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一种基于Z源的双向直流固态断路器.docx
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一种基于Z源的双向直流固态断路器.docx
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1 引言
近年来,一些经济和环境因素促进了基于可再生能源的分布式发电技术的
发展。微电网是目前已经提出的分布式发电的一种合适的网络结构
[1,2]
。微电网
由分布式电源、储能系统、感性负载和非感性负载相互作用在一起组成。大致
分为交流和直流两种类型,有并网运行和独立运行两种操作模式
[3]
。由于大多数
的可再生能源,例如光伏(Photovoltaic,PV)电池、燃料电池和超级电容器都有直
流输出,因此直流微电网在经济和技术层面都是一种有效的发电方式。与交流
微电网相比,直流微电网在能量损失和能量转换阶段损耗较小,实施和控制方便,
不需要电压或无功功率控制,不需要和电源同步连接等
[4,5]
。但是直流微电网仍
面临一些问题,如缺乏实践的经验、指导和标准。此外,和交流微电网相比,在一
些保护问题上,如故障电弧的隔离、故障类型的诊断、故障位置的确定等,还存
在一些争议。
在直流保护装置中,故障时电弧的熄灭是最为重要的问题。电弧会缩短断
路器的使用寿命,并增加维护成本
[6,7,8]
。与交流电流不同的是,直流电流没有自然
过零 点,而且直流 微电网 中应用了大量诸如绝缘 栅双极 晶体管(Insulated gate
bipolar transistor,IGBT)、二极管、晶闸管等无法承受大电流的电力电子器件
[9,10]
。直流微电网发生故障后会产生瞬时大电流,如果不及时处理可能会造成重
大损失,因此必须将故障进行迅速隔离。直流断路器是目前解决这一问题的有
效方法
[11,12,13]
。
为了确保电路的正常工作,直流断路器需要在故障发生时进行快速的故障
检测并且对故障进行分断与隔离。传统的固态直流断路器存在结构复杂、反应
速度慢、成本高等缺点。文献
[14]
提出了三种 Z 源固态直流断路器的拓扑结构,
实现了故障电流的快速检测和故障隔离功能,解决了传统直流断路器检测电路
复杂、反应速度慢的问题。Z 源直流断路器结构简单,主要由晶闸管来实现电流
的强制关断。但是上述断路器的主要问题是不具有双向导通的功能,制约了直
流微电网的发展。文献
[15,16]
提出了三种双向 Z 源断路器的拓扑结构。文献
[17]
提
出了两种带耦合电感的双向直流断路器,但是这几种双向拓扑结构又分别存在
元器件数量多、电路结构复杂、向源端反馈大电流、负载和电源不共地等问题。
本文根据 Z 源断路器的拓扑对一种新的直流双向断路器(BSSCB)进行了研
究 ,该 双 向 断 路 器 实 现 了 负 载 和 电 源 之 间 的 共 地 和 能 量 的 双 向 流 动 。 而 且
BSSCB 是 一个多功 能的设备 ,可以实现直 流系统中 的电源流向控制 、电路 中断、
故障电流限制和清除等功能。针对 BSSCB 在不同模态下的工作原理进行详细
的介绍,并通过仿真和试验验证了 BSSCB 在不同工作模态下的性能,BSSCB 主
要的优点为结构简单可靠、响应速度快以及损耗小。
2 Z 源断路器概述
2.1 单向 Z 源断路器
Z 源断路器大致可分为交叉、并联和串联三种拓扑结构。三种单向断路器
的拓扑结构如图 1 所示。Z 源断路器中包括一个晶闸管和一些作为自然换流通
道的 L-C 连接。因为不同的拓扑有相似的工作原理,因此这里只以串联型拓扑
为例详细讨论其工作原理。如图 1c 所示,当在 Z 源断路器输出引入故障之后,
由于存在电感,所以 Z 源电容的电流不能被短路。因为电感电流不能突变,所以
如图 1c 中箭头所示,高频电流通过 Z 源电容和晶闸管。当电容电流幅值等于电
感电流时,晶闸管电流等于 0。在这种情况下,晶闸管自然关断,L-C 支路形成谐
振电路并提供递减的故障电流。当电感极性改变时,反并联二极管导通,电感所
储存的能量被并联的电阻所消耗。因此,Z 源断路器可以在不增加设备压力的前
提下限制和中断故障电流。
图 1
图 1 单向 Z 源断路器
2.2 双向 Z 源断路器
单向 Z 源断路器应用在直流微电网上时有一定的局限性。与单向 Z 源断路
器相比,尽管双向 Z 源断路器有很大的优势,但是只有少数几个拓扑结构被提出。
图 2 展示了三种双向 Z 源断路器的拓扑结构,在这三种结构中,大都采用反向并
联的晶闸管来实现能量的双向流动,增加了电路结构的复杂性,且控制较为复杂。
图 2
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- qq_588868752023-03-31怎么能有这么好的资源!只能用感激涕零来形容TAT...
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