（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的桥式固态断路器.pdf

江苏大学硕士擘位论文 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 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密i l 。 学位论文作者魏君甲峙 签字日期：b 1 年二月f 争日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 导师签名 翻痊 签字日期：p 0 年f 月7 v 日 电话 邮编 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 才f 峰 日期：嗣年占月 妒 日 江苏太学硕士擘位论文 第一章绪论 随着我国社会的发展和国民经济的增长，电能的作用越来越大，对电能的需 求也在日益增加，电力系统越来越大，结构越来越复杂，我国2 0 0 5 年底总装机 容量达到5 1 亿千瓦，发电量达到2 4 万亿千瓦时，发电和装机容量均居世界第 二位，预计到2 0 0 6 年底，将达到5 8 7 亿千瓦l 为了满足远距离及大容量电能输 送的要求，输电电压等级越来越高。同时使得电力系统和输电技术也得到了迅速 发展，能高效、洁净地生产、传输、储存、分配和使用电能的技术将成为未来电 力技术的主导发展方向其特征是： ( 1 ) 高效洁净的发电系统 专家们预测未来的发电系统应当对环境实际上没有影响，即不仅不排放二氧 化硫等有害气体，还具备脱硝、除尘等功能。 ( 2 ) 高度可靠的输配电系统 随着电力系统规模的扩大、负荷密度和用户重要性的增加，电力系统事故的 后果更严重，因此对输配电系统的可靠性要求不断提高。 ( 3 ) 对环境友好的输配电系统 未来的输配电系统必须满足环境保护的要求，把线路和变电站可能产生的电 磁干扰、静电感应、噪声、电磁场的生态效应、以及对景观的影响降低到最低限 度。 ( 4 ) 提供可靠、优质、个性化服务的配电系统 随着计算机、微电子设备等敏感设备的广泛采用，用户对电能质量要求越来 越高。例如生产大规模集成电路的工厂，即使是电压的瞬时下降或升高，均可导 致严重的后果。未来输配电系统必须满足重要用户对电能质量的要求。 ( 5 ) 灵活开放的输配电系统 电力行业面临着改革政策法令允许实行趸售托送，发电厂和电力用户可以 根据协议通过电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体即发电厂和电力用 户问电力交易的渠道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求。由于大范围的 电力交易，使线路的负载普遍增加，有的线路的负载己接近稳定极限，需要在强 化电网、提高系统稳定性的同时提高电网的灵活性和开放性。 江苏大擘硕士学位论吏 1 1 电力系统的短路电流故障 电力系统的短路是指电力系统正常运行情况之外的一切相与相之间或相与 地之间的短接，导致的原因是绝缘受到破坏。引起破坏的原因有多种：电气设备 绝缘材料的自然老化、机械损伤，雷击引起过电压，自然灾害引起杆塔倒地或断 线，鸟兽跨接导线引起短路，运行人员误操作等。 短路往往会造成十分严重的后果“，主要有： ( 1 ) 电流急剧增加。短路时的电流要比正常工作电流大得多，严重时可达 正常电流得十几倍。大型发电机出线端三相短路电流可达几万安甚至十几万安， 这样大的电流将产生巨大电动冲击力，使电气设各变形或损坏，同时会大量发热 使设备过热或损坏。有时短路点产生的电弧可能直接烧坏设备。 ( 2 ) 电压大幅度下降。三相短路时，短路点的电压为零。短路点附近的电 压也明显下降了，这将导致用电设备无法正常工作，如异步电机转速下降甚至 停转。 ( 3 ) 可能使电力系统运行的稳定性遭到破坏。电力系统发生短路后，发电 机输出的电磁功率减少，而原动机输入的机械功率来不及相应减少从而出现不 平衡功率，这将使得发电机相互闻的角度差越来越大，这就可能引起并列运行得 发电机失去同步，破坏系统的稳定性，引起大片地区停电。 ( 4 ) 不对称短路时系统中将流过不平衡电流，会在临近平行的通信线路中 感应出很高的电势和很大的电流，对通讯产生干扰，也可能对设备和人身造成危 险。 为了保证电气设备安全可靠地运行。减轻短路的影响，重要的是应努力设法 消除可能引起短路的一切原因，而一旦短路故障发生，首先应尽快切除短路部分， 使系统电压在较短的时闻内恢复正常值。