（电力系统及其自动化专业论文）固态电子转换开关的设计研究.pdf

壅妻奎兰塑主堂堡垒兰 a b s t r a c t a t 触p r e s e n t , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t yh a s r e c e i v e dm o r ea n dm o r ec o n c e r n s v o l t a g ed i pa n db l a c k o u ti sav e r yi m p o r t a n ta s p e c to f t h ep o w e rq u a l i t yw i t h h u g ei n f l u e n c e 、h i c hm a yc a u s ee c o n o i i l i cl o s so rs e r i o u ss o c i a le f f e c t , s oi ti sa nu r g e n tp r o b l e mn e e dt ob e s o l v e dt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y a tp r e s e n t , w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h es e n s i t i v el o a di nt h ep o w e rn e t w o r k , t h e d e m a n do fc o n s u m e r sf o rc o n t r o lv o l t a g ed i pa n db l a c k o u tb e c o m e sm u c hs t r i c t e r a sar e s u l t , d e a l i n gw i t h v o l t a g ed i pa n db l a c k o u t t oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yh a sb e e na no u t - s t a n d i n gp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n to f p o w e r n e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t i o no fp o w e rq u a l i t y , r e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo ft h ef o r m a t i o no f v o l t a g e d i p a n d i t s m e a s u r e m e n t 、t h es t r u c t u r eo f s o l i d - s t a t ee l e c n o n i c s u a n s f e rs w i t c h 、t h e d e t e c t i n ga l g o r i t h m o f v o l t a g ed i p , i ta l s od e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fs o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c st r a n s f e rs w i t c ha n dt h e e x p e r i m e n t a lv e r i f y t h es e c t i o no f d e t e c t i v ea l g o r i t h mo f v o l t a g ed i pi n c l u d e si n t r o d u c t i o no f g e n e r a lm e t h o da n d s i n g l e p h a s ev o l t a g ed e t e c t i v ea l g o r i t h mw h i c hi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ei m p r o v e dv o l t a g ed e t e c t i v ea l g o r i t h m b a s e do na bc o o r d i n a t ec o n v e r s i o nw i t h o u tp h a s e l o c kc 酞u 址a n dt h ep o s i t i v e - n e g a t i v ed u a lr o t a t i n gc o o r d i n a t e s c o n v e r s i o nb a s e dd e t e c t i v ea l g o r i t h mw h i c hi sf a s t e