大容量高可靠性快速固态切换开关

大容量高可靠快速固态切换开关摘要随着市场经济的发展，越来越多的工商企业使用更为精密的设备工作，然而这些设备的自动控制对电压中断和电压
暂降较为敏感。解决敏感负荷电能质量和可靠性问题最有效的方式之一就是使用大容量高可靠快速固态切换开关。本文研究了SSTS的拓扑结构、
工作原理以及控制策略。为保证敏感负荷的供电质量，在主电源侧发生故障时，必须确保在足够小的时间内安全可靠的切换到电能质量较好的备用电
源侧，那么切换时间是考察SSTS运行效果的最重要参数之一。切换时间包括故障检测时间、切换指令传达时间以及切换动作时间。故障检测时间
由网侧故障识别的方式决定，切换指令和切换动作时间主要受门极控制方式和主备用侧电源幅值和相角影响。本文研究了应用于SSTS的网侧故障
识别方法，包括有效值算法、d-q变换法以及改进型d-q变换法。研究了门极控制方式和主备用侧电源幅值相角对切换的影响。并对各种幅值和
相角条件以及各种故障类型下的切换时间进行了估计。分析研究了SSTS的稳态特性和暂态特性。在稳态特性的研究中，分析了负载电压时间特性
和抗干扰特性，以及负载参数的影响。在暂态特性的研究中，介绍了负载变压器一次侧短路电流和浪涌电流。并研究了对SSTS危害最大的浪涌电
流的抑制方法，即分析了SSTS的脉冲整流桥，研究了磁链的估计方法，从而得到了抑制浪涌电流的门极触发方式，实现抑制浪涌电流的效果。以
10kV电压等级为例，在Matlab/Simulink环境下分别对论文研究的拓扑结构、控制方法进行了仿真分析和验证。搭建了单相接地
短路故障的仿真模型，验证了电压暂降和控制方式的可靠性。分别对单相接地短路故障、两相短路故障和两相接地短路故障进行了仿真分析和验证，
证明了SSTS的快速性和高可靠性。关键字：电能质量，电压暂降，敏感负荷，固态切换开关，浪涌电流ABSTRACTIndustrial
customersoftensufferfromsupplyvoltageinterruptionsandsag
sduetotheincreaseintheutilizationofsensitiveequipmenti
ntheprocessofautomationandcontrol.Aneffectivewaytoimpr
ovepowerqualityandreliabilityofsensitivecustomersistous
easolidstatetransferswitch.Thisdeviceenablesaveryfast
changeinthesupplyofthecustomertoanalternatefeederprovi
dingadequatepowerconditioningforseveralpowerqualityproble
ms,suchasvoltagesags,swells,andinterruptions.Inthispaper
,thestructureofSSTSanditsoperationprinciplesareproposed
.OneofthemostimportantcharacteristictovalueSSTSisthet
ransfertime.Thus,thedetectionofvoltagesagsisofgreatimpor
tance.Differentvoltage-detectiontechniquesmaybeusedinthe
SSTSsystem.Thisarticledescribesthreevoltage-detectionmetho
ds,i.e.averaging,andabc-to-dq0transformationandthemodifie
dabc-to-dq0transformation.Thispaperprovidesathoroughanaly
sisofafastgatingstrategyforSSTSsystems.Itderivesanalys
isexpressionstoestimatethetransfertimefordifferentoperat
ingconditionsandidentifiestheworstcasescenariosinwhichm
aximumtransfertimeoccurs.Afastandsafecommutationofthep
referredsourcethyristorswitchesforeveryphasedependsdirect
lyontherelativepositionandmagnitudeofthreevariableswhen
avoltagesagisdetected.Thesteadystateandthetransientch
aracteristicsareanalyzed.Thefasttransferprocessmaycausei
n-rushcurrentontheload-sidetransformerduetotheresulting
DCoffsetinitsmagneticfluxastheload-transferiscompleted.