这就需要采用快速动作的断路器等装 置。 1 2 断路器 断路器是用来接通和断开电路的电气设备。其主要任务是：在正常工作情况 下可靠地接通和断】_ l = 电路；在改变运行方式时灵活地进行切换操作；在系统发生 2 江苏太学硕士学位论支 故障时迅速切除故障部分，以保证非故障部分的正常运行；在设备检修时隔离带 电部分，以保证工作人员的安全。断路器的种类很多，按照灭弧介质可分为油断 路器、空气断路器、真空断路器、六氟化硫断路器和磁吹断路器等。 随着配电网冲击性、非线性负荷的日益增多，系统的短路容量也在不断的增 加，这就对开关设备的开断能力提出了更高的要求。同时，用户对供电质量的要 求也在不断的提高，如何快速切除短路电流以抑制故障期间电压的跌落、中断等 故障已显得非常重要“1 。现有的传统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 迫切要求出现一种能限制、迅速开断故障电流的断路器。 1 3 几种现有的固态断路器的比较 7 0 年代末，出现了一些用晶闸管器件傲开断元件的特殊断路器，由于这种断 路器中投有机械运动部分，又成为固态断路器( s o l i ds t a t ec i r c u i tb r e a k e r ) ，最早 的固奎断路器包括两种基本类型：在电流第一次自然过零时开断的单环( s i n g l e l o o p ) 断路器：以及在第一次自然过零之前通过转移回路产生人工高频零点的限 流断路器。理想的固态断路器有以下优点： 1 大幅度提高开关速度，达到“s 级。提高了系统的稳定性； 2 准确控制开关时刻： 3 使用寿命长，不受开关次数限制； 4 能限制故障电流； 5 无触头、机构、灭弧室，减少了故障率。 8 0 年代以来，电力电子技术和徽电子技术在各自发展的基础上又重新结合 在一起，在电力半导体器件的设计中大量采用微电子的加工工艺和集成制造技 术，从而诞生了多种全控型器件。3 ，如：门极可关断晶闸管g t 0 、绝缘栅极晶体 管$ g b t 等。这些全控型器件由上万个单元胞组成并联集成，在功能上实现了自关 断，从而避免了传统电力电子器件关断是所必需的强迫换流电路。 随着电力电子器件的飞速发展，固态断路器所采用的功率元件及其主电路结 构都经历了很大的变化“”，电力电子器件的快速发展也使柔性交流输电的设 江苏大学硕士擘位论文 想成为现实。近十年来，普通晶闸管、可关断器件的开断能力不断提高。目前， 1 5 0 m m 直径的晶闸管的耐压已达到8 k v 1 2 k v 的水平，通过电流已达到1 0 k a 以 上。1 0 k v ，1 0 k a 的可关断晶闸管( g t o ) 元件已有商品。单个电力电子器件的 开断能力已达到8 0 m w1 0 0 m w 的水平，使电力电子开关用于高电压、大功率 的输配电一次系统成为可能。 1 3 1 基于品闸管的带换流电路的固态断路器 。二譬。 鹾f m 1 3 2 基于g t o 的固态断路罂 在中高电压场合，固态断路器常采用额定电压和额定电流相剥较高的g t o ， g t o 是晶闸管的一种派生器件，但是其关断原理及关断方式截然不同。这是由于 在被导通后，普通晶闸管处于深度饱和状态，而g t o 只能达到临界饱和，因而当 门板加反向触发信号时g t o i i p 可自行关断。目前，美国西屋电气公司1 9 9 5 年研制 的g t o 强迫空冷户外式固态断路器( 1 3 8 k v ，6 5 0 a ) 安装于新泽西州p s e & g 变 电站运行，这一类型的固态断路器也是目前唯一投入高压场合中实际运行的固态 4 江苏走擘硕士擘住论文 一 图1 2 基于g t o 的圊态断路器 由于g t o 是全控型器件，因此由它构成的固态断路器能在任何时候关断，但是通 态损耗较高，所需驱动电路功率高，庞大的保护及缓冲电路不但增加了其运行费 用，而且还使装置复杂，降低了装置的可靠性。加之其过载能力低，不能持续 导遥故障电流，而只能在故障电流到达其最大关断值前关断，因此固态断路器无 法实现与下游断路器的整定配合。 1 3 3 混合型断路器 以往的固态断路器由于通态损耗过大、需庞大的冷却系统及相对于机械式断 路器价格过高等缺点，针对此缺点，出现了一种真空断路器良好的静态特性，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 d dc b ) - i s 。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1 3 所示。 