rc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp a r kc o n v e r s i o na r ef i r s t l y p r o p o s e & t h e nt h et w oa l g o r i t h m sa r ev e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h ed e 印r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h eh a r d w a r e c i r c u i to fs o l i d s t a t ee l e c t r o n i c su a n s f e rs w i t c ha r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h ep o w e rs u p p l yc i i u i lc o o lc o n t r o l c i r c u i t , t h y r i s t o rd r i v e ra n dp r o t e c t i o nc i r c u i t , s i g n a lr e g u l a t i o nc i r c u i t , c o n t r o lc i r c u i t , l c dd i s p l a yc i r c u i t 锄 i l l u m i n a t e ds e p a r a t e l y t h es o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c st r a n s f e rs w i t c hi sc o n t r o l l e db yd s po f3 2b i t s t h e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tf o rs o r w a r eo fs o l i d s t a t ee l e c t r o n i c st r a n s f e rs w i t c ha n dt h el o g i cp r o c e s ss u c ha s p r o g r a mi n i t i a l ，s a m p l j j l gi n t e r r u p t i o n , f a nc o n t r o lp o w e rs w i t c ha r ea l s os t a t e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h eh a r d w a r e ， s o f t w a r ea n da l g o r i t h mo ft h ew h o l ed e v i c ea r ev e r i f i e dt h r o u g hd e s i g n e de x p e r i m e n t , t h er e s u l ts h o wi tc a n a c h i e v et h ed e s i g no b j e c t i v e s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c st r a n s f e rs w i t c hh a sg o o du t i l i t ya n dm a r k e tv a l u e , t h i sp a p e rl m t k eac o m p l e t e l y r e s e a r c h0 0t h r e ea s p e c t s ：h a r d w a r e s o f t w a r ea n dt h ed e t e c t i v ea l g o r l t l m , i tw i l lm a k eaf o u n d a t i o nf o r 也ef u m r c p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , v o l t a g ed i p ，s o l i d - s t a t et r a n s f e rs w i t c h , v o l t a g ed e t e c t i n ga l g o r i t h m ，d s p 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志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了谢意。 研究生签e t 期：姐 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签 导师签名：j 譬驰 3 分钟短时间中断3 分钟 i e e es t d 1 1 5 9 1 9 9 5 ： 长时间中断 1 分钟 短时间中断1 分钟 由于故障自动恢复装置( 线路重合闸和备用电源自动投入装置) 在电力系统的应用，才出现了短时间 中断现象。 