固态开关强制换流控制策略及其关键技术

固态开关强制换流控制策略及其关键技术

姚佳

(南京理工大学江苏南京210094)

摘要：切换速度是固态开关系统的重要性能指标。采用强制切换控制策略能够克服电力系统故障时电流自然过零速度慢导致切换时间长这一问题。电流实时监测中电流过零和电流方向判断是其中的关键技术问题。本文详细分析了电流检测中各种情况，提出了电压辅助判断电流过零切换安全区的方法，可在保证切换速度的前提下，提高系统切换可靠性。

0研究背景

为保持敏感负载的可靠供电，常需要使用UPS、固态开关等设备。当系统监测到电源故障时，在极短时间内将主电源切换至备用电源。以采用晶闸管器件的固态开关系统为例[1]，如图1所示，当主供电源发生故障时，首先要断掉主电源，然后接入备用电源。由于晶闸管是半控器件，必须在电流过零时才能实现关断。若采用自然过零方式，若为感性负载，有时需等待若干工频周期才能达到电流过零完成切换，这限制了装置的切换速度。更重要的是，感性元件产生的过电压会对电路元件产生损害。因此希望借助外部换流措施实现快速零电流关断。

图1三相固态开关系统

所谓强制换流策略(MBB)[2-4]，即在晶闸管自然过零之前，加反压迫使其关断，实现快速切换。常见的方法包括采用辅助LC谐振电路实现强制换流、软件控制强制换流等[]。辅助LC强制换流电路的优点是可以使晶闸管拓扑不受电流过零关断这个条件限制。但该拓扑需要在辅助LC支路中增加一个开关，且该开关的电流应力比主开关更大。触发电路的隔离设计，开关元件的选取都有相当的难度，且成本很高。

本文主要讨论软件控制实现强制换流的控制策略和关键技术。

1固态开关强制换流原理

固态开关强制换流原理如图2所示，Vpri为主侧电源，Valt为副侧电源。假设t0时刻主侧出现故障要切换到副侧。此时电流方向如图中所示，T1P晶闸管导通。副侧晶闸管两端压降等于Valt-Vpri（相电压）。

图2MBB换流方式单相切换原理

投切备用侧的时机在于使得主侧晶闸管承受反压，并且不会形成换流。因此当ipri方向如图中所示时，ialt也应该如图2中所示，即T2p应该导通。而T2p导通的条件为触发时刻Valt-Vpri>0.由此可见，需满足的电压条件和电流条件是一致的。

不难得到，备用侧投切条件为：若主侧T1p导通，则给备用侧T2p触发信号。反之T1n导通，则给T2n触发信号。需要注意的是：

1.要断开主侧触发信号，才能给副侧触发信号。

2.副侧触发信号应该只给单相晶闸管信号，直至确认主侧已经断开，才能给副侧双向触发信号。

综上所述，软件控制固态开关实现强制换流的程序流程如图3所示。

图3MBB方式软件控制流程图

2固态开关强制换流原理

根据上文分析可见，主侧、备侧电流的实时监测是实现强制换流软件控制的关键。这里主要包括两个方面，一、电流过零的监测、二、电流方向的判断。假设不考虑电流采样和处理电路误差。电流过零判断条件为：

，且维持时间超过晶闸管的反向恢复时间，一般为几百us。（可设置为1ms）

图4电流过零和方向判断原理示意

区域1为正向电流置信区，即蓝色信号为正时，此时是正向电流，且该值可靠。蓝色信号的下降沿提示，电流有过零趋势。

区域2为反向电流置信区，即橙色信号为正时，此时是反向电流，且该值可靠。橙色信号的下降沿提示，电流有过零趋势。

区域3为非置信区。该区域分为两部分，若该区域之前是正向电流下降沿，则红色区域分为正向电流区和电流为零区。若该区域之前是反向电流下降沿，则红色区域分为反向电流区和电流为零区。如图4(c)所示。将图4(c)和图4(a)比较可知。此时输出的过零比较值和实际情况有可能背离。例如在橙色信号上升沿之前，可能认为系统电流为零，而实际此时有很小的负向电流。

从图4中可以看出，由于传感器无法精确识别100mA以下的晶闸管维持电流，想要完全判断正确的电流状态是不可能的，但可借助其他条件来辅助判断电流状态。

方法一，通过电压进行辅助判断。当晶闸管两端电压高于导通压降（一般取电压传感器电路精度的最小值，10V~100V）时，可认为晶闸管是断开的。但是当系统发生三相短路或其他某些故障时，由于线路本身电压幅值很小，此时将无法通过电压来辅助判断晶闸管断开。

方法二：由于在触发信号撤销的情况下，电流不可能换向，因此可以根据电流之前的状态来判断电流过零的趋势。

图5电流过零判断趋势示意

如图5所示，系统在T1时刻撤销触发信号，此时电流方向可靠判定为正，到T2时刻，系统开始趋向零，延时到T3时，系统认为过零，而实际没有过零，但可以可靠的判断此时系统电流时正向逼近零的，即电流是正向的。如果要切换到备用侧，应该考虑先打开备用侧正向开关，再打开反向晶闸管开关。

但是若触发信号撤销时刻T1位于T3时刻之后时，则上述判断条件不成立。

综上所述，由于系统固有误差，无法精确判定小至100mA的晶闸管保持电流，因此电流方向和电流为零是不能保证判断正确的。系统的电流状态可为且仅为以下几种之一：

1.电流正向（正向趋于零）：可靠

2.电流负向（负向趋于零）：可靠

3.电流为零：可靠

4.电流状态不可靠：小概率，可识别

第4种状态虽不可靠但发生概率比较小，且可识别。可通过设置切换安全区，来保证切换的安全性。

当电流很小时，电流方向和过零状态不可准确判定。此时要能正确识别电流方向以及置信状态。若电流处于非置信状态时，需使得副侧的投入时刻处于安全区域，即使发生环流现象过电流也不会太大，且可以快速切掉。

假设图6为备用侧电压波形，将要投入备用侧正向晶闸管，则图中红色区域为危险投切区域，绿色区域为安全投切区域。若在红色区域投切时，由于交流电压处于上升趋势，一旦发生环流现象（主、备侧联通）过电流将会很大。而在绿色区域投切时，主侧晶闸管反压时长较短，但一旦发生环流时，过电流不会很大。如图6所示，安全区的判定是由主、备侧电源电压差值和变化率判定的。即当监测电流处于非置信区时，需根据电压辅助判断系统的投切时刻。

图6强制切换安全区

3结论

本文分析了固态开关系统的强制切换控制策略及其关键技术。电流过零点的判断是实现系统快速、可靠切换的关键。考虑到系统检测中的现实因素，可能存在电流过零和方向误判的非安全区，本文提出了一种电压辅助判断切换安全区的方法，该方法可在保证系统切换速度的前提下，提高切换的可靠性。

参考文献:

[1］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

[2]H.Mokhtari,“PerformanceEvaluationofThyristor-BasedStaticTrzansferSwitchwithRespecttoCrossCurrent,”TransmissionandDistributionConferenceandExhibition2002:AsiaPacific.IEEE/PESVol.3,Nopp.1326-1331,2002.

[3]M.N.Moschakis,N.D.Hatziargyriou,“ADetailedModelforaThyristor-BasedStaticTransferSwitch,”IEEETrans.PowerDelivery,Vol.18,No.4,pp.1442-1449,Oct.2003.

[4]AmbraSannino“StaticTransferSwitch:AnalysisofSwitchingConditionsandActualTransferTime,”PowerEngineeringSocietyWinterMeeting,2001.IEEE,Vol.1,pp.120-125,2001.