图1 4 混合型断路器 其工作原理是：当系统正常运行时，固态断路器断开，真空断路器闭合，完 成导电通流任务。当系统发生故障时，由事故检测和控制回路向真空开关发出分 闸脱扣信号，同时给g t 0 发出导通脉冲信号，随后真空开关分闸，短路电流在电 弧电压的作用下经过一定的时问全部转移至g t o ，然后g t o 再断开。混合式断路 器有效地结合了传统断路器通惑损耗小、固态断路器开断速度快等优点，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 江苏走擘硕士学位论文 耗，所以省却了笨重的冷却设备。研究表明“，该装置可在i m s 内将6 0 k a 的预期 故障电流限制在1 0k a 以内，限流效果非常显著，这不但减轻了故障电流带来的 电磁应力和热应力，而且可使电压跌落在瞬间恢复，有效消除了电压跌落对其他 负荷的影响。但是混合式断路器结构复杂，不利于控制，当真空开关断开时有电 弧产生。这不但磨损了开关触头，影响真空断路器的寿命，而且较长时间的电弧 电流转移不但威胁着o t o 的安全，又限制了g r o 快速开断故障电流的能力，同时 其成本可能比普通的固态断路器还高，只能作为一种过渡方案。 1 4 固态断路器与f a c t s 柔性交流输电技术( f a c t s ) 是2 0 世纪8 0 年代后期由美国电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 博士提出的一种全新的 技术概念，其本质是利用电力电子技术和控制理论，实现对交流输电系统参数和 网络结构的灵活控制，合理分配输送功率并降低功率损耗，大幅度提高系统的稳 定性和可靠性“”“。f a c t 设备主要包括：静止无功发生器( s v g ) 、快速可控串 补装置( t c s c ) 、振荡阻尼器( f r d ) 、统一潮流控制器( c p f c ) 、有源电力滤波器 ( a p f ) 和固态断路器s s c b 等装置。 1 4 1f a c t s 产生的背景 由于电网结构日益复杂、运行任务日益繁重、环保要求日益严格等原因，电 网运行在发达国家中产生了一系列凼难1 ： 1 由于输电可控性能很差，功率分布中的自由潮流和负荷变化很大。 2 由于输电网缺少快速控制手段，在功率输送过程中常造成“功率绕送” 和“功率倒流”情况。此外。还有大量输电受限制的“瓶颈”环节。 3 交流输电线需要经常投切以改变电网结构或断开故障，但目前只能依 靠机械型断路器。而这种断路器速度慢、维修量大，是形成暂i 奁稳定问题严重的 重要因素。这也是输电可控性差的主要原因之一。 4 由于负荷和电力市场的需求以及环境问题的日益严峻，获得能多送电力 的新建输电线的走廊更加困难等原因，使已有输电线的负担同益加重，输送能力 不足的矛盾日益突出。输送能力主要受制于暂态稳定或动态稳定极限，因此，对 6 江苏大学硕士学位论文 提高输送能力的有关技术措施的需求也日益骚追。 f a c t s 技术的出现正适应和满足了上述情况的需求。其效果主要体现在提 高了输电网潮流流向的控制能力以及输电线输送能力两个方面。因此，这项新技 术正逐渐引起世界各国的广泛注意和重视。 1 4 2 同态断路器在f a c t s 中的作用 f a c t s 要实现对电力系统参数和网络结构的快速灵活控制，s s c b 是其中最 关键的控制设备”“”。这是因为s s c b 控制的是整个电力线路的投切，开关时刻 的选择和开关动作的快慢等因素将影响到电力系统的稳定和可靠性，而f a c t s 的其他器件只是调节线路的某些参数和性能而己。因此对固态断路器的研究有十 分重要的意义。 固态断路器在f a c t s 中的用途相当广泛：当s s c b 和s t a t c o n 配合起来 一起使用时，可提供优质电力“：当两台s s c b 分别与两条电源馈线相连而向 一个重要用户供电时，可利用s s c b 能在一个周期内快速完成切换的髓力向用 户提供不问断电源，这就是固态转换开关( s s t s ) 。，用作转换开关的固态断 路器常采用的是晶闸管，这是因为晶闸管能在短时间内承受一定值的过电流而不 至于损坏，同时其导通压降也非常低。当s s c b 同限流电抗器或电阻器组合在一 起，s s c b 就能在配电系统中迅速插入限流装置以防止来自大短路容量的过大故 障电流”“；母联断路器是用来当故障发生时隔离母线之问的联系，目前使用 的多为熔断器，这些熔断器必须都是一次性的，必须经常更换，采用固态断路器 作为母联开关不但可以快速的切断故障，而且可以反复使用”1 。