电压跌落和短时中断的异同点如下： 1 ) 电压跌落和短时间中断一般是相伴发生的动态电压质量问题，共同特征是电压均方根值短时间下降。 在分析和评估中，往往将短时间中断看作是一种特殊的严重跌落现象，但又要有针对性的研究。 2 ) 单一电压跌落事件的损失一般小于i m i n 中断损失，大于l s 短时间中断损失。但由于用户侧电压跌落 次数远大于中断次数，前者至少是后者的6 倍，甚至可高达6 0 0 倍。因此，跌落造成的总损失要大于 中断造成的损失。 3 ) 中断一般只发生在故障线路上，而电压跌落则可能是由于数百公里外的输电系统的短路故障引起的 因此，电压跌落问题比中断更具有全局性。 4 ) 在消除影响上，为减少电压中断发生的次数，一般仅仅需要改造一个馈电系统，而为减少电压跌落次 数则往往需要改造多个馈电系统，甚至需改造远处的输电系统。因此，解决电压跌落问题更困难 1 3 课题的背景 1 3 1 电压跌落发生的频次统计 调查显示： 美国用电客户电压跌落幅值低于o 7 p u 的典型值为1 8 - 2 0 次年，低于0 g p u 的次数为5 0 次，年。 加拿大对工业用户的调查结果是每个用户侧监测点每相每月平均跌落3 8 次。 英国某造纸厂年电压跌落事件次数约3 6 次。 杭州东信通讯移动电话公司2 0 0 3 年上半年就发生了6 - 7 次跌落事件。 从统计中可以看出电压跌落对于电力用户来讲遇到是比较普遍的现象。下面就以具体的事例来讨论电 压跌落的危害 1 3 2 电压跌落的危害 先以汽车制造业为例，汽车制造业是以灵活的自动控制和链式供应生产线管理。因此电压跌落造成的 危害可从以下四个方面体现： 1 )由于无序断电和上电跌落导致损坏部件或加工设备以及数字控制设备需重新设置控制流程。 2 ) 跌落影响机器人电焊工的焊接质量，甚至需要重新回炉或电焊程序的重启。 3 ) 跌落使得喷漆线突然停止，在火炉控制重启前，需要3 0 r a i n 净化空气控制系统。 4 ) 跌落导致停产的更多时间是花费在整个生产线再启动上( 有报道讲，由于4 个周波的电压跌落，需要 7 2 m i n 才能恢复生产线工作，造成损失可达7 0 0 ，0 0 0 5 ) 。 对于别的行业而言，电压跌落造成的影响也是非常巨大的。电压跌落会造成商业与民用建筑中的电梯、 自动消防与报警系统中止工作；塑制品聚合加工业、造纸业、玻璃制造业电力消耗大户，电压跌落会 导致现代化生产线突然停止这就意味着重启前需要数小时清除设备内的垃圾，某玻璃制品厂工频5 个周 期的电压间断，造成损失约2 0 0 ，0 0 0 5 ：对于高价值端客户的r r 、通讯行业而言，电压跌落造成的危害也是 5 东南大学硕士学位论文 非常巨大的，如某计算机中心2 秒的供电中断引起约6 0 0 ，0 0 0 5 的损失，杭州东信通讯移动电话公司一次电 压跌落造成损失达3 。0 0 0 ，0 0 0 y ；医疗器械越来越精密。跌落会引起设各不正常工作从而影响诊断、治疗、 手术进行，甚至危及到病人的生命。另外对芯片生产企业而言，一次电压跌落就意味着一批产品的报废， 而有一些纺织用户对电压跌落的影响非常敏感。如山东滨州的一家纺织厂，该厂采用的是一种通过天然气 火苗去除布匹表面毛刺的技术，要求布匹在火苗山方走过的时间非常精确，而一旦出现电压跌落，布匹在 火苗上方的滚动速度下降就会发生火灾，从而每次电压跌落会造成1 0 0 ，0 0 0 ￥的经济损失。 美国电力公司关于电压跌落造成的平均损失统计如表1 - 1 所示。从表上可以看出电压跌落对电力用户 的危害是非常巨大的。 表1 - 1 美国电力公司关于电压跌落损失的统计 i 现象分类 0 8 p u 0 5 s 电压跌落 1 2 s 短时间中断 | 受影响的用户百分比约5 0 约6 5 1 0 的高价值端用户的损失 2 3 6 0 0 $ 次 4 1 5 3 0 5 ? 灾 l 用户平均经济损失7 6 9 4 $ ，次1 1 0 2 7 $ ，次( 夏季) 表1 2 f l 】为s i e m e n s 公司研究的电压跌落( s a g ) 对现代社会应用较广泛的电子类设备的影响。从表上 我们可以看到，电压跌落( s a g ) 所造成的危害与设各自身的特性以及用户的要求密切相关，因此如何消除 或抑制电压跌落的影响，需要供电方、设备制造方以及用户的协力合作，共同解决。 表1 2 电压跌落对一些设备的影响圆 设备名 电压跌落造成的影响效果 制冷电子控制当电压低于8 0 时，控制器动作将制冷电机切除，导致巨大的经济损失。 嚣 某公司芯片测 当电压低于8 0 时，芯片烧毁，测试仪停止工作，其内部电子电路主板故障。 试仪 可编程控制器早期的产品，当电压低于1 0 时，仍能持续工作1 5 个周期：新版产品，当电压低于5 0 时，p l c 停止工 ( p l c ) 作；而2 年后的另一篇文【9 1 介绍，当电压低于8 1 时j l c 停止工作；一些i o 设备，当电压低于9 0 ， 持续时间仅几个周期，就会被切除 精密机的机械由机器人控制对金属部件进行钻、切割等精密加工，为保证产品质量和安全，工作电压门槛值一般设为 工具 9 0 ，当电压低于此值、持续时问超过2 个3 个周期时，被跳闸。 