Thein-rushcurrentcanreach8~30p.u.anditmaytriggertheo
ver-currentprotectionsonthepowerfeeder.Thispaperdevelopsa
fluxestimationschemeandathyristorgatinglogicbasedonthe
impulsecommutationbridgeSSTStominimizetheDCoffsetonthe
magneticflux.Bysensingthelinevoltagesofbothfeeders,the
fluxestimatorcanpredictthepeaktransientfluxlinkageatth
emomentofload-transferandevaluateasuitabletimingforthe
transfertominimizetheinrushcurrent.Simulationsusingthismo
delareperformedinordertohandlevoltagesagsbasedonrealm
easurementsonanactualindustrialcustomer’ssupplyvoltage.Di
fferentphaseanglesandmagnitudesofthetwoalternatesourcep
refaultvoltagesanddifferentfaultinstancesareconsidered.KEY
WORDS:Powerquality,Voltagesags,Sensitiveloads,Solidstatet
ransferswitch,In-rushcurrent目录第一章绪论-1-1.1课题研究的背景和意义-
1-1.2固态开关的种类及特点-2-1.2.1固态断路器-2-1.2.2固态限流器-4-1.2.3固态切换开
关-4-1.3快速固态切换开关的国内外研究现状和发展趋势-5-1.4论文的主要工作-6-第二章大容量高可靠快速
固态切换开关的研究-9-2.1大容量高可靠快速固态切换开关的拓扑结构-9-2.1.1混合开关装置的基本结构-10-
2.1.2并联快速机械开关-10-2.2大容量高可靠快速固态切换开关的工作原理-11-2.2.1三相大容量高可靠快速
固态切换开关的主电路-11-2.2.2三相大容量高可靠快速固态切换开关的工作原理-11-2.3快速固态切换开关的控制方
式-12-2.3.1过零切换-13-2.3.2强迫切换-15-2.4本章小结-16-第三章大容量高可靠快
速固态切换开关的控制-19-3.1网侧故障的识别-19-3.1.1有效值算法-19-3.1.2d-q变换法-2
0-3.1.3改进型d-q变换法-22-3.2门极控制策略-24-3.2.1切换和门极电路构造原理-24-3.
2.2零电压启动运行-24-3.2.3选择门极切换方法-25-3.2.4晶闸管的关断时间和电流过零检测-26-3
.3主备用侧电源幅值相角对切换的影响-26-3.4切换时间-29-3.4.1影响估算切换时间的因素-30-3.4
.2三相短路切换时间估计-30-3.4.3单相接地短路切换时间估计-32-3.4.4两相短路切换时间估计-32-
3.5本章小结-34-第四章快速固态切换开关稳态与暂态特性-35-4.1大容量高可靠快速固态切换开关稳态特性的研究
-35-4.1.1负载电压时间特性-35-4.1.2抗干扰特性-35-4.1.3负载参数-36-4.2大容
量高可靠快速固态切换开关暂态特性的研究-36-4.2.1负载变压器一次侧的短路电流-36-4.2.2浪涌电流-36
-4.3浪涌电流的抑制-37-4.3.1SSTS的脉冲整流桥-37-4.3.2磁链估计-39-4.3.3抑制浪
涌电流门极触发方式-41-4.4本章小结-42-第五章仿真-45-5.1控制方式的仿真-45-5.1.1
基于d-q变换法的电压检测仿真-45-5.1.2切换控制方式仿真-47-5.2单相接地短路故障-50-5.3两相
短路故障-51-5.4两相接地短路故障-51-5.5本章小结-52-第六章结论与展望-53-参考文献-5
5-致谢-59-第一章绪论1.1课题研究的背景和意义目前大量的工业和商业设备都遭受到了各种各样类型的中断和电压
暂降，这些中断和电压暂降会造成电力设备承受停机、生产损失、设备损坏等其它问题，从而造成严重的经济损失。随着敏感负荷在自动化和控制方
面应用越来越多，使得越来越多的工商业难以承受电压中断和暂降带来的损失。电压中断可理解为由电能质量问题引起的，分为电压暂降和电压暂升
、雷击和其它系统有关扰动[1]。在很多情况下，应用大容量高可靠快速固态切换开关是解决电能质量问题最有效的途径之一,研究如何使电能质
量得到改善意义有以下几点:(l)电能质量需要逐步进行治理改善，改善后会对电力系统的各方面稳定有序、安全(比如用户用电设备的安全)、
