求，也能满足敏感负荷对供电质量的严格要求，适 应了工业发展的需要。 基于用户电力技术的新型的电能质量补偿器包括补偿电网波形畸变的设备 包括有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t * a p f ) 、功率因数校正器( p o w e rf a c t o r c o r r e c t o r - p f c ) ，静止同步补偿器( d i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r - d s t a t c o m ) 。固态断路器( s o l i ds t a t eb r e a k e r - s s b ) 、动态电压恢 一1 一 浙江大学硕上学位论文 复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r - d v r ) 、统一电能质量控制器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n t r o l l e r - u p q c ) 、不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y u p s ) 、静 态转换开关( s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h s t s ) 等。其中针对电压暂降进行补偿的设备 有d v r ，u p s 和s t s 。d v r 根据电网的实时运行情况，能够在毫秒级的时间内输 出相应幅值和相位的补偿电压，从而抑制电网电压骤升、骤降、波动等干扰对负 载的损害。u p s 主要用于提高信息处理系统的供电可靠性，其输出是恒频恒压的 正弦电压，即使电网电压小幅上升或下降它也把负载从电网脱开而独立供电，对 大容量负荷来说要配置的u p s 成本会很高。s t s 主要是用电子开关或固态开关 代替传统的机械式开关来调节变压器、投切电容组或转换配电设备等，具有速度 快、可靠性高等特点。 1 3 s t s 的研究现状和应用 s t s 于1 9 7 1 年首次应用于商业中，在之后的3 0 年里又有了长足的发展， 现在已经广泛的应用与低压中小功率领域，并不断向高压大电流领域发展7 9 】。 很多公司都推出了s t s 产品，包括c y b e r e x 、e a t o n 、m e r s o n 、d a n a h e r 、 g e 、深圳恒强等。目前s t s 在机房供电系统中应用最广。爱默生网络能源就为 广播电视行业的供电系统提出了一套基于s t s 和u p s 的供电方案，该供电方案 具有高可靠、可维护、易扩展、智能控制、成本低廉等特点，其可靠性能够达到 9 9 9 9 9 9 9 。 国外对s t s 的研究起步较早，主要集中在以下几个方面： 1 双电源切换策略。现有的s t s 大多以晶闸管作为开关元件，因此晶闸管的 快速关断技术是s t s 的双电源切换的核心。 2 电压暂降检测算法。传统的电压暂降检测方法是基于顺势无功理论的d q o 变换。对于三相三线制的供电，d q o 变换能够快速有效的检测到电压暂降的发生， 但是大多数电压暂降往往发生在两相之间，且伴随着三相不平衡的问题，d q o 变 换检测失效。因此对单相电压的检测方法是近年来的研究重点。 3 s t s 系统评估。主要是评估在各种情况下两路电源的切换时间。s t s 的切 换标准时在4 m s 之内完成电压暂降的检测和双电源切换，但是研究表明，切换时 间受多种因素的影响，难以保证4 m s 完成切换。因此不少文献通过仿真和实验的 方法，研究s t s 系统最长的切换时间，为工业应用提供依据。 一4 一 浙江大学硕士学位论文 国内对s t s 的研究起步较晚，文献较少。在相关领域有一些研究，主要集中 在电压暂降检测算法。 1 4 本文所作的工作 本文介绍了s t s 的基本功能和原理，在此基础上对s t s 中的几个重要技术 做了分析研究，并提出了自己的方案，并进行了仿真对比。最后在一台小功率的 s t s 样机上对几个技术方案进行了验证，收到了较好的效果。所作的具体工作有： 对现有的s t s 切换策略进行了研究，在此基础上提出了一种新的切换方法。 并对该方法和现有的方法进行了m a t l a b 仿真对比。 