采用固态断路器 投切电容器可以克服老式( 采用机械开关投切) 无功补偿装置投切时产生的瞬变 过程，提高响应速度，延长电容的使用寿命”“1 。 图l - 4 表明了固态断路器在f a c t s 中的用途。 ， 江苏大擘硕士擘位论文 一赌 h 巫卜 转换开羌 断路器带s 1 a t c o n k ) f i 煎荷 盱 巨圃i 譬负特 h 哥 软启动器 人人 g 唰陕g l _ _ 哥 li 圈ii 蛭 图卜4 崮态断路器在f a c t s 中的应用 1 5 固态断路器研究的现状和发展趋势 负荷 国外对固态断路嚣的研究起步较早，美国马尔文市大功率电力电子器件厂已 经制造出1 5 k v 6 0 0 a 的s s c b 的样机，可在4 m s 内完全关断。西屋公司与e p r i 合作于1 9 9 5 年研制的强迫空冷户外式断路器，已经安装于新泽西州的p s e & g 变电站，英国也研制出了了1 3 k v 的配电s s c b 。“。 国内高校和科研单位也曾对该领域进行了一些研究。浙江大学本世纪初在国 家自然科学基会的资助下，研制了一套采用i g b t 的具有短路限瘴保护的固态开 关“1 。但是，国内s s c b 研制水平还处于低电压、小电流的试制水平，采用的器 件的容量较小。 随着半导体技术的飞速发展，出现了许多可应用到大功率领域的电力电子器 件，这些器件的出现将对s s c b 的实用化研究起到极大的促进作用。我国在浚领 8 江苏太学硕士学位论之 域起步较晚，应该加紧在这方面的研究。 总结国内外的研究成果，未来固态断路器发展的主要趋势有： 1 ，s s c b 开关特性的研究，针对不屙的负荷和短路故障情况，通过实验和理 论分析，比较与传统断路器动作特性的区别，掌握s s c b 的工作规律； 2 研究不同电力电子器件( g t o 、i g b t 、i g c t 等) 构成的s s c b 的开关 特性，确定s s c b 样机采用的基本器件： 3 大功率电力电子器什串并联及其门极同步驱动技术的研究； 4 研究与限流装置相结合，组成固态限流器( s s f l ) 。 1 6 本文主要研究的内容 本文主要研究固态断路器的设计和应用，本课题的主要任务是：借鉴国 内外研制固态断路器的经验，研制一种性能更加完善并具有一定实用性的固 态断路器，以适应电力系统f a c t s 发展的需要。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 研究通过f f t 对电力系统参数的分析和测量方法，研究固态断路 器的保护原理和方法： ( 2 ) 研究固态断路器的主电路，分析反并联和桥式两种结构的固态断 路器的优缺点，研究固态断路器中器件的串联使用、缓冲电路等，并在此基 础上完成吲态断路器主电路的设计； ( 3 ) 为了实现固态断路器控制系统的复杂功能，研究采用d s p 和m c u 双c p u 架构的固态断路器控制系统电路，以替代传统的采用一个微处理器 的控制系统架构，并在此基础上完成相关的软件框图设计； ( 4 ) 搭建固态断路器仿真和实验电路，利用m a t l a b s i m u l i n k 对其应用 进行仿真，并与实验结果迸行对比，以验迂固态断路器的性能： ( 5 ) 对全文工作进行总结并对下一步工作做出展望。 9 江苏大学硕士学住论更 第二章固态断路器的保护原理 为了实现断路器的智能化，这不仅要求固态断路器能够提供传统断路器的各 种保护和控制功能，而且能够实时显示电路中的各种参数( 电流、电压，功率、 功率因数等) ，也可以设定和修改各种保护功能的动作参数。若干个固态断路器 通过互动网络可组成智能配电系统，实现遥测、遥信和遥调等功能。而实现上述 功能的前提，就是采用合适的算法，对电力参数的进行准确、快速测量，这对于 实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。 大多数保护算法的计算可视为对信号中参数的估算过程，对算法性能的评价 取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某次谐 波分量的精确估计值”。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计 算精度、响应时间和运算量。这三者之间往往是相互矛盾的，因此应根据保护的 功能性能指标( 如精度、动作时间等) 和保护装置硬件条件( 如c p u 的运算速、 存储器的容量等) 的不同，采用不同的算法。 