经济运行等提供不可或缺的保障,电能质量的改善水平代表着电网运行质量的好坏和水平的高低，电能质量的高低对国家电网等电力公司考核用电水
平也提供了基本的考核标准。(2)电能质量改善后就可以改善电气运行环境，节能、降损的用电效率得到很大提升，这也是保证国家民众的经济体
系效益的一项很重要的技术，也是各行各业可以持续稳定快速发展的技术保证。(3)如今电力市场竞争越来越激烈，要想适应这个现状，改善电能
质量是最有效的手段。(4)要想使社会的用电秩序不乱，必须健全电能质量的各方面管理制度来使电能质量逐渐改善，才能保障全国各地的用电以
及各种用品的正常无危害使用，有利于促进我国经济的持续快速发展，并保证了社会的稳定和谐。电力系统的正常运行受到电能质量直接而致命的影
响，电压跌落又是其中最大的最棘手的问题，为了减轻电压暂降的影响[2-7]，我们首先要快速可靠的检测到电压发生了暂降，这些问题是时刻
动态变化的，如果能快速检测到识别出这样的电能质量问题，治理电压暂降问题就能以此为重要根据，更有利于找到最佳解决方法及对策。目前很多
一用一备供电方式的部门使用的是双电源自动切换开关（A.T.S.），是用在主电源和备用电源间进行自动切换的主元件之一，它与常用的使用
两台断路器进行主备电源的自动切换相比，具有如下特点：1.切换速度快；2.工程费用低（一台A.T.S.可以取代两台断路器）；3.联锁
可靠，A.T.S.内部具有可靠的机械连锁和电气联锁，避免了两台断路器只有电气联锁的不稳定性；4.维修方便。如表1.1所示为A.T.
S.的基本技术参数。表1.1基本技术参数名称参数额定电压（V）660额定电流（A）1002004008001000120016
002000额定频率（Hz）50或60极数3极或4极机械寿命（次）10000100008000400040004000300025
00电气寿命（次）50005000400020002000200010001000最大分段电流（A）250025003200640
080008000800010000有效值0.4kVcosφ=0.35最大关合电流（A）500050004000800010000
100001000012500有效值0.4kVcosφ=0.35符合国际标准IEC-947-3NFC63130VDE0660等
T.S.适用于低压系统中的双电源自动切换，而SSTS适用的电压等级较高，切换时间仅几十毫秒，在切换过程中，可以检测主备用电源电压的
幅值和相角，判断备用电源的运行状态，安全可靠快速的切换到正常运行的备用电源，在经济高速发展的今天，对电源的供电质量亦提出了更高的要
求，故SSTS的应用范围广，发展前景无限。1.2固态开关的种类及特点1.2.1固态断路器作为电力电子技术的基础,电力电子器件
的发展自1980年后进入了现代电力电子技术阶段。此阶段的器件向全控化、多功能化、高频化和集成化方向发展,从最初的普通晶闸管(
SCR),演化出可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及
最近刚出来的集成门极换向晶闸管(IGCT)、电子注入增强栅晶体管(IEGT)[8]。因此现代电力电子技术的飞速发展,为固态断路器
研制提供了坚强的物质基础和更多选择余地。目前常用器件的容量参数如表1.2所示。表1.2常用器件容量器件性能器件性能SCR35
kA/6.5kVIGBT1.2kA/3.3kVGTO10kA/8kVIGCT4kA/4.5kVMOSFET200kA/1.5kVI
EBT3kA/4.5kV根据固态断路器的发展历程看,又可分为静止型断路器和混合型断路器[8-9]。1.静止型断路器静止型断路器
(基于SCR)的基本拓扑结构如图1.1所示。与传统断路器相比,静止型断路器具有开断时间短、无声响、无弧光、无断死区、寿命长及
工作可靠性高等特点,但是它同时也存在设备的过压与过流、器件损耗过大而必须加上较大的冷却系统及相较于机械式断路器价格高等缺点[9]
,以上这些缺点极大地影响了静止型断路器的推广应用。图1.1静止型断路器的拓扑结构2.混合型断路器针对静止型断路器的缺点,
提出利用机械式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,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(基于IGBT)如图1.2所示(
图中RV为压敏电阻,下同)。其工作原理是:主开关S与固态开关同时通、断,利用主开关S触点间电弧电压的反电势作用将电流切换到固
态开关部份,主开关S作为正常工作时的电流通道,固态开关部份只负责断路器通断切换时的动态换流[10]。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,不动作的时候几乎没有损耗,所以省却了笨重的冷却设备。图1.2混合型断路器的拓扑结构1.
