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1、电源学会第二十一届学术年会集一种固态断路器及其在超级 UPS 中的应用，平，浙江省 杭州市 310027）（浙江大学电气A Solid State Circuit Breaker and its application in Super UPSLI HAIJIN, YANG BO(College of Electrical Engineering,XU DEHONG, Hangzhou 310027,Province,)ABSTRACT: In this paper, demand for Solid State DC Circuit Breaker for Super Uninterrupt

2、ible Power Supply (UPS) is analyzed firstly. Design of the Solid State DC Circuit Breaker is investigated. Then the optimized structure with RCD+MOV is designed to reduce the voltage stress of the power device. Furthermore, the detection of short-circuit current is provided.Finally, a prototype is b

3、uilt to verify the design.础设施：电网和燃线。同时具有两种储能：锂电池和电池。采用了冗余变换器的结构提高电力装置的可靠性。超级 UPS 系统中包含多个标准的 DC/DC 和DC/AC 发电单元。多个单元连接到公共的直流母线上，能否快速故障单元直接到系统的可靠性。由于超级 UPS 系统中多个单元之间连接直流母线导线较短，故障电流上升速度较快，因此，要求直流固态开关能够快速检测到故障电流KEY WORDS: Solid State DC Breaker; Super UPS; DC摘要：本文了超级 UPS 对固态断路器的要求。然后，分析了固态断路器设计需求。在此基础上，设

4、计了一种固态断路器，通过在压敏电阻基础上添加缓冲电路，分析不同缓并。否则，动作延时会造成直流母线电压的跌落，影响供电质量。传统机械开关的动作时间都在几十毫秒左右，远远不能达到超级 UPS 系统的要求。冲电路参数取值对电压应力的影响。并了固态开关的快速故障电流检测路器。最后通过实验样机验证了设计固态断两种能源关键负载：直流固态开关；超级UPS；直流保护Switch1引言不间断电源（UPS）已经被广泛应用于通信基Switch电网冗余逆变器电池燃气机站、数据、工业等对供电质量要燃道SwitchSwitchSwitch求很高的场合。随着通信技术突飞猛进的发展， UPS 装机容量越来越大。停电带来的损失

5、也变得越来越大，因此，对 UPS 可靠性要求越来越高。这个需求，超级 UPS 概念被提出1，如图 1所示。超级 UPS 比传统 UPS 可靠性有大幅提高。多种能源被集成在超级 UPS 系统中。它包含两种SwitchH2O2SwitchSwitch电池图 1 超级UPSLdc的能源输入，这两种能源具有的公共基短路点Vdc基 金 项 目 ：高 技术 研 究 发 展 计 划 项 目 (863 计划 )(2012AA053602, 2012AA053603)自然基金项目（ 51277163 ，51337009）高等学校博士学科点专项科研基金（20120101130010） National High

6、Technology Research and Development Program of863 Program (2012AA053602, 2012AA053603), the National图2 采用压敏电阻的固态开关Natural Science Foundation of(51277163 ， 51337009), and theSpecialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of(20120101130010).54RvQ电源学会第二十一届学术年会集QLdc1uH短路点1uH母线电容V

7、dc± 375V1uH图3 采用二级管+压敏电阻的固态开关(b) 第二类故障固态开关相比机械开关的动作时间快，被应用于高压直流输电（HVDC），船舶电源以及直流微网中2-10。图 2 是一种典型的固态直流开关的结1uH1uH的两端并联一个压敏电阻（MOV）构。在11。文献12如图 3 所示，在1uH了另一种直流固态开关的结构配合二极管的结构。文献母线电容± 375V13了应用于直流微网的固态开关和混合开关的结构，并比较了不同结构的关断时间和损耗。(c) 第三类故障直流微网中的固态断路器相比于超级 UPS 中的断路器主要有两个主要区别：1）微网中的线路阻抗远大于超级 UPS

8、中的线路阻抗。超级 UPS 系统中，故障电流上升率很大。2）超级 UPS 要求保证负载供电质量，故要求开关动作时间很快，不能造成母线电压大幅的跌落。1uH母线电容1uH1uH± 375V本文主要分析超级 UPS 系统中对固态开关的(d) 第四类故障图4 超级UPS系统中的四类故障需求，超级 UPS 系统中直流固态开关的设计，并对固态开关结构进行优化减小开关的关断电压应力。最后，通过实验验证固态开关的设计。以第一类故障为例，故障电流的表达式可以写为，2超级 UPS 中固态开关需求分析在超级 UPS 中，有正负零母线，正母线与零母线间的电压为 Vp ，零母线与负母线间的电压为 Vn ，正