直流电机 当电压低于8 0 时，直流电机被跳闸，每次损失数量级达1 万美金 调速电机当电压低于7 0 、持续时间超过6 个周期时，v s d 被切除。而对于一些精细加工业中的电机，当电压低 ( v s d ) 子9 0 、持续时间超过3 个周期时，电机就会被跳闸而退出运行 交流接触器 有的研究表明当电压低于5 0 、持续时间超过1 个周期时，接触器被脱扣 计算机 当电压低于6 0 7 6 ，持续时间超过1 2 个周期时，计算工作受到影响，如数据丢失。 精细工业的发展，对电能质量的要求越来越高许多用户都有不同的特殊要求，如浦东新区上海索广映 6 第一章绪论 像有限公司( 生产等离子电视机) 显像管生产线中的p l c 的电压要求不低于8 5 额定电压持续0 0 1 s ：英 特尔中国有限公司( 芯片封装厂) 对电源提出零停电要求，电压不低于8 7 额定电压持续时间o 1 2 s ；华 虹n e c ( 芯片生产厂) 同样提出零停电要求，电压不低于9 0 额定电压持续时间0 0 1 s 。现在越来越多的 用户提出了电能质量的要求，并且一些新用户在建厂前，电能质量满足要求已成为基本前提 1 3 3 电压跌落造成设备无法正常工作的原因 电压跌落往往引起用户电气设备进入到非正常工作区域工作，究其原因主要有： 1 ) 交流电压不足，供应电能不足，导致设备停运；如典型的桥式整流的电源电路。 2 ) 电压低引起设备电源监视回路跳闸，设备停运。 3 ) 电压低引起紧急关闭电路等的速动继电器动作切断电源。 4 )电压暂降恢复时上升脉冲引起设备的复位电路不正确动作，设备重启。 5 ) 电压相角跳变或不平衡电压暂降引起不平衡保护继电器动作，设备停运。 c i r e dk l 2 0 0 2 国际供电会议主席指出，把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要问题。而电 能质量的首要问题是电压骤降，应该作为研究解决的重点( 在用户电能质量问题投诉中，9 0 * , 以上是电压 骤降引起的。据统计和案例反映，造成用电设备异常运行或停电的绝大部分因素是电压骤降问题) 。跌落 是与短时间中断伴随发生，且跌落发生频度高，事故原因不易察觉。供电可靠性反映的是供电中断程度。 一般只考虑持续时间5 分钟以上，有的国家规定为小于1 分钟的电压中断不予计算。电压骤降发生频率高， 有统计数据表示，数十次或上千次年，跌落深度多为4 0 * , 4 ( 0 8 0 6 p u ) 以内，持续时间多小于1 秒钟专家 们认为，电压跌落与中断已上升为最重要的电能质量问题之一，已成为信息社会对供电质量提出的新挑战。 1 3 4 电能治理装置概述 目前在电能质量控制技术中，电力电子装置以其快速可控的特性越来越发挥着重要作用。随着电力电 子技术的进步，在电力系统逐渐形成了两项新技术：输电系统( f a c t s ) 技术， 配电系统( c u s t o m p o w e r ) 技术。f a c t s 装置是借助电力电子技术构成的具有优越电气性能的替代传统设备( 如串并联电 容器、移相变压器、调相机等) 的等效装置，用来进行电压和功率潮流的控制。c u s t o mp o w e r 设备 是新一代应用于配电系统的为重要电力用户提供多模式( 电源，供电网，形态) 高品质电能的电力电子控 制器【2 】。 电力电子技术在输配电系统的应用主要表现在三个方面： 1 ) 固态转换开关( s s t s - s o l i ds t a t et r a n s f e rs w i t c h ) 2 ) 瞬时改变系统( 线路) 等效阻抗( 感性、容性和阻性) 3 ) 动态输出任意频率、任意幅值相位、任意波形。满足电力系统( 发电、输电和配电) 和用电负荷( 设 备) 高效、稳定可靠、经济和高品质运行的需要。 应用电力电子技术，国内外已开发了许多的装置1 2 】。包括：有源电力滤波器( a p f - a c t i v e p o w e r f b t e r ) 和无源滤波器( t f t u n e df i l t e r ) 、电池贮能系统( b f s s b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ) 、配电用静态同步 补偿器( d s t a t c o m d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 、配电用串联电容器( d s c - d i s t r i b u t i o n s e r i e sc a p a c i t o r ) 、动态电压恢复器( d v r - d y n m i ev o l t a g er e s t o r e r ) 、功率因数校正电容器( p f c c - p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc a p a c i t o r ) 、避雷器( s a - s u r g ea r r e s t o r ) 、超导磁能贮存系统( s v i e s s u p e rc o n d u c t i n g m a g n e t i ce n e r g ys t o r a