2.2固态限流器由于电网规模扩大、互联程度增加和大型电站的接入，电网故障电流水平已逐渐接近现有断路器遮断容量的上限。我国珠三角、
长三角等负荷密集区的500kV主网，此问题尤为突出[11-14]。美国、加拿大等国由于电力市场化改革，大量分布式电源、可再生能源
发电装置、储能设备就近直接接入用户，配电网故障电流的增长也是非常迅速的[15]。环网解裂、母线分段、固定串联电抗、高阻抗变压器等常
规技术措施，会对电网运行带来一定的负面影响。故障电流限制器(faultcurrentlimiter,FCL)已成为应对故障电
流快速增长的一种重要技术手段[16]。随着大功率电力电子器件的进步，出现了固态限流器(SolidStateFCL)。固态限流器
的基础模块是由晶闸管或可关断的电力电子器件(IGCTIGBTIGCTSGTO)与限流元件、控制系统组成。正常运行时开关器件处
于导通状态，将限流电阻或限流电抗旁路；故障发生时开关器件强迫关断。固态限流器可分为串联开关型限流器、桥式切换阻抗限流器(bridg
e-typeswitchedimpedanceFCL)等类型[17-20]。固态限流器的优点是动作时间短，可控性好；主要缺点
是：正常运行时开关器件长期处于导通状态，通态能耗不容忽视。固态限流器需用多重模块串联以耐受系统的暂态过电压。受电力电子器件耐压水平
的限制，目前研制的固态限流器适用于配电系统。固态限流器样机已在配电系统示范，例如EPRI/SiliconPower联合开发的
三相15kV，1.2kA的限流器，由10个模块串联组成，可将23kA的预期峰值限制到9kA。1.2.3固态切换开关在现代高
科技社会中，由于半导体制造、汽车制造和光纤光缆制造等行业的发展，电能的供电质量问题日益凸显。电压暂降可能导致巨大的经济损失甚至导致
生产线或者控制系统停止工作。固态切换开关是解决为敏感负荷供电问题中，最经济、最有效的技术之一。固态切换开关应用基于微处理器、光纤通
信和数字信号处理技术的现代电力电子技术和检测技术来为负载提供可靠的电力供应。所以很多企业需要双电源馈线供电来保证电能的质量和可靠性
，已达到保证高科技制造产业正常进行的目的。传统的机械开关被广泛应用于双电源馈线供电的中高压供电系统，切换时间需要几秒到几十秒不等。
机械开关已经使用很多年的切换系统，在长时间的中断发生时，它是一个很有效的应对措施。对于空气开关和油开关来说，最快的切换时间是0.1
到0.2s[21]。然而，对于敏感负荷来说，例如对于可编程逻辑控制器来说，在这个时间里，变速传动装置和控制装置都将不正常工作。对于
现代敏感负荷来说，例如对于高压汞灯、高压钠灯、金属氧化物灯具等的高强度气体放电灯来说，需要在几毫秒内进行切换。但是，对于机械开关来
说，几毫秒的切换是不可能完成的。当机械开关闭合或者断开时，在机械开关的接触面上会发生震动并产生电弧，这会减少机械开关的使用寿命。而
对于半导体器件来说，比如说晶闸管，开断时间不足10ms，也不会在动作时产生电弧。综上所述，基于晶闸管的快速固态切换开关可以用于替换
传统的机械开关，将会提高切换速度、延长使用寿命并满足敏感负荷对于快速供电可靠性的需求。1.3快速固态切换开关的国内外研究现状和发
展趋势电能作为现代社会的重要能源，广泛应用于各行各业，电能的可持续发展直接影响着社会经济的可持续发展。暂态电能质量问题98%以上是