9、母线额定电压 375V，负母线电压-375V。系统有四种短路情况，分别是正母线与零母线短路、零母线与负母线短路、正负母线短路、所有母线短路，如图 4 所示。 - R +- R -R2 L L2 LC t2 L L2 LC t2U (0)4(1)I (t) =×-e- eL2LLC在式（1）中U(0)是母线电容电压的初始值，R 为短路电阻，L 是直流单元与直流母线电容的平均距离。C 是母线电容。表 1 为第一类故障发生时，系统的参数。第一类故障（正负母线短路）下，故障电流的变化如图 5 所示。1uH母线电容1uH1uH表1 超级UPS中模块与直流母线参数± 375V(a) 第

10、一类故障55Rv参数值半母线电压 Vdc375V母线电容 Cdc10mF模块与母线电容平均距离 Ldc1uH（长度,1m）短路电阻 Rs40m模块额定功率 Pr100kW变换器+0-R2 - 4R2 - 4 变换器+0-变换器+0-变换器+0-电源学会第二十一届学术年会集15k10k从图 5 可以看出，当发生短路时，在 50 微秒之内，母线电压从 750V 跌落到 710V，故障电流上升到 12kA. 传统机械开关动作时间大概为几十毫秒，母线早已跌落到 0. 固态开关动作时间越8k5k0.80 0.050.20.4t/ms0.6快，所需的电流容量就越小。第三类故障（半母线短路）下，故障电流和母

11、线电压的变化如图 6 所示。(b) 第三类故障下故障电流变化图5 第三类故障下，故障电流、母线电压变化5固态断路器设计3.1 固态开关参数设计800710600由于系统具有正负零母线，所以需要正负母线400各装一个固态断路器。每个断路器两个反串200，两端并联压敏电阻。固态断路器的结构如图 7 所示。00 0.050.20.40.60.8半母线额定电压为 375V，当正负母线短路时，固态开关最多承受 750V 电压。t/ms(a) 第一类故障下母线电压变化固态断路器的设计主要有三步：20k1）压敏电阻的选取。半母线额定电压 375， 选择额定长时间工作电压最接近的 EPCOS 公司的 S20K

12、300E2，长时间工作电压 385V。压敏电压 470V。15k12k10k5k2)电流容量选择。对于 100kW 模块，额00 0.050.20.40.6t/ms0.8定输出电流为 133A，考虑故障保护电流为额定电流的 10 倍，选择 1500A 保护，流为额定电流 3-5 倍，故选择 500A短时承受电。(b) 第一类故障下故障电流变化图5 第一类故障下，故障电流、母线电压变化3）耐压选择。根据已选的压敏电阻参数500可知，当故障电流为 1500A 时，此时电压为 950V，400356300考虑到与压敏电阻之间的寄生参数，的电压应力选择为 1200V。200MOV100+-+-00.0

13、50.20.6+0.4t/msU10Super UPS直流母线直流直流变换器/交流直流变换器U2(a)第三类故障下母线电压变化± 375V+-+MOV图7 固态开关结构56母线电压/V母线电压/V故障电流/A故障电流/A模块额定电流 Ir133A电源学会第二十一届学术年会集在公式（2）中， Vth 驱动保护阈值电压;Control驱动FaultFaultControlVcc供电电压; V0 为 Cblanking 检测电容初始电驱动检测检测1uH压值； Cb 为检测电容; Rb 为检测电阻。短路检测时间设置为 4 微秒。GG+CE EC母线电容9900uF± 375VU11

14、uHMOV03.3单元U2-MOV1uHCE EC当检测单元检测到故障电流后，两个固态开关GG检测检测故障信号低有效的所有需要关断保证模块和系统安全。两驱动驱动ControlControlFaultFault个固态开关共会产生 4 个故障保护信号。故障信号故障时变为 0，4 个信号做与运算，任何一个模块保护信号产生，都会触发短路故障保护信号， 短路保护信号会关闭其他固态开关。具体逻辑如图 10 所示。驱动信号手动信号单元图 8 固态开关框图3.2 检测单元固态开关的框图如图 8 所示检测单1 故障信号保护信号元、单元和驱动单元。检测单元在几个微秒2 故障信号3 故障信号之内检测到故障电流发出短

15、路保护信号，单4 故障信号驱动信号元主要接收模块的主动号，关闭固态开关。信号和故障保护信使能信号图 10单元结构4结构优化检测单元C缓冲网络 RCD 加入固态开关用来降低固态开G关的电压应力。最终固态开关的结构如图 11 所示。EVCCMOV+-IhRblanking-+DESATCblanking图11 压敏电阻加缓冲RCD固态开关结构图9 检测单元MOV结构等效关断模型MOV+RCD结构等效关断模型I由于系统要求固态开关在数微秒之内动作，IC、E 之间的电压用来检测短路电流。当短iMOViMOV寄生电感iRCDCRCDiiuceuce路发生时，两端电压升高，当超过阀值时，寄生电感驱动发出短