对常见的电压暂降方法进行了研究，并进行了m a t l a b 仿真和对比。在此 基础上提出了基于卡尔曼滤波的电压暂降检测方法。 参与了s t s 样机的硬件和软件设计，并最终对样机进行了测试。测试内容包 括晶闸管特性，s t s 两路单相电源的切换特性以及电压暂降检测算法。 浙江大学硕士学位论文 2 s t s 的工作原理 2 1 s t s 的功能和结构简介 s t s 是一个两入一出的设备，两个输入端分别接首选电源、备用电源，输出 端接用电设备。通常来讲，两路电源可以是u p s u p s ，u p s 发电机，u p s 市电， 市电市电等任意两路电源的组合。s t s 的功能可以等效看做一个具备电能质量 检测功能的单刀双掷开关，如图2 1 。s t s 主动检测两路电源的电压情况，当首选 电源电压正常的时候，s t s 将用电设备与首选电源相连接，由其负载供电；如 果检测到首选电源发生故障，为保证对负载供电的连续可靠，按照先断后通的原 则，在若干毫秒内将供电切换至备用；当首选电源故障修复后，再切换至电源1 。 它在系统中是一个单点故障点，即使上游的电源再可靠，只要s t s 故障，都能 导致负载断电，所以其特点是高可靠性、冗余性、高成本等。 目前的静态转换开关大都是数字控制式，人们习惯把数字型静态转换开关 ( d s t s ，d i g i t a ls t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) ，简称为s t s 。 首 图2 1s t s 功能示意图 电源 s t s 的硬件系统如图2 2 ，主要包括以下几个部分： 双向晶闸管及其驱动和检测电路。双向晶闸管是s t s 的主功率部分，串联在 电源与负载之间，实现交流电源向负载的双向供电。采用半导体器件代替传统的 机械开关作为功率器件，导通损耗会增加，但是在使用寿命，切换时间等方面优 势明显们。采用半导体器件做开关，在开通和关断是不会产生火花，避免了可能 对负载造成的冲击性影响；机械开关易产生疲劳，寿命短，而半导体器件寿命可 6 一 浙江大学硕士学位论文 以长达十年以上；传统的机械开通则至少要数百毫秒，半导体器件开关速度则在 微妙级，线路的切换通常在若干毫秒内可以完成，完全可以满足s t s 快速切换 的要求。而晶闸管相对其他相同功率等级的半导体器件，具有低成本、易驱动、 过载能力强、高可靠性的优点，非常适合应用于s t s 这种可靠性要求高的设备。 双向晶闸管的门极驱动由相应的驱动电路来实现。由于双向晶闸管的工作状态正 常与否，关系着s t s 以及下游负载的安全，因此需要实时的检测晶闸管的各种 工作状态，包括导通、阻断、短路故障和开路故障。对晶闸管的检测由相应的检 测电路完成。 图2 2s t s 结构示意图 数字信号处理平台。这是s t s 硬件系统的核心部分，主要功能是：( 1 ) 采集 电压、电流信号，实时检测电能质量。对s t s 来说，需要实时检测电压的幅值， 当检测到电压暂降、暂升或者中断的发生，及时进行切换以保证对负载的不间断 可靠供电。( 2 ) 输入晶闸管驱动电路的使能和禁止信号，实现安全快速的切换逻 辑。s t s 在切换过程中，需要严格禁止两路电源间的环流，同时要尽可能的保证 切换过程快速完成。这就需要数字信号处理平台提供安全快速的切换逻辑。通常 来讲，检测电能质量和两路电源切换过程的时间总和( 切换时间) 应该在8 m s 以 内。( 3 ) 检测晶闸管的工作状态。晶闸管的检测电路输出特定的信号，由数字处 浙江大学硕士学位论文 理平台通过这些信号判断晶闸管的工作状态。( 4 ) 控制人机界面，实现在线的参 数调整，完成手动切换。 数字处理平台是s t s 中的核心部分，它的可靠性直接影响这s t s 整机的可 靠性。在某些可靠性要求很高的场合应用s t s ，为了提高可靠性，需要对数字处 理平台进行冗余。目的是采用合理的冗余方案，在成本增加不大的基础上，大幅 - 提高其可靠性。 机械开关。仅在进行设备在线维护的时候使用。比如当双向晶闸管1 需要维 护时，关断相应机械开关1 、2 ，闭合开关3 ，这样就可以在负载不断电的情况下， 完成设备的维护。在两路电源切换的时候不操作机械开关。 浙江大学硕士学位论文 3 基于晶闸管的s t s 切换技术 3 1 概述 晶闸管( t h y r i s t o r ) ，又叫晶体闸流管，可控硅整流器( s i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e 卜 s c r ) ，是一种三端的半控型半导体器件，包括阳极( a n o d e ) a 、阴极 ( k a t h o d e ) k 和f - 极( g a t e ) g 。