2 1 采用有效值变换进行电力系统参数的分析与检测 狂非止弦情况p ，相电沉、相电压的有效值定义为： ，= 据f 产破，u = 辱r 砌 ( 2 - 1 ) 在对电流电压采样时，每个周期采样n 点，采样间隔为d 瓦，得到理想化采样序 列 、慨 ，则有 扛牿五= 扛军枫( 2 - - 2 ) 若疋恒定为a t ，电流电压的有效值为： 卜居军后军( 2 - - 3 ) 其它的电力参数如下： 有功功率j d = ( 2 4 ) o 江苏犬学硕士学位论文 视在功率s = u ( 2 5 ) 无功功率q = 拈2 一p 2 ( 2 - - 6 ) d 功率因数c o s o = 丢( 2 - - 7 ) o 该方法的精度与采样的点数n 和采样的同步度有关。在系统速度允许的情 况下一般一个周波可采样几百个点，非同步采样误差与失步度成正比，而且和计 算首点有关。当计算首点值最接近有效值时，非同步采样误差最小。该算法实时 性强，算法简单，能够计及信号中商次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐 波参数值的情况下，可以选用此算法。 2 2 采用快速傅立叶变换( f f t ) 进行电力系统参数的分析与检测 傅里叶变换法是将离散的采样值经过离散傅晕叶变换( ( d f t ) 转换到频域，求 出基波和谐波分量，再求有效值及功率，实际使用中可以采用快速傅罩叶变换 ( f f l ) 以提高运算速度。该算法不需增加硬件滤波装置，就具有很强的滤波能力， 这样减少了前向通道误差，降低了系统成本，适合于进行电力线路的继电保护、 谐波分析。但傅立叶算法复杂，运算量大，传统的单片机芯片难于满足系统对实 时性的要求。在本设计中，控制器采用的是先进的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， 为了提高c p u 的利用率，本漫计选择的是傅立叶算法。 快速傅立叶( f a s tf o 、】r i e ft r a n s f o r m ) 只是离散傅立叶变换( d f t ) 的改进 算法。同时，快速傅立叶变换的采样点数是由运算的过程决定的，对于n 点采 样，通常取n = 2 m ，i t l 为芷整数。由于n 为偶数则可将 工 分为由偶数和基数 点组成的两个序列来计算，即： e = z w + 工时( 2 8 ) n 月得 月岢数 当n 为偶数时，令n = 2 r , 即由偶数点的采样序列组成新序列 正， ； 当n 为奇数时，令n = 2 r + l ，即由奇数点的采样序列组成新序列( 石。l ； 经过上述变换，就可将原一个d f t 转换为两个序列d f t 。f f t 算法的实质 就是不断地把长序列地d f t 分解成几个短序列地d f t ，并利用跖的周期性和 对称性来减少d f t 的运算次数。f f t 算法有很多种，晟常用的f f t 是基2 f f t ， 江苏走擘顾士学位论文 并且有编写得相当精练的子程宁供开发人员使用。f f t 一般分为倒序和递推两个 步骤。 倒序算法可由下述步骤实现： i 将n ( n - 2 “，m 为整数) 个自然编号的十进制数每隔一个挑出来一个， 分尉组成两组一次排列： 2 将每组的十进制分别每隔一个挑出一个，再分别分为两组依次排列； 3 如此重复，共进行m - i 步，将一个序列分为n 2 组，即可完成。 最后得到的十进制序列，恰好为二进制倒位排列的十进制数序列。对于n = 8 、 m = 3 的情况，倒排序列过程如表所示。 二进制原序列工 倒序过程 二进制倒序片 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 ) 在上表中右边为倒序的二进制表示，下边一个数总是上边一个数在最高位加 1 得到的，但是要作反向加法，要从晟高位向低位进位。上述倒序的规律也是编 写倒序程序的依据。 递推运算过程的规律足编写递推运算程序的依据。咀n = 8 、m = 3 为例，并令 爿”= 丘、五。k 丘、矗”= 、一”= 忘、矗”= 宾、”= 矗、矗”= 危、”= 戽， 则相应的8 点基2 f f t 完整的流程如图所示。 由图中f f t 递推运算的流程图可以看出，这个过程分为m = 3 段，每段芪有 n 2 = 4 个节点对。以i = 1 2 j n ，每个节点对的间距则为2 。1 。将每段的算式分成 节点对来计算，则可以得到简单的算式形式，各段各算式的系数分别为 江苏大学硕士学位论之 2 f l f 2 f 2 f 哪= e 1 百“= ( e 1 。