16、路信号关断。寄生电容寄生电容根据驱动的参数，短路电流和检测时间的以表示为，图 12 关断模型对比V = V- (V-V )e æ -ö +tIh t(2)从图 12 可以看出，压敏电阻+缓冲网络结构增ç÷thCCCC0R CCèb b øb大了两端并联电。在换流期间，大的57MOVMOVVIN+ VIN- VCC1GND1CHRESET316FAULT VLED1+VLED1-VE VLED2+ DESATIP:VCC2JVCVOUT VEEVEE驱动单元电源学会第二十一届学术年会集电容能够降低 MOV 支路中电流变化率。由于压100

17、0敏电阻支路中寄生电感，小的电流变化率能够降低电压应力。900电压（V） 800电压过冲Iuce700iRCDiMOViiiMOVC理论曲线RCDiRCDuce600实测曲线iMOV变化率I5001´ 1031´ 10410100电流（A）图 13 RCD+MOV 结构关断时的换流波形图 15 不同故障电流下的电压应力根据 MOV 的可以近似表达为，压敏电阻的伏安特性在不同故障电流下，MOV 两端电压的实验结果如图 15 所示，当故障电流为 1500A 时，电压应力为 930V。= 10k log(imov )+m ; k = 0.058, m = 2.787uMOV(3)

18、5.2 故障下保护波形根据图 13 中的等效模型，换流过程中的压敏电阻中电流，电压应力可以表示为，ìduïC ce + iMOV= Idtílog(uce )-mï= 10îiMOVk(4)两端并联电容容在公式（4）中 C 是0值; I 是关断电流; imov 是MOV 中的电流。RCD 参数中C 变化时，MOV 中电流的变化如图 14 所示。从图中可以看出，当 C 增加时，MOV(a) 第三类故障下故障波形中电流变化率减小，这意味着两端的电压蓝线: 正母线断路器红线: 负母线断路器uce1 uce2200V/div200V/div应力减小。当

19、故障电流为 800A，取 C 的2uF 比起80V。10000.1uF时，电压应力可以减小940V890V0800io 200A/div600(b) 第一类故障下波形图 16 故障保护波形电流400200从图 16（a）中可以看出在第三类故障下， 当故障电流为 1300A 时，固态开关电压应力为911V。母线电压未发生跌落。000.511.5t/us图 14 不同RCD 参数下，MOV 中电流变化大小5 实验结果5.1 固态开关电压应力当第一类故障发生时，两个固态开关串联。由于两个并联电容的差异，动态电压应力不同。当开关动作后，两个固态开关各承担一半58MOVMOV/ACRCD=1uFCRCD

20、=0.5uFCRCD=2uF短路发生时刻开关关断时刻uce 200V/div911Vio 200A/div电源学会第二十一届学术年会集的母线电压。当故障电流为 1200A 时，两个固态开关的电压应力分别为 940V 和 890V。故障保护线电压未发生跌落。uce 100V/diviRCD740V5.3 改进结构下实验波形iiMOV图 17（a）可以看出 MOV+RCD 结构在 600A 故障电流下，比 MOV 结构电压应力小 80V。当故障电流为 900A 时，优化后的结构电压应力降低 88V，如图 17（b）所示。100A/div0(b) MOV+RCD 换流波形图 18 MOV 结构与MO

21、V+RCD 结构换流过程比较蓝线: RCD+MOV红线: MOVuce 200V/div从图 18（a）中可以看出 MOV 结构 MOV 中的电流变化率很大，电压应力较大。从图 18(b)820V740V可以看出，由于 RCD 的，MOV 中电流的变化率减小，电压应力也减小。6结论本文设计得到了一种符合超级 UPS(一种高可靠直流微网)需求的固态直流断路器。得到了固0io 200A/div(a) 故障电流 600A 下，电压应力比较态直流断路器的设计，（功率器件选择、缓冲电路选择），最后设计的直流固态开关在短路电流 1500A 时，电压应力为 930V，满足了系统设计要求。蓝线: RCD+MO

22、V红线: MOVuce 200V/div882V794V参考文献1Haijin Li; Wen Zhang; Dehong Xu, "High-reliability long-backup-time super UPS with multiple energy sources," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2013 IEEE, vol., no., pp.4926,4933, 15-19 Sept. 2013Holaus, W.; Frohlich, K.: "Ultra-fast swi

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24、div(b) 故障电流 900A 下，电压应力比较图 17 MOV 与 MOV+RCD 结构电压应力比较2uce 100V/div820V3iMOVConverters for FaultPower Electronics, IEEE Tran pp.2037,2047, April 2013; Fu LiJun; Wangin DC Microgrids,"ions on , vol.28, no.4,i4Ruitian; Ye ZhiHao,0100A/div(a) MOV 换流波形"Coordinationfor DC distribution network inD

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