晶闸管的耐压较高，电流容量较大，且过载能力强， 具有工作稳定可靠的优点。 晶闸管为单向导通器件，只有在门极存在触发电流，而且承受正向电压的时 候，晶闸管才能导通。承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不 会导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即使关闭门极触发电流，晶闸 管仍然会继续导通。只有当晶闸管的电流下降到维持电流( 接近零的一个数值) 以下，晶闸管才能关断。 g a j i i g 耄 本 ai k b )c ) 图3 1 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a ) 外形b ) 结构c ) 电气图形符号 由于晶闸管的可靠性较高，因此非常适合作为功率器件用在s t s 中。但普通 晶闸管不能通过门极关断，而一定要等电流过零，这就限制了s t s 的快速切换 过程。当s t s 需要从首选电源切换至备选电源的时候，最简单的切换方式是先 关闭首选电源的晶闸管门极驱动，等待电流自然过零后晶闸管关闭，再开启备用 电源的晶闸管，使之为负载供电。这种切换方式切换时间较长，无法满足敏感负 载苛刻的供电要求。为此，需要有新的切换方法，使s t s 能够在更短的时间内 完成切换，真正实现“无缝”切换，同时要保证两路电源之间不会发生环流。 浙江大学硕士学位论文 s t s 的切换策略从电路结构上大致可以分为两类，一类是无辅助关断电路的 换流策略，另一类是用l c 谐振电路辅助换流的策略。 3 2 无辅助关断电路的换流策略 早期的s t s 没有辅助关断电路，依赖对晶闸管的门极操作实现双电源切换。 电路如图3 2 。图中首选电源的电压和线电流分别是v 州和i + p r i ，备用电源的电压和 线电流分别v a l t 和i a j t 。电流过零策略是最简单的切换策略，先关闭首选电源的晶 闸管t i p 和t l n 门极驱动，等待电流砩自然过零后晶闸管关闭，再开启备用电源 的晶闸管，使之为负载供电。这种切换策略安全可靠，不会产生两路电源之间的 环流。但是由于切换时间较长，很难满足敏感负载的供电不间断要求。 12 p a 儿ii 图3 2s t s 原理图 3 2 1 强制换流策略 强制换流策略，即在晶闸管自然过零之前，加反压迫使其关断，实现快速切 换1 1 6 1 。以图3 2 所示的s t s 电路为例，其切换过程如下： 1 关闭t i p f f i n 的门极驱动； 2 检测首选电源线电流k 的方向，以此判断当前导通的是哪个晶闸管。如果 i 州 o ，那么可以确定当前导通的是t i p 。 3 检测两路电源的压差v 。i l - v 一，并适时开通备用电源侧的晶闸管，使当前导 通的晶闸管承受反压并关断，之后换流完成。例如当t l p 导通时，在v 舯v 矿0 时 开通t 2 p 几n ，可以便t l p 快速关断。 这种强制换流的策略，先开启通备选电源的晶闸管，使得首选电源的晶闸管 浙江大学硕士学位论文 受反压关断，因此又被称作m b b ( m a k eb e f o r eb r e a k ) 1 4 1 。 强制换流的策略，触发备用侧晶闸管的时机是v 扩iv p r i 和i p r i 同符号，如图3 3 。 如果异号切换会导致两路电源并联，这在s t s 中是严格禁止的。从切换时间方 面来讲，这种策略比电流过零策略切换时间短，能够通过给晶闸管施加反压使之 快速关断。但是切换时间受负载功率因数、两路电源的相位、幅值等多种因素的 影响，难以保证最短的切换时间【1 3 】。从安全性方面来讲，电流过零策略采用先断 后通的逻辑，保证了换流的安全性和可靠性；而强制换流策略可能因为以下一些 原因而导致失败【1 2 】： 1 两路电源的电压相差太大，切换时晶闸管的反向电流很大，可能损坏晶闸 管。 2 t l p 受到反压时间过短，没能及时关断。 2 换流过程中i 州改变方向。 图3 3 强制切换策略的切换时刻 综上所述，电流过零策略安全性高，但是切换时间较长，难以满足某些敏感 负载苛刻的供电要求；而强制换流策略虽然在多数情况下切换时间较短，但是切 换时间仍然受到功率因数、两路电源的相位差和幅值的影响，最大切换时间可能 会长达1 0 m s 【1 4 】，因此实时性不能满足要求，且存在着切换失败的可能性。 