广，引= p 1 铲：0 1 i ；j ) 5 。则可以归纳出统一的形式： 碟= ，育6 = ( p 1 f ) ，= l 2 。m ； ( 2 9 ) 由每段节点对左边的矗“”和一( + t - 一i ) ，可以计算出该段节点对右边矗”和 爿( + l - l 。这里的l - i 和f 代表的是段号。因此： 群= 帮。+ 跺制j i = 0 1 j ，l ( 2 一i o ) = 一。”一赠e 臻h = 0 , 1 ，2 1 - 1 ( 2 1 1 ) 上述两式为蝶形算式其计算流图如所示 爿n 劈。1 1 + 群茹 一l 各段中对结点h 的序号不变，故可将计算出的矗。值存入原来矗“1 的地址 里，能够进行同地址运算并节省内存这也是f f t 算法的一个优点。 对于n = 8 的f f t 而占，当? = 1 时，节点间距为2 “= l ，系数崂= p 1 铲，h = 0 ， 则为昭= l ，只有一种类型的蝶形运算；当，= 2 时，节点间距为2 “：2 ，系数 2 f 哪= p 1 f “，h = 0 , 1 ，则为哪、砩，有两种类型的蝶形运算，当，；3 时，节 2 fl 点间距为2 “1 = 4 ，系数时= 口。2 “，h = o ，1 ，2 , 3 ，则为蝶、孵、孵、嘲，又 四种类型的蝶形运算。 每段计算的间距比前一段加倍，每段蝶形运算的类型也比前一段加倍，根据 上述递推运算的规律，可以编写出高效的f f t 的程序。比较d f t 和f f f ，对于 n = 1 2 8 ，d f t 需要运算1 2 8 2 = 1 6 3 8 4 次，而f f t 仅需要7 x1 2 8 2 = 4 4 8 次，从而 可以使电力参数的分析的速度大大提高。 本设计中采用的电力参数中，参照上述公式将电流分解为基波f ( f ) 及各次谐 波分量的形式可以得到： 江苏大学顾士擘住论文 = 专m 啦z 旁( 2 - - 1 2 ) k ；上笋i ( n ) s i n ( 2 ，r 旦) ( 2 - - 1 3 ) 6 扫2 吉丢 号) 由此可以经过计算得到k 次谐波电的振幅、相角和有效值 振幅：= 瓜再历( 2 - - 1 4 ) 相角：纯= a r r a n ( k ) ( 2 - 1 5 ) 有触玑= 压= 压磊( 2 - - 1 6 ) 电压的计算方法类似于电流，由于非j 下弦函数的有效值等于信号中各次谐波 分量的电流和电压的有效值分别为 i =。上萍e q 再 ( 2 1 7 ) 电网监测中的有功功率一般是指基波有功功率。其定义为 p = 睾r m ) f ( 啪 ( 2 1 8 ) 将u ( t ) 、f ( r ) 分别用傅立叶表示再展开，并考虑正弦函数的正交性，可得 p = u o l o + 以 c o s q = 最( 2 一1 9 ) k = i t 异。 同理有无助功率计算式 功率因数 q = q ( 2 2 0 ) s 妒一p 11 ( 2 2 1 ) ”5 妒2 i 。了雨旺一 2 3 保护时限的原理及实现 过电流保护是断路器的一个重要保护功能。圊念断路器应具有过载长延时、 短路短延时、短路瞬动这三段电流保护功能。 ( 1 ) 过载长延时保护 江苏大学硕士擘住论文 过载是电力系统中最常见的故障，它是指线路电流高于额定电流的一种不正 常的工作状态。过载虽然不会马上危及到电网和电气设备，但是长期存在的话会 影响电气设备的寿命。 过载长延时具有斜波特性，及1 2 t 特性数学表达式为： 罡瓦= ( 1 5 l ) 2 气( 2 - 2 2 ) 其中t 为过电流，矗为动作时间，r 为电流整定值，屯为长延时动作时间整定 值。 由公式可知长延时保护具有反时限特性，其动作时间与故障程度成反比。长 延时动作整定值c 决定了过载保护长延时的保护范围。对于过载电流产生的故 障，固态短路器的关断按1 2 t 等于常数关系里反时限特性，可阱实现前后级的断 路器选择功能。反时限保护的实质是热保护，动作时间和电流平方成反比，我们 可以根据测得的过电流倍数，查表得到动作时间，动作时闻一到，就发生保护动 作。具体的技术指标为：= ( o 4 一1 ) l tf 。= 1 5 ，3 0 ，6 0 ，1 2 0 , 2 4 0 s 其中为额定电 流值。 ( 2 ) 短路短延时的特性及其保护特性 短路短延时特性可以分为两段，即反时限特性和定时限特性。当短延时电流 整定值小8 ，。时，断路器短延时特性同时具有反时限和定时限保护特性：当短延 时电流整定值大于8 ，时，断路器短延时特性只有定时限特性。短延时的反时限 保护和过载的一样，也是通过查表法判断是否动作。