由电压暂降引起的。为了提高电能质量和供电的可靠性，国际上的通常做法是采用普通过电压抑制器，以防止过电压损坏设备；为保护关键性的重要
设备，使用UPS（不间断电源）；采用滤波器减小谐波畸变；安装备用发电机；安装机械式电源切换开关等等。这些方法成本高，动作时间长且并
不能够完全地解决电能质量问题。快速固态切换开关结合了大功率电力电子技术以及基于光纤通信、微处理器和数字信号处理测控技术[22]。它
的控制保护系统通过对电网进线、出线的三相电压、电流的检测，检测电压暂降，来控制大功率电力电子器件实现两路进线电源的快速切换，解决电
压暂降和短时断电的问题，以实现对负载的不间断供电，保证用户的可靠供电。固态切换开关多用于中低压场合，10kV以上的固态切换开关，国
内只有荣信和中国电力科学研究院有相关产品推出。研究方面，就目前来说，国外（尤其是美国）的技术相对比较成熟，诸如美国的DDC以及LE
ACH等公司生产的产品，占据了市场大量份额，取代了传统的断路器[23]。国内研究起步比较晚，与国外先进水平还有一些差距。随着电力电
子器件的不断发展，科技日新月异，固态切换开关的容量和电压等级有望得到较大的提高。目前结构上主流的固态切换开关分为机械开关与电力电子
器件并联的混合式固态开关，和纯电力电子器件的电子式固态开关[24]。混合式固态开关利用电力电子器件开关和机械开关并联，有机械开关承
担正常供电过程中的稳态导通过程，而在因为电路出现故障需要进行电晕切换时便由电力电子器件完成动态切换，在中低压场合得到了十分广泛的应
用。混合式固态开关结构简单并且通断快速，电力电子器件只在电源切换的短暂过程中导通，稳态工作时电力电子器件由于处于关断状态，因而没有
损耗，所以混合式固态开关可以自然冷却，不需要附加笨重的冷却设备。混合式固态开断有无电弧，工作可靠，寿命长，无需冷却装置等优点，但它
不是完美的，开断速度还是受到机械开关部分的限制，不能应用于某些对速度要求高的场合[25]。纯电力电子器件的固态开关的稳态导通和故障
过程的暂态切换都是电力电子器件单独承担。它的优点主要有开断时间短、无关断死区、无声响、无弧光、寿命长、关断可靠等优点，但是稳态负荷
电流经过电力电子开关导通，电力电子器件在导通时有一定压降，使得电路的功率损耗较大[26]，发热量相应很大，因此要有专门的附加冷却设
备[27]。电力电子技术的不断发展使得晶闸管这种电力电子器件广泛使用，它的通态损耗不断降低，晶闸管串联后稳态损耗可以控制在百分之0
.1以下，本文讨论的就是在低损耗下获得10kV级的大容量、毫秒级的切换速度，这对于高精尖负荷有着重要的研究意义[28-31]。表1
.3表示了传统机械式开关与固态开关比较。表1.3传统机械开关与固态开关性能项目快速固态切换开关机械式切换开关使用寿命次次安全性高
低电磁干扰小大重量轻较轻工作频率<10ms周波尺寸小大噪音小大可靠性高低1.4论文的主要工作1.查阅相关资料文献，了解国内外固态
切换开关的发展情况。2.对比分析各种智能固态开关技术方案、发展历程、国内外研究状况及应用前景，提出适合微网的智能化固态切换开关电路
拓扑结构。3.建立大容量、高可靠快速固态切换开关数学模型，确定基本参数和控制策略。4.研究大容量、高可靠固态切换开关稳态及暂态特性