g es y s t e m ) 、静态电子分接开关( s e t c s t a t i ce l e c t r o n i ct a pc h a n g e r ) 、固态转换开关 ( s s t s s o l i ds t a t et r a n s f e rs w i t c h ) 、固态断路器( s o l i ds t a t ec i r e n i tb r e a k e r ) 、静止无功补偿器( s v c s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ) 、晶闸管开关电容器( t s c t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 、不间断电源( u p s - u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ) 、统一电能质量调节器( u p q c - u n i f i e d p o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e r ) 等。 但就治理电压跌落( s a g ) 而言，国内外研制的装置也是种类繁多，如表卜4 列出的装置： 7 东南大学硕士学位论文 表l q 治理电压跌落的主要装置 改进技术装置基本原理应用范围 用于单相小容量的控制器，改善暂降、暂升、长期低 铁磁谐振变压器( c v t s ) 利用铁磁谐振和变压器饱和原理 电压 直流备用储能装置利用电压逆变 单相1 5 k v 中压系统1 0 m v a 等；改善电压哲降、暂升 串联动态电压恢复器( d v r ) 器对负载端电压串联补偿及电压波动 不问断供电电源u p s ( 在线式 利用电池的冲，放电 单相卜5 k v a 中压系统1 0 m v a 等：由选择的u p s 容量决 离线式混合型等)定；改善中断、哲降，暂升、电压波动 利用机械惯性及电机机械动能进 电机发电机装置( 硒)改善暂降、中断等除长时间中断外韵电能质量问题 行电隔离 改善暂降、中断等哲态电能质量问题，适用用于医院、 飞轮储能( f e s s ) 采用飞轮储能与释放 信息中心等场合 超导磁储能装置( s m e s )基于超导磁场的储能与释放典型装置可达8 m v a 的负载容量；改善暂降和中断 利用电力电子开关快速切换备用适用高压、中压和低压系统；改善中断、皙降、暂升、 静态转换开关( s s t s ) 电源( 1 4 周波)长期过电压和低电压 利用真空断路器快速动作，切换适用高压、中压和低压系统；改善中断、暂降、暂升、 快速转换开关( f t s ) 备用电源( 约2 个周波)长期过电压和低电压 根据统计分析在所有的方案当中，s s t s 是性价比最好的一种方案4 1 。因为其它方案如u p s 、d v r 、 f e s s 和u p s 都需要单独设立价格昂贵的大容量储能装置，而且无法应对长时间的供电中断。而现在由于 电力配电阿的建设日渐完备，重要敏感用户大多配备了双路的独立电源，这样只要加装一套固态电子转换 开关( s s t s ) 系统就能达到对电压跌落和瞬时断电很好的治理效果，同时对电压骤升和供电中断也有很好 的效果。 1 4 固态电子转换开关的研究现状 1 4 1 固态开关的结构研究 开关器件作为开关电路的重要部分，长久以来都是电力装置研究的重要课题。传统的机械开关经过长 时间的研究应用，从低电压等级到高电压等级应用已非常广泛，但机械开关的缺点也非常明显，首先需要 很大的灭弧装置，使开关的体积一般都较大，另外由于开断速度受限于机械动作部分。虽然机械开关也有 导通稳定，带负载能力强的特点，但也有非常突出缺点，如断开时常有电弧产生，触头易烧损，在运行中 有噪声，机械电气寿命受到开断次数的限制，开断时间长，难以满足一些电力用户对电能质量的要求。因 此，运用现代电力电子技术设计、研制和改造新型的开关设备。 国外学者后来提出了一种混合式断路器，它是在电磁开关的基础上，利用电力电子器件作为无触头 开关与电磁开关的触头并联，由电磁开关承担稳态过程，而由电力电子器件解决开关的动态过程，两者 形成优势互补。不仅能够快速通断而且结构简单，电力电子器件只在开关开断的瞬间导通，平时几乎没 有损耗，所有省却了笨重的冷却设备。但由于混合式开关里面还是有机械部分存在，使它的通断速度还 是受到一定的限制。 为了提高开关的通断速度，国外研制了电子式固态开关，就是正常工作时，主回路的通断由电力电 子器件完成，机械开关只作为备用通道，因此不再有机械开关来影响通断速度。这种开关在正常工作时， 不产生电弧，也就没有灭弧问题，由于存在管压降，从而产生一定损耗，但换回的却是m s 级的切换速度， 对于一些对电能质量要求严格的敏感用户来讲，这一点是可以接受的。因为固态电子转换开关有其快速 可靠易于维护的特点，从研究开发应用越来越广泛，目前因晶闸管制造技术比较成熟，造价较低，耐压 过流能力强，不易损坏，在制造s s t s 时被广泛应用。典型的s s t s 的结构图如图卜7 所示。