具体的技术指标为： = ( o 4 8 ) ，卸1 ，0 2 ，0 3 ，o 4 s ，其中厶为额定电流值，为延时时间。 当短延时动作电流在( 1 s ) l 之间时，短路短延时呈反时限特性，数学表达 式如下所示： 霉弓= ( 8 ) 2 ( 2 - - 2 3 ) 其中b 为过电流，露为动作时间- 为电流整定值，为长延时动作时间 整定值。当短延时动作电流大于8 ，r 时，保护特性自动转换成定时限特性，这时 候短延时的动作时间和电流的整定值无关，一般有乓= o 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 s 可供选择。 当故障电流大于整定电流值时，启动定时器，只要定时时间一到，就产生保护动 作。在定时时间内，如果故障电流值小于整定值，则保护退出。短路故障是电力 江苏丈擘硕士学住论文 系统不；f 常运行的最重要原因，有效切断故障线路是断路器的主要功能，同时又 要保证没有出现故障的线路正常运行，这就是所谓的选择性短路保护。对于具有 选择性保护功能的系统，动作时闻的整定应该分级进行，主干线上的断路器短延 时的动作时州应该大于支路上的全分断时间。 ( 3 ) 短路瞬时保护 短路瞬时保护功能足为了弥补短延时通断能力不足束设置的，它的动作特性 为定时限，固态断路器的动作时间一般在i m s 以内。利用即采即比的方法c p u 将采集来的电流信号的峰值和整定值进行比较，如果某次的电流信号峰值大于整 定电流值，则再采样一次，两次的结果相近的话，说明发生短路故障。如果两次 结果相差很大，那么就不是短路故障。 2 4 本章小结 本荜介绍了两种常用电力参数分析和检测方法，其中着重介绍了快速傅立叶 变换( f f t ) 的原理和特点，并对固态断路器保护功能的原理和实现进行了理论 分析，本章是整个固态断路器控制系统设计的理论基础。 江苏大学硕士学位论文 第三章固态断路器主电路设计 主电路的研究与s s c b 的电压等级、装置容量、控制方式以及控制系统设计 都有密切关系，主电路的好坏直接影响到固态断路器的性能。固态断路器主电路 的设计主要包括：确定固态断路器采用的拓扑结构、所采用的器件、以及其他一 些辅助电路如器件的驱动电路、缓冲电路等等。 3 1 常用主电路结构总结比较 多年来，随着电力电子器件的发展，出现了很多种拓扑结构的固态断路器， 但是其基本结构大多为图3 - l a 所示的反并联，该结构的工作原理是：正半周时 电流漉过i g b t l ，负半周时电流流过i g b t 2 。 图3 一l a 反并联式结构t i f f 3 1 b 桥式结构 图3 1 b 中的电路与图3 一l a 的区别主要在于图3 一l b 电路的环流回路采用了桥 式结构，该工作原理是：正半周时电流流经r 1 、i g b t 、r 3 ，负半周时电流流经 r 2 ，i g b t 、r 4 ，固态断路器中的i g b t 始终保持导通。这种结构减少了全控型 器件的个数，尤其在高电压场合，需要将若干个器件串联的情况下，将明显减少 所需全控型器件的个数，同时桥式结构将原来的交流控制模式改成了直流控制模 式，使得i g b t 在正常情况下一直保持导通，从而避免了图3 一l a 结构中所必须的 过零点的检测，大大的简化了控制系统。 单纯从固惫断路器的费用考虑，桥式固态断路器的优势非常明显。但是反并 联式结构相比，它明显增加了器件的数量，降低了整个装置的可靠性，同时整个 断路器的导通损耗也相应的增加，提高了对散热的要求。 由上述分析可知，两种拓扑结构的固态断路器各有利弊，可根据实际需要加 以选择，本文选择的是采用桥式结构。 江苏大学硕士学位论丈 3 2 固态断路器中i g s t 驱动电路的选择和设计 电力电子器件的驱动电路是屯力电子主电路与控制电路之间的接口，电子装 置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时问，减小开关损耗，对装 置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义1 。另外，对电力电子器件和整 个装置的保护措施也往往与驱动电路有机的结合在一起，通过驱动电路来实现， 这使得驱动电路的设计更为重要。 3 , 2 1i g b t 驱动电路的基本要求 i o b t 是压控型器件，栅极输入阻抗商，所需驱动功率小，驱动较为容易。 但必须注意，i g b t 的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。 