，重点讨论提高固态切换开关动作的可靠性。5.以10kV电压等级为例，在Matlab/Simulink环境下对论文研究的拓扑结构、控
制方法进行仿真分析、验证。6.在完成以上任务前提下的创新性研究。第二章大容量高可靠快速固态切换开关的研究2.1大容量高可靠快
速固态切换开关的拓扑结构图2.1表示大容量高可靠快速固态切换开关的基本结构。大容量高可靠快速固态切换开关是由一对反向并联晶闸管和一
个快速机械开关并联组成，用来在发生电压暂降时由主电源侧向备用电源侧的无缝连接，以防止设备中断。图2.1SSTS的基本结构图2.
2表示了应用混连开关设备组成的SSTS电路结构。混连开关基本上由一对反向并联晶闸管与一个快速机械开关并联组成。图2.2SSTS
的简单电路图正常运行过程中，线电流流经主电源侧反向并联晶闸管P(PP/PN)，当主电源发生故障时，检测到故障后，根据备用电压侧电压
电流关系和负载线电流相电压关系，在合适的情况下，对晶闸管P施加反向电压，同时，对晶闸管A(AP/AN)施加脉冲触发电压，将负载从主
电源切换到备用电源侧，由电能质量较好的备用电源给负载供电。大容量高可靠快速固态切换开关应用混连开关设备减少了损耗的同时减少了对冷却
设备需求。应用混合开关减少了冷却系统装置，组成了结构紧凑、重量轻、高可靠的SSTS系统。2.1.1混合开关装置的基本结构混合开关
的基本电路结构如图2.3所示，开关的参数如表2.1所示。混合开关装置是由一对反向并联的晶闸管和一个快速机械开关并联而成。一种金属氧
化物型间隙少的避雷器也跨接在晶闸管开关两端，以防止各晶闸管瞬时过电压。图2.3混合开关装置的基本结构图表2.1混合开关额定值
额定电压15kV额定电流600A/1200A截至电流12.5kA/25kA晶闸管额定值12kV/15A2.1.2并联快速机械开关
并联快速机械开关是由断开和闭合驱动构成，包括断开和闭合线圈、一个排斥版和一个弹簧结构。为了实现快速的断开功能，先为断开线圈提供脉冲
电流，然后，在弹簧结构的协助下，通过磁排斥力驱动真空灭弧室工作[32]。能否成功动作最困难的地方就是确保在最合适的位置接触。新型的
弹簧结构提出了一种解决方案。弹簧结构中包括两个锥形弹簧。两个弹簧的方式产生接触保持力，并在不产生闭锁结构的同时使接触保持在适当的位
置，从脉冲电流传导开始到开关断开共0.6ms。2.2大容量高可靠快速固态切换开关的工作原理2.2.1三相大容量高可靠快速固态切
换开关的主电路由图2.4所示为三相双路供电大容量高可靠快速固态切换开关的主电路图[33]。主要是由以下部分组成：1.两个相互独立的
电源，分别是主电源和备用电源。2.快速固态切换开关。3.连接到负载母线的敏感负荷。图2.4三相SSTS主电路图2.2.2三相
大容量高可靠快速固态切换开关的工作原理三相SSTS的模型如图2.4所示。两个晶闸管模块将主备用电源连接，它包括了晶闸管模块P（主电
源侧）和A（备用电源侧）。每个晶闸管模块是由反向并联的晶闸管组成，来保证正向和反向电流导通[34]。快速机械开关Pb和Ab分别与晶
闸管模块P和A并联，用来确保即使在晶闸管模块故障时也可以正常运行。1.正常运行在正常运行时，如图2.5(a)所示，机械开关Pb和A