3 3 有辅助关断电路的换流策略 通过以上分析可以看出，电流过零策略和强制切换策略，特点是电路结构简 单，但切换时间不能满足某些敏感负载对电压的苛刻要求。为了缩短切换时间， 提高切换的可靠性，达到“无缝安全的切换目的，就需要在s t s 中加入辅助 一l l 浙江大学硕士学位论文 电路。 3 3 1 l c 谐振换流电路 图3 4 是加入了l c 谐振换流电路的s t s 原理图。其中t l r ，l r ，c ，的串联 电路与t l p 并联，组成了t i p 的辅助换流电路，目的是先将首选电源侧晶闸管换流 至谐振换流电路，再由谐振换流电路换流至备用电源。图中省略了备选电源侧晶 闸管的辅助关断电路。由于切换过程时间较短，通常在2 m s 以内，因此可以假 设两路电压v 州和v 。i 。以及负载电流i l o a d 近似不变。采用l c 谐振换流电路后的 切换过程可分为以下几个阶段【1 7 】： 图3 4 带l c 谐振换流电路的s t s 阶段l ( t 0 t 1 ) ：，t l p 和t l n 门极驱动开启，并由首选电源向负载供电。c ， 上存在初始电压v o ，t l r 门极驱动关闭，处于正向阻断的状态。 阶段2 ( t 1 t 2 ) ：当某一时刻需要切换到备选电源时，首先通过电流i p r i 判断 当前导通的晶闸管；假设切换时t l p 导通，那么立刻关闭t l p 和t l n 的门极驱动， 开启t l r 的驱动。t l r 由正向阻断进入导通状态，c ，和l r 发生谐振，谐振电流i l r 逐渐增大，t i p 的阳极电流i i p 逐渐减小，由t i r 和t i p 共同承担负载电流i l o a a 。 阶段3 ( t 2 t 3 ) ：当i l p 下降至维持电流以下后，t l p 关断，由l c 换流电路承 担负载电流，c ，持续放电。 阶段4 ( t 3 t 4 ) ：在t 3 时刻备用电源侧的晶闸管t 2 p 出现正向偏压并触发。受 线路上寄生电感的影响，l c 谐振电路和备用电源之间开始了一个过程短暂的换 流，i 2 p 增加，i l r 减小。 阶段5 ( t 4 ) ：当i 州减小至零时，t l r 电流过零关断。而i 甜。等于负载电流i l o a d ， 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 由备用电源独立为负载供电。至此从首选电源到备用电源的切换结束。 驱动 信号 阳极 电流 负载 电压 t ot 1t2|3 1 4 图3 5 切换时序和主要的电流波形 阶段1 阶段3 阶段2 1 3 阶段4 浙江大学硕士学位论文 阶段5 图3 6 切换时的电路状态 这种辅助关断电路，需要电容c ，上有足够的初始电压来保证t l p 的关断。设 计时需要按照可关断的最大电流来选择初始电压v o 。然而在轻载切换的时候， 电容上的多余能量会注入到负载端，形成一个电压尖峰。而在感性负载的时候， 这个电压尖峰更加突出，这对晶闸管和负载都是不利的 1 8 , 1 9 。 3 3 2 桥式l c 为了进一步减少l c 谐振关断电路的无源元件，文献例提出了桥式l c 换流 电路，电路图见3 7 。该电路只用了一组l c 元件就可以对t i p 和t l n 两个晶闸管 进行关断。进一步降低了整机的成本。其切换过程与普通的l c 谐振换流电路类 似。 一1 4 浙江大学硕士学位论文 图3 7 桥式l c 换流电路 3 3 3 带有馈能二极管的l c 谐振换流电路 在l c 关断电路中，谐振电容上的多余能量注入线路引起负载的电压尖峰， 这对晶闸管和负载，特别是敏感负载是不利的。通常采用瞬态抑制二极管 ( t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o r , t v s ) 来保护负载不会被过高的电压尖峰损坏，尽管 如此，电压尖峰依然没有从根本上消除。 文献 1 8 , 1 9 j 提出了带有馈能二极管的l c 换流技术，被应用于双向直流晶闸管 中。其电路如图3 8 ，图中省略了备用侧晶闸管的l c 电路以及线路阻抗，切换时 序和主要波形见图3 9 ，切换时的电路状态见图3 1 0 。