1 随着栅极正向电压u c e 的增加，通态压降减小，开通损耗也减小。若+ u c e 固定不变时，通奈压降随集电极电流增大而增大开通损耗随结温升高而增 大。 2 随着栅极反向电压一u c e 的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变 化不大， g b t 的运行可靠性提高。 3 栅极串连电阻r o 增加，将使 g b t 的开通和关断时间增加，从而使i g b t 在开关过程中产生较大的电压或电流尖峰，降低i g b t 运行的安全性和可靠性。 通过以上特性可以看出，一个理想的i g b t 驱动电路应具备以下基本要求： ( l ) 通常i o b t 的栅极电压最大额定值为2 0 v ，若超过此值，栅极就会被击 穿，导致器件损坏，为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。 ( 2 ) i g b t 存在2 5 v 6 v ( t = 2 5 摄氏度) 的开启电压，驱动信号低于此开启电压 时，器件是不导通的。要使器件导通。驱动信号必须大于其开启电压，否则也会 造成器件损坏，正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一 定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通 态损耗也越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器 件在备种过流场合仍处于饱和状态。通常，正向栅极电压取1 5 v 。在有短路保护 的场合，不希望器件工作于饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流， 对短路电流保护有好处。此时，栅极电压可取1 3 v 。 正苏大擘硕士擘位论文 另外，为了减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。i g b t 的栅极等 效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。 ( 3 ) 当栅极信号低于其开启电压时i g b t 就关断了。为了缩短器件的关断 时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应 提供低电阻的放电通路或栅极反抽电路。一般栅极反向电压取为一( 5 1 0 ) v 。为 了提高i g b t 的抗干扰能力，关断后在其栅极加上一定幅值的反向电压。 ( 4 ) i g b t 栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅 极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越 大，其输入电容就越大。 ( 5 ) i g b t 是高速开关器件。在大电流的运行场合，关断时闻不宜过短，否则 会产生过商的集电极电压尖蜂。栅极电阻r g 对i g b t 的开关时问有直接的影响。 栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造 成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。而栅极电阻过大， 器件的开关速度将降低，无法满足固态断路器迅速将故障电流断开的初衷。 ( 6 ) 驱动电路和控制电路之间应隔离。由于固态断路器中的i g b t 所承受的 电压和电流等缴较商。因此必须保证驱动电路具有相当的电隔离能力。以确保设 各的正常工作和维修调试人员的人身安全。驱动电路与栅极之闻的引线应尽可能 短，并用绞线，使栅极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用 光耦器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。 ( 7 ) 输入输出信号传输尽量无延时。这一方面能够减小系统响应滞后。另一 方面能提高固惫断路器的快速性。 ( 8 1 电路简单、成本低。 3 2 2 固态断路器中蜱i g b t 驱动电路的形式和特点 i g b t 是电压驱动型器件，根据电路的隔离方式，i g b t 驱动电路分为两大 类，一种采用光电耦合，另一种采用脉冲变压器，两者都可以实现信号传输及电 路隔离，具体