b都处于断开状态，负载由主电源侧晶闸管开关P导通供电。2.切换动作在检测到主电源出现电压暂降后，控制器提供命令信号,检测备用电源电
压是否正常并符合切换条件，若备用电源电压满足要求，则给晶闸管开关A一个门极脉冲触发信号使其导通，并给晶闸管开关P一个断开信号，使其
断开。如图2.5（b）所示，给晶闸管开关A施加门极触发脉冲信号，从而实现从主电源到备用电源间的无缝切换[35-36]。3.完成切换
动作在完成晶闸管开关P和晶闸管开关A的切换后，正常触发晶闸管A，实现晶闸管开关A内部的AP和AN间的正常切换运行。图2.5SS
TS工作原理图2.3快速固态切换开关的控制方式当主电源正常运行时，敏感负载由主电源供电。当主电源发生电压暂降或中断等故障时，迅速
切换到用备用电源供电。在主电源恢复正常后，再切换回主电源供电。切换控制方式是SSTS控制系统的核心部分。考察切换控制策略好坏的一
个主要指标是切换时间TT（TransferTime），即发生电压暂降到晶闸管完成切换的时间。SSTS的切换控制策略主要有2种：
过零切换（Break-Before-Make）和强迫切换（Make-Before-Break）[37]。在控制系统接到切
换指令后，根据图2.6中状态转换方式，迅速切换相应状态。判断主备用电源状态，如果主备用电源均正常，则由主电源为负载供电；如果主电源
故障，而备用电源正常，则切换到备用电源供电，在主电源恢复正常后，切换回主电源继续供电；如果主电源正常，而备用电源故障，那么继续使用
主电源供电，但突然主电源也发生故障，那么判断备用电源是否正常，如果备用电源正常，那么就切换到备用电源供电，而备用电源发生故障，那么
两电源均停用；如果两个电源均故障，那么两电源均停用[38-42]。图2.6切换控制逻辑状态转换图2.3.1过零切换由于线路阻抗
、传输路径的不同，主、备用电源在电压幅值和相位上会存在一定的差异。如果SSTS的控制系统出现问题，晶闸管模块P和晶闸管模块A
同时被触发而使主、备用电源并联，此时主、备用电源之间会形成很大的环流，影响电网的稳定和设备的安全[43]。如图2.7所示，过零切换
控制方式是在检测到主电源侧晶闸管模块中流过的电流减小到零后，即主电源侧晶闸管模块完全关断后，再触发备用电源侧的晶闸管模块[44]。
这种控制方式可以有效的避免主、备用电源并联运行，保证电网和敏感负荷的安全运行。由此可知，快速固态切换开关过零切换基本上可以很好的避
免了主、备用电源有可能产生的并联运行这种极端情况，这很好确保了电力系统和灵敏负荷运行的稳定、安全。但SSTS采用过零切换的话，切
换时间过长，仍可能对敏感负荷造成严重影响，从而限制了SSTS的应用范围。图2.7过零切换原理图如图2.8所示为过零切换的流程
图，实时检测主电源侧电压，在检测到电压跌落信号后，判断主电源电压是否异常，如果异常，就检测备用电源侧电压是否异常，如果备用电压电压
符合要求，那么就将主电源侧晶闸管支路脉冲闭锁，直到主电源侧电流为零，触发备用电源侧晶闸管模块，实现从主电源到备用电源的无缝切换。图
2.8过零切换流程图2.3.2强迫切换强迫切换控制方式是在即将备用电源晶闸管模块中流过的电流未减小到零时，直接触发备用电源的
晶闸管模块[45]。目的是强制即将退出运行的晶闸管模块中流过的电流减小到零，加快切换过程，缩短切换时间。强迫切换是通过监测晶闸管模