其切换过程包括： 图3 8 带有馈能二极管的l c 辅助换流电路 阶段1 ( t 0 - t 1 ) ：晶闸管t l p 、t l n 被触发，其他晶闸管全部阻断，首选电源 向负载供电，正向电流流过t l p - d l p 。谐振电容c ，存在上正下负的初始电压v o 。 阶段2 ( t l - t 2 ) ：某一时刻需要切换至备用电源时，关闭t l p 和t l n 门极驱动， 触发t l r 。t l r 由正向阻断进入导通状态，c ，和l t 开始谐振，谐振电容电压v 。逐 渐减小谐振电流i l r 逐渐增大，t l p 的阳极电流i l p 逐渐减小，由t i r 和t i p 共同承 担负载电流i l o a d 。 阶段3 ( t 2 - t 3 ) ：l i p 下降到维持电流以下后t i p 进入阻断，d l n 开始导通，c ， 和l r 继续谐振，v c 持续下降；谐振电流i l r 一部分流入负载，另一部分通过d i n 流回电容。 阶段4 ( t 3 t 4 ) ：t 3 时刻d i n 受反压关断。此后负载电流i l o a d 全部流过辅助关 一l s 浙江大学硕士学位论文 断电路。 阶段5 ( t 4 - - - t 5 ) ：t 4 时刻t 2 p 出现正向偏压，这时触发t 2 p 和t 2 n 。负载电流 由t 1 r 换流至t 2 p 。 阶段6 ( t 5 ) ：t 5 时刻i m 下降至0 ，i 2 p 等于负载电流i l o a d ，之后t l r 关断。切 换过程结束。 该换流方法增加了馈能二极管d l n 和d 1 p ，从根本上解决了负载端的电压尖 峰问题，同时只用一对l c 电路就可以完成双向换流，节约了无源元件。缺点是 在主功率电路中多串联了一只二极管，增加的整机的损耗，还需要增加散热设备 的成本。 驱动 信号 阳极 电流 负载 电压 图3 9 切换时序和主要波形 阶段1阶段2 浙江大学硕士学位论文 阶段3 阶段5 阶段4 图3 1 0 切换时的电路状态 3 4 一种新型的l c 谐振辅助换流电路 阶段6 l c 谐振换流电路，或者桥式l c 谐振换流电路，会把电容上多余的能量释放 到负载端；而采用带馈能二极管的l c 谐振电路技术，增加的通态损耗。本文提 出了一种新型的l c 谐振换流技术，通过反向的晶闸管吸收了电容上的多余能量， 又避免了在主功率回路中串联二极管。 3 4 1 工作原理 本文提出的新型l c 谐振换流电路结构与图3 4 相同。切换时序和主要波形 见图3 1 1 ，各个阶段的电路状态见图3 1 2 。对晶闸管t 1 p 的换流过程大致可以分 为以下几个阶段： 阶段l ( t 0 t 1 ) ：负载电流流过t l p 。此时t l p 和t l n 的门极驱动信号开启， 其他晶闸管的门极驱动关闭。谐振电容c ，上有初始电压v o 。 一 阶段2 ( t l t 2 ) ：开启t i r ，这时c ，和l r 开始谐振，谐振电流i i r 上升，t i p 的阳极电流i l p 逐渐减小，由t l r 和t i p 共同承担负载电流i l o a d 。 浙江大学硕士学位论文 阶段3 ( t 2 - t 3 ) ：t 2 时刻谐振i 1 r 等于i l o a d 时，即i 1 p 下降到0 的时候，t 1 n 开 始导通。强制关断电路的电压被箝位至0 ( 忽略晶闸管导通时的正向压降) ，谐 振继续。期间关断t l p 和t l n 的门极驱动，关断t i r 的门极驱动。 阶段4 ( t 3 - t 4 ) ：i l r 经过谐振电流峰值i 础后开始下降。t 3 时刻谐振电流i l r 下降并等于i l o a d 时，i l n 下降至0 ，之后t l n 反向阻断，负载电流全部流过t i r 。 阶段5 ( t 4 - - - t 5 ) ：当t 2 p 两端出现正向电压后，开启t 2 p 和t 2 n 驱动。负载电 流开始由t l r 换流至t 2 p 。 阶段6 ( t 5 ) ：t 5 时刻i l r 下降至0 ，i 2 p 等于负载电流i l o a d ，之后t l r 关断。切 换过程结束。 驱 信 阳 电 负载 电压 t lt 2t 3t 4t 5t 图3 1 1 切换时序和主要波形 阶段l阶段2 浙江大学硕士学位论文 阶段3 阶段5 阶段4 图3 1 2 各个阶段的电路状态 阶段6 通过以上分析可以看出，该换流方法的特点是：换流开始后并没有立刻关断 t l p 和t l n 的驱动，当i l p 过零后，谐振电路中的剩余能量通过t i n 流回电容，在 t l n 馈能的这段时间内关断t l p 和t l n 的驱动。