中压固态开关拓扑均压保护电路研究

姚佳

(南京理工大学江苏南京210094)

摘要：固态开关是解决电网系统电压跌落故障的有效技术手段。本文提出一种新型中高压串联电子开关的动态均压拓扑，它可以克服传统动态均压阻容支路参数设计的缺陷，使得系统在不增加阻容支路功耗的条件下，提高系统电压冲击吸收能力。

0研究背景

随着生产生活的发展，人们对电能质量以及其可靠性的要求越来越高。电压跌落[1]是指工频电压降低到0.1pu~0.9pu之间，持续时间在0.5个周波到1分钟之间的电压质量问题。电压跌落以及电压短时中断的出现占所有电能质量的90%左右，给生产生活造成巨大经济损失。固态切换开关（SSTS）如图1所示，是利用大功率电力电子技术，通过实时监测电网三相电压、电流，检测电压跌落，实现两路进线电源的快速切换，从而解决电压跌落以及短时断电问题的一种装置。传统电力系统的开关设备主要为机械式开关，应用非常广泛，但机械开关的缺点也非常明显，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，开断时间长等，难以满足一些电力用户对电能质量的要求。有研究人员提出了混合式断路器[2]，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。为提高开关通断速度，有学者研制了纯电子式固态开关[3-4]，正常工作主回路的通断完全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，但由于存在管压降，从而产生一定损耗，但换回的却是ms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。在各种大功率电力电子开关器件中，晶闸管因制造技术比较成熟，造价较低，耐压过流能力强，不易损坏，在制造固态开关时被广泛应用。现在国外已经有很多公司推出自己的产品，然而对于中高压应用场合，相关产品和研究仍然较少。

图1固态开关基本结构

本研究以中压10KV固态开关为研究对象，在传统晶闸管串联拓扑的基础上对其动态均压电路进行了改进，该拓扑可在提高均压能力的条件下同时保持极低的稳态损耗，为解决中高压电力电子开关串联结构的动态均压问题提供了新思路。

1中压固态开关拓扑及其均压电路

晶闸管串联拓扑具有性价比高、成熟、可靠等优点。且随着电力电子器件技术的发展，其稳态损耗越来越低，对于10KV应用场合，其串联后的稳态损耗可以控制在0.1%以下，非常适合中高压应用场合。受器件耐压限制，目前在中高压应用场合仍然需要采用串联分压的拓扑结构。由于晶闸管的静态特性和动态参数不可能完全相同，因此串联使用时，必须采用均压保护措施，以解决串联晶闸管动态和静态均压、反向恢复过冲抑制、开通关断缓冲等问题。这些功能都是由阻容回路来完成。传统晶闸管串联拓扑及均压电路如图2所示。

图2传统晶闸管串联拓扑及均压电路

传统动态均压电路元件参数的选取与串联的各级晶闸管参数、系统耐压等级、串联级数有关，一般可以通过查表根据经验选取。考虑到功耗，容值一般小于1uF，因此吸收浪涌电压冲击能力有限。当系统受到在无法预测的外部扰动时，可能产生较大的电压冲击，超出基本动态均压阻容支路的吸收能力。各种研究表明[3]，阻容动态均压电路中的电容选取的越大，电阻选取的越小，其对浪涌电压吸收能力越强，且响应越快。但反之，电容越大，阻容支路的稳态损耗也越大，电阻越小，电容放电时的电流冲击也就越大，在设计上很难两全。

如图3所示，本文提出一种新型动态均压电路，采用基于H桥二极管整流模块结构。通过参数设计，其吸收浪涌能力可大大超过普通阻容支路的吸收能力，且只在系统发生较大电压冲击时才会接入，由于大部分时间不工作，可以维持很小的稳态损耗。

2新型动态均压电路工作原理

如图3所示该新型动态均压电路在传统的阻容均压电路上并联了基于H桥二极管整流模块的附属动态均压模块。该均压电路工作原理如下文所述。

图3一种改进晶闸管串动态均压电路

RL为负载，主电子开关为串联的双向二极管T1，T2以及其动态均压保护电路，系统连接单相交流电源AC。当系统负载接通电源时，在理想情况下，双向二极管T1，T2同时完成投切/断开，从而同时完成交流电的换向，即交流电正半周，T1P,T2P投切，电流过零点Z处，T1P,T2P同时断开，T1N,T2N同时连通，晶闸管两端电压一直为零，见图4(a)，此时动态均压支路两端电压也为零。然而由于电子器件的参数差异以及驱动电路信号的时差，在晶闸管换相时，T1，T2开通/关断往往存在时差。如图4(b)所示，在交流电正半周时，T1P，T2P

连通。在电流过零点Z处，T1P，T2P断开后，T1N马上闭合，而T2N则延迟了一段时间后才闭合。在该时间间隔中，由于T1连通，T2断开，在系统无动态均压保护支路时，系统电压将直接加在T2开关两端，如图4(b)所示，这可能导致晶闸管模块T2两端过电压。当采用改进动态均压支路时，支路中的电容C1，C2会起到提供系统电流旁路，钳制晶闸管两端电压的作用。如图4(c)所示，当T2N延后导通时，T2N的动态均压支路的等效阻抗与负载阻抗起到分压效果，因此T2两端电压会小于该时刻的系统电压，从而防止串联模块过电压。根据分压原理，不难得到，动态均压支路等效阻抗越小，其分压比越小，限压效果也越好。然而当系统断开时，动态均压支路等效阻抗越小，其损耗就越大，传统动态均压电路的设计需要在两者间平衡。而改进动态均压支路的吸收电容C2、电阻R2连接在二极管整流桥的直流侧。当晶闸管串联模块电压Ud大于C2两端电压Uc2时，二极管桥才导通。而C2两端电压由其放电支路开关K以及电阻Rp决定。因此电压Uc2动态可调的，即该动态均压支路阻抗是可通过控制开关K进行柔性调节。当负载从电源断开，即T1，T2不导通时，可使开关K保持断开，此时C2放电极慢，Uc2电压值始终保持在最大值附近，二极管桥基本不导通，等效阻抗大，均压电路能量损耗很小。当负载连接系统电源时，即T1、T2闭合时，电子K闭合或保持较大占空比，从而使得C2快速放电，Uc2值较小或为零，保证其有较大吸收过电压能力。

(a)

(b)

(c)

图4所提出的新型动态均压的控制时序及主要电路波形

3结论

本文提出了一种新型电力电子器件串联拓扑的动态均压电路。由于采用整流桥模块，动态均压电路可采用体积小、电容量大、成本低的电解电容。系统可通过控制开关K动态调整均压电路阻抗，从而实现参数的实时优化，在不增加动态均压电路功耗的条件下，具有更大冲击电压吸收能力。

参考文献:

[1］肖湘宁，韩民晓，徐永海，等.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2004：132-138.

[2]顾东亮、郑建勇、丁祖军等新型混合式断路器结构及动作特性研究[J]《电气开关》(2006.No.4)13-15页

[3]刘会金、彭疆南、陈孜孜、陈允平电容器并补大功率晶闸管阀的研究[j]《电力系统及其自动化学报》第13卷第11期2001年2月31-34页

[4]黄杰,静态转换开关及其新型控制的研究[D]浙江大学硕士毕业论文2010年1月