现在国外已 经有很多公司推出自己的产品，如g e 、p i l l e r 、m g e 及e 娅 r s o n 等公司，都有自己的系列产品，而且市 s 第一章绪论 场对固态电子转换开关的需求越来越大，f r o s t s u l l i v a n 分析可知，在2 0 0 2 年的固态电子转换开关的 市场已经达到6 4 2 0 万美元。而国内现在s s t s 上的开发较多，如石家庄市联力创佳科技、烟台东方电子 等但大多以低电压小电流为主，作为两路u p s 装置电源切换时使用，在大功率大电流上投入研究较少， 仅少数引进国外技术的公司如深圳恒强科技、无锡韩光电器等公司有产品推出。 主供电源 备用电源 圈1 7s s t s 基本结构图 1 4 2 电压跌落分析算法研究现状 固态电子转换开关是为了快速检测电压跌落，并转换电源达到治理电压跌落的目的。因此电压计算及 检测是关键的环节，算法直接决定了切换的速度和准确性。s s t s 的切换速度和检测精度是一个主要的设计 指标。最理想的检测电压跌落的算法应该是瞬时检测出电压跌落，不管是单项或者三相的。而实际应用时， 往往大多基于傅力叶分析为基础，使得这些方法具有实时性差，运算量大等缺点，并不能适用于转换开关 动态电压检测快速性的要求。所以在电压跌落检测算法上，国内外研究了很多方法，主要以动态检测算法 为主，通过离散量的数据处理达到快速识别电压跌落的目的。动态电压跌落识别方法按照扰动特征量提取 方法大致可分为单一特征值法和变换法两类。其中单一特征值法主要包括如下几种方法：有效值法，如： 三相平方和法、9 0 度法，电压均方根法；变换法分为p - q 变换和小波变换。现在用的比较多的是电压均 方根法和改进p - q 变换法，工程应用比较简单，准确和快速。对于这些算法的优劣将在后面的章节进行详 细的分析。本文重点研究了单相电压跌落算法、改进d 猡变换及正负序双旋转变换法 1 5 本论文的主要工作 本论文主要讨论了与固态电子转换开关设计研究相关的一些问题，论文中各个章节的主要内容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的介绍了一些电能质量有关的概念定义及电压跌落概念、机理有 关的问题，列举了电压跌落造成的影响，固态电子转换开关的研究背景，并介绍国内外治理电压跌落的一 些现状，总结了与固态电子转换开关问题相关的各项研究工作的现状。 第二章主要是介绍固态电子转换开关和机械式开关、混合式开关的各自特点，固态电子转换的开关的 结构和运行方式。 第三章主要讨论了电压跌落算法的一些问遂，列举了一些经典的电压跌落检测算法，并讨论了其各自 的优缺点，根据工程需要重点讨论了改进的单相电压检测算法，并提出了无需锁相的改进妒坐标变换电 压跌落检测算法及正负序双旋转坐标变换检测算法。 第四章是关于介绍单相固态电子转换开关的软硬件设计及实验，硬件设计要包括以下部分：电源部分、 散热系统、晶闸管驱动及保护电路、信号调理电路、控制电路及液晶显示。固态电子转换开关的软件设计 介绍了固态电子转换开关的编程环境，及程序初始化、采样中断、风扇控制、电源转换过程的流程等。实 验环节介绍了通过实验来对算法、显示及控制策略的验证。 第五章对本文进行了总结，提出了今后工作的展望 9 东南大学硕士学位论文 第二章固态电子转换开关的结构及工作原理 本章将介绍固态转换开关的结构和运行方式。固态电子转换开关结构分为两部分，一部分为固态开关 部分，另一部分为转换控制电路部分。 2 1 固态开关和机械式开关、混合式开关的比较 就目前的开关器件而言，大体可分为三类：一类为机械式的电磁接触器，一类为非机械式的固态开关， 另一类为混合式开关，就是既含有机械开关部分又含有固态开关部分。这几类开关都有其各自的优势和劣 势，及各自的应用领域。 2 1 1 机械式开关的特点 机械式开关是通过金属接触器导通电流，接触器在导通时通态电阻极小，损耗小，基本不会发热，因 此不需要专门的散热装置，在大电流场合是开关的理想选择。但是机械开关也存在着一定的不足。首先其 开通关断由于受本身结构的限制，都有较长的动作时间，开关速度比较慢，大容量的机械开关的接触器的 开关时间可达几十毫秒。其次，当接触器触点上通过的电流达到几百毫安，电源电压几十伏，在开关触点 间就会产生电弧。另外，触头在开合过程中，特别是关合短路电路时，当动、静触头问的距离很近，电压 又很高时，触头间很可能由于预击穿而出现电弧，在开合过程中，动静触头接触时，可能发生振动反弹， 也有可能发生电弧。 电弧产生原理：用开关电器切断有电流通过的触点电路时，开关触头刚分离时，触头间的间隙很小， 所以电场强度很高。当电场强度超过3 * 1 0 岳v m 时，阴极触头表面将发生高电场发射( 即在高电场作用下， 阴极金属表面的自由电子被拉出来) ，自由电子在电场作用下向阳极作加速运动。如果自由电子在奔向阳 极的途中碰撞了介质的中性质点( 原子或分子) ，有可能产生碰撞游离( 只要自由电子运动速度足够高， 其动能大于中性质点的游离能) ，使中性质点游离为正离子和自由电子。新生产的自由电子和来自阴极表 面的自由电子一起向阳极作加速运动，使碰撞游离继续进行。因此，触头间隙中充满了大量的自由电子和 正离子，介质中的带电质点剧增，具有很大的电导。在外加电压作用下，触头间隙形成电流，这就是介质 击穿而产生的电弧。电弧由碰撞游离引发后，弧隙的温度很高，弧柱( 电弧的中间部分) 温度可高达5 0 0 0 k 以上。