由于在t l n 馈能过程中负载电压被 箝位在v p f i ，所以负载端不会产生电压尖峰。用反向的晶闸管t l n 代替了串联 在主功率回路中的馈能二极管d l n ，优点是减小了通态损耗。 上述t l p 的换流过程中，一个前提条件是负载电流不变。假设在阶段2 或者 阶段3 中负载电流方向改变，那么t l p 的阳极电流过零关断，接着t l n 开始导通， 直到下一个负载电流过零点。这种情况会导致换流失败。为了确保切换成功，作 者提出在开通备用侧晶闸管之前，由t l n 的端电压判断t l n 是否导通。如果检测 到端电压大于某个门限值，那么可以确定t l p 和t l n 已经关断，可以开启第二路 晶闸管。如果检测到t l n 的端电压始终维持在某一个门限值以下，那么可以确认 t l n 已经导通，那么接着触发t l n 的l c 谐振电路，进行第二次切换。由于可能 需要第二次切换，因此该换流方法需要两套l c 元件。完整的切换过程如下： 一l o 浙江大学硕士学位论文 1 检测电源电流，并判断当前导通的晶闸管，并开启对应的辅助晶闸管进行 换流。 2 主动检测首选电源的晶闸管关断与否。可以通过晶闸管的端压判断晶闸管 是否关断。 3 当检测到晶闸管两端出现明显的压降时，说明晶闸管已经关断。再去检测 备选电源的开通条件是否满足：v a i t v l o a d 4 如果在一定时间内，晶闸管t l n 两端电压始终近似相等，那么认为关断失 败，负载电流流过t l n ，这时对t l n 进行换流。 3 4 2 参数设计原则 该换流方法与前述的带馈能二极管的换流方法基本原理是一致的，设计 l ，c ，v o 的参数时，可以参照文献【1 9 l 的主要设计步骤。 3 1 3 2 式中：江晶闸管安全关断系数； 卜负载电流系数 ，p 晶闸管阻断恢复时间 厶n 厂一负载电流最大值 不同型号的晶闸管有不同的t q ，为了得到准确而可靠的t q 值，通常需要用实 验的方法进行测试。6 t q 的意义是晶闸管受到反压的时长( 阶段3 ) 。6 t q 越大，晶 闸管关断越可靠。t 1 i m 戤为谐振电流峰值，较大谐振电流峰值有助于晶闸管的可 靠关断。v o 是谐振电容的初始电压，由于采用辅助开关电源为电容充电，因此 v o 的可选范围比较灵活。选择较小的v o ，那么设计出参数c ，较大，l r 较小。由 于电流峰值i d c a l ( 是一定的，感值小的电感更不易饱和。实际操作时可根据具体参 数，综合考虑成本、体积等因素，选择适当的v o 。 在这种新型的辅助换流方法中，正确操作各个晶闸管的驱动时序是很重要 的。关闭t l p 和t l n 驱动的时刻t a 要在t l t 2 之间。可以将关闭时刻选择谐振电 流峰值的时刻，即 浙江大学硕士学位论文 铲仁赢 3 - 3 t l 时刻换流开始后，如果t l p 和t l n 端压在定时间t d 2 内明显大于零，那 么可以判断换流成功，反之换流失败。由于t l n 导通的时长( t 2 t 3 ) d x 于半个谐振 周期，因此可以设定t d 2 - t l 略大于半个谐振周期，即 f d 2 一t 1 = 面1 厉1 3 - 4 3 5 s t s 切换的m a t l a b 仿真 两路电源的幅值、相位、频率完全一致，均为有效值2 2 0 v ，频率5 0 h z 的标 准正弦波，满载电流有效值4 0 a 。分别采用不带馈能二极管的l c 谐振换流方法 和新型的l c 换流方法进行切换。为方便描述，后文分别称作方法1 和方法2 。 仿真1 ：负载为纯阻性负载，4 5 m s 时刻分别采用方法l 和方法2 在满载情况 下由v 州切换至v a n o 仿真波形见图3 1 3 。方法1 切换过程开始后，负载端会产 生一个电压尖峰，这个尖峰约为4 0 v ，它提供了t l p 关断所需的反压。当负载端 电压v l o a d 小于备用电源电压v a l t 时，开启t 2 p 和t 2 n 驱动，t 2 p 导通后负载电源 等于v a j t 。当首选电源侧的线电流l 。p r i 下降至0 时切换完成。由电流波形可以看出， 完整的换流过程持续0 4 m s 。采用方法2 ，切换过程中负载端没有电压尖峰，而 是产生了一个几十微秒的短暂凹陷。由于反向的晶闸管t l n 导通馈能，因此谐振 电路中的能量没有释放到负载端。谐振电容持续放电最终使t i n 受反压关