处于高温下的中性介质会产生剧烈运动，它们之间相互碰撞，又会游离出自由电子和正离子，这种 现象称为热游离。在电弧稳定燃烧过程中，电弧电压很小，电场强度也不高，电弧的游离作用是由热游离 维持和发展的。当电弧温度很高时，一方面触头表面会向外发射自由电子( 称为热发射) ，另一方面可能 引起金属触头熔化蒸发，在弧隙中混有金属蒸汽，结果使弧隙的电导增大，电弧将继续燃烧。综上所述， 开关电器触头间的电弧是由于阴极在强电场作用下发射自由电子产生的，而该电子在触头外加电压作用下 发生碰撞游离，使电弧得以维持和发展。这就是电弧产生的主要过程。 由于电弧是导电体，只有将电弧熄灭才能实现电路的断开，而且电弧的温度很高，很容易烧毁触头， 或使触头周围的绝缘材料遭到破坏，如果电弧燃烧时间过长，开关内部压力过高，有可能使开关电器发生 爆炸事故。因此灭弧矢机械式开关的重要组成问题，所以一般机械开关都带有一个体积较大的灭弧室，而 且由于电弧的存在，使机械开关的开断次数和使用寿命受到很大的限制，且维护较为繁琐。 2 i a 固态开关的特点 固态断路器( s s c b ) 是柔性交流输电系统( f a c t s ) 和d f a c t s ( 配电f a c t s ) 中实现对电力系统参和 网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备，也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。随着 配电网容量的日益增大，系统的短路容量也持续增加，这对开关设备的开断能力提出了更高的要求。同时 随着用户对供电质量要求的不断提高。如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落也非常重 1 0 第二章固态电子转换开关的结果及工作原理 要。现有的机械式断路器因受其自身物理结构的制约，其开断容量很难有大幅度提高，并且动静触头分开 时引起的电弧延长了故障电流切除时间”使之难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求，因此 如何限制迅速开断故障电流显得日趋重要。基于电力电子器件的固态断路器因其卓越的电流关断性能使其 自问世以来便引起广泛的关注。 s s c b 是背靠背的将晶闸管并联在一起，形成个交流开关模块，再按额定电压将其串联起来。如图2 一l 所示为s s c b 原理接线图。如果晶闸管是常规的硅整流管( s c r ) ，则开关在交流电流第1 次过零点时断开回 路，这将形成几毫秒的时延，但已可为大部分用途所接受。 电抗器 z n 0 避雷器 1 = 二 - 一 母线 例 溃线 一 一缓冲器卜 图2 - 1s $ c i 原理接线图 与传统机械断路器相比，固态断路器具有开断时间短、无声响、无弧光，无关断死区，寿命长及工 作可靠性高等特点，但是它同时也存在以下缺点： 1 )当电路中有电感或电容时，断路器开断时会产生过电压和过电流，这对电力电子器件提出了裕 度要求，限制了静止型断路器在中高压场合的应用：为解决过电压和过电流问题，往往在电路 中需要引入辅助元件来吸收切换时所释放的能量，但这样会降低断路器切换电路的能力。 2 )因电力电子器件在导通时有一定的压降，随着导通电流的增大，电路消耗在器件上的功率也随 之加大，这导致在大电流状态下工作时，装置必须添加冷却系统，这将极大增加装置的体积。 3 )尽管近年来电力电子器件的价格在逐年下降，但相对于机械式断路器来说，固态断路器的价格 仍旧很高。以上这些缺点极大地影响了固态断路器的推广应用。 所以固态断路器的应用场所一般为低压配电侧，对断路器的开合时间有特殊要求的用户上，达到m s 级的开关速度。 2 1 3 混合式开关的特点 针对机械式开关及固态开关的缺点，有人提出利用机械式开关良好的静态特性，结合电力电子回路 的动态特性而构成混合型断路器( h y b r i dc b ) 。即在机械式开关的基础上，利用电力电子器件作为无触 头开关与机械式开关的触头并联，构成一种综合两者共同优点的新型断路器，其基本拓扑结构如图2 2 ( 以晶闸管为例) 。其工作原理是：合闸时，先触发晶闸管导通，等晶闸管导通后合上主开关k 。断开时， 打开主开关k ，同时触发导通晶闸管，使主回路电流切换到晶闸管电路上，然后停止触发晶闸管，电流过 零时实现电路的断开。主开关k 作为正常工作时的电流通道，固态开关部份只负责断路器通断切换时的 动态换流。与静止型断路器相比较，由于电力电子器件只在开关开断的瞬间导通，平时几乎没有损耗， 所有省却了笨重的冷却设备，只是相对操作复杂了一些“ 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 混合型断路器的拓扑结构 混合式断路器和机械式断路器相比，没有电弧产生电弧，延长了开关的使用寿命，并且省去了大体积 的灭弧室，但操作的复杂性增加了不少，对高电压大电流上的应用还有其局限性。相对固态断路器来说， 没有了通态状态下的断路器损耗，但是由于断路器内部有着机械部分的存在，从而使开关的开合速度没法 达到固态断路器的程度，从而对于开合速度要求较高的场合，混合式开关还是无法取代固态开关的地位。 2 2 固态转换开关的结构 固态转换开关的结构如图2 3 所示，主要结构包含两部分，一部份为开关部分，主要包括两个分别与 主备侧电源相连接的固态开关，另一部分为控制单元及固态开关的驱动单元，其它的q l - q 7 是在固态开关 退出运行状态时起隔离和旁路的作用f 4 1 。 q 4 圈2 - 3 固态转换开关结构图 第二章固态电子转换开关的结果及工作原理 固态开关的开关部件为晶闸管。晶闸管( t h y r i s t o r ) 是具有可控开关特性的半导体器件的总称。它包括 普通晶闸管( 通常称为可控硅) 及各种派生元件，如双向晶闸管、逆导晶闸管、快速晶闸管、光控晶闸管、 可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。在这些器件中出现最早和目前应用最广泛的是可控硅( s i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f l e r , s c r ) 因此习惯上不加说明的晶闸管就指的是普通晶闸管，即可控硅。晶闸管是一种可控的单向 导电开关，其反向始终能承受电压，即具有反向阻断特性：正向则可以有两个稳定的工作状态，即呈高阻 抗工作状态( 简称断态) 和呈低阻抗的导通工作状态( 简称通态) 。控制模块通过控制门极信号的触发， 来使晶闸管在承受正向电压时从断态变为通态，而利用晶闸管电流小于维持电流或承受反向阳极电压使晶 闸管关断。 控制模块的作用是检测主控侧电源和备用侧电源的电压和电流，通过一定的运算过程计算出电源的状 态和做出相对应的逻辑操作，来控制固态开关的触发，以达到检测电压跌落，完成电源切换的目的。控制 模块的主要组成部分如图2 - 4 所示。外围信号包括散热器温度报警信号，固态开关投切信号等。 圈2 _ 4 控制模块结构 固态电子转换开关还有些别的辅助部件，散热器、人机界面和旁路开关等。固态电子转换开关的结 构将在后面的硬件电路设计中具体详细描述。 2 3 固态电子转换开关的运行方式 固态电子转换开关的运行方式如图2 5 所示，而图2 - 6 为p i l l e r 公司的产品实物说明图( 注：该图 为p i l l e r 公司产品说明书引摘) ，可对照参考。如图2 - 5 所示，主供电源和各供电源通过固态电子转换开 关分别接到负载上，运行方式也可以选择热备用和冷备用。热备用方式为主供电源和备供电源分别带几路 负载运行，当其中某路电源出现电压跌落现象，则通过固态电子转换开关把负载全部投切到状态正常的电 源上。冷备用则是正常运行时，负载全部由主供侧电源供电，当主供电源出现电压跌落时，由固态电子转 换开关把负载全部切换到各供侧电源，当主供电源恢复正常状态后，固态电子转换开关再经过一定时间延 时后将负载转切到主供侧。现在用户采用最多的运行方式为冷备用方式，主要优点是利于管理，方便检修， 缺点是要多做一次电源转换。下面图2 7 将说明冷备用的整个做作过程。从图上看到固态电子转换开关的 两个主要的工作环节是检测电压跌落和完成双电源转换，只有实时快速的电压检测算法和完善可靠的控制 策略才能完成。电源转换的关键是一路电源关闭和另一路电源的投运，晶闸管为电源开关的开断部件，它 的快速开通与关断是整个固态电子转换开关性能的关键。而由于晶闸管为半控只能控制基极触发来控制晶 1 3 东南大学硕士学位论文 闸管的导通，却无法控制它的关断。因此，晶闸管的快速关断问题，成为固态电子转换开关设计研究的一 个关键。晶闸管会在两种情况下由通态变为断态： 1 ) 当晶闸管里流通的电流小于其维持电流时。这种情况通常指晶闸管的自然关断，或通过谐振电路通过 反向电流使电路的电流小于维持电流以达到关断晶闸管的目的。 2 ) 当晶闸管承受反向电压时，晶闸管会快速关断。通常利用电容或外部加反压来实现这个条件。以让控 制晶闸管的关断。 图2 - 5 固态电子转换开关的运行方式 圈2 - 6p 几l e r 公司产品实例 1 4 第二章固态电子转换开关的结果及工作原理 在固态电子转换开关中，这两个条件都有用到，在发生电压跌落进行强制转换时，利用条件( 2 ) ，通 过备供侧与主供侧的压差来形成反压，来强迫主供侧固态开关关断，而在主供侧电源恢复正常后，由备供 侧向主供侧切换则采用自然换流方式，在电流过零时转换，即利用条件( 1 ) 。固态电子转换开关的运行方 式灵活，所接的电源的也可以形式多样，备供侧采用的电源可以是系统电源也可以是u p s 或其它储能装置 及供电装置。固态电子转换开关应用的对象也很灵活，可以是单相，也可三相三线或三相四线。固态电子 转换开关的检修维护非常方便，只需要将旁路开关合上，把固态电子转换开关短路掉，然后把隔离刀闸打 开，就可以维护了。固态电子转换开关的温度保护功能非常完善，有大的散热片和风扇及温度继电器，从 而保证装置的电力电子器件不会过热。另外固态电子转换开关还有过压过流等保护及故障自诊断功能，也 可以和上位机通讯，从而形成系统，使用户可以很直观的了解整个用户侧系统的电能情况。 负载 图2 - 7 固态电子转换开关转换过程 负袭 2 4 本章小结 本章主要讨论了机械式开关、固态开关及混合式开关各自的特点及相互的优缺点，和固态电子转换开 关采用的结构和运行方式。机械式可以承受大电流高电压，并且开通状态下损耗小，缺点是速度慢灭弧装 置体积大且寿命短。固态开关的优点