块中各晶闸管的端电压（例如：PP1／PN1的端电压Upsa，如图2.9所示）判断晶闸管中电流的极性，然后根据电流极性触发备用电
源的晶闸管模块中对应的晶闸管（例如：PP2／PN2）。图2.9单相强迫切换原理示意图如图2.9所示，VS1表示主电源电压，
VS2表示备用电源电压，I1、I2分别表示主、备用电源侧电路中通过的电流。PP1、PN1表示主电源侧反向并联晶闸管（图中省略了并联
机械开关），PP2、PN2表示备用电源侧反向并联晶闸管。在VS1出现电压暂降故障且需要切换到VS2供电时，电流流向如图2.10中所
示，晶闸管P导通。当备用侧晶闸管承受反压，且不会形成换流时是投切备用侧晶闸管的最好时机，所以当主电源电流I1如图2.10中所示方向
时，备用电源侧电流I2方向也如图2.10所示，也就是晶闸管开关A导通。备用电源侧晶闸管两端压降此刻为VS2-VS1，同时，晶闸管开
关A的触发条件为VS2>VS1，因此主电源侧晶闸管此时承受反压。从上面的分析可得，备用电源端晶闸管触发导通条件为：如果主电源侧晶闸
管PP1导通，就给备用电源端晶闸管AP2触发导通信号。反之，若PN1导通，给AN2触发导通信号。图2.10强迫切换原理图由此得
出如图2.11所示强迫切换控制流程图。实时检测主备用电源两侧电压，在检测到电压跌落信号后，判断主电源电压是否异常，如果异常，就检测
备用电源电压是否异常，是否在切换条件使用的范围内，如果备用电源电压负荷要求，那么就将主电源侧晶闸管支路脉冲闭锁。判断主电源侧电流是
否为正，如果电流为正，则给备用侧正向晶闸管脉冲触发信号，如果电流为负，则给备用侧反向晶闸管脉冲触发信号，然后，判断主电源侧电流是否
全部为零，如果电流全部为零，就打开备用侧晶闸管所有触发信号。图2.11强迫切换流程图切换过程完成之后，敏感负荷由电压质量相对较
好的备用电源供电。如果主电源电压恢复正常供电，为了确保主电源完全恢复，SSTS切换控制系统延时4~5个周期，而后封锁晶闸管模
块A的门极触发信号，在各相电流过零点处触发晶闸管模块P，继续由恢复正常的主电源为敏感负荷供电。2.4本章小结本章首先介绍了大容
量高可靠快速固态切换开关的拓扑结构，其次介绍了其工作原理，再次介绍了其控制策略。SSTS由晶闸管开关与快速机械开关并联，快速机械开
关用于检修和其他情况备用，正常运行和故障切换均由主备用电源侧晶闸管间切换完成。在检测到主电源侧发生故障后，判断备用电源侧的电压是否
满足敏感负荷需求，如果满足，则以最快速、最安全、最可靠的方式切换到备用电源侧为负载供电。为保护敏感负荷，SSTS的主要作用是在主电
源侧发生故障时，快速准确的切换到备用电源侧，所以SSTS对切换时间和切换稳定性的要求最高，这就与控制策略息息相关，在本章最后的部分
简要介绍了两种切换控制策略的方法和原理。第三章大容量高可靠快速固态切换开关的控制3.1网侧故障的识别为达到快速切换的目的，切
换时间是衡量SSTS的一重要标准，切换时间包括故障检测时间，切换指令传达时间和切换动作时间等。将电压检测方法与SSTS相结合，选择
合理快速可靠的检测方法检测网侧故障非常重要，电压暂降检测的算法有很多[46-48]，目前应用最多的检测算法有有效值算法、dq变换法
以及改进型dq变换法等。3.1.1有效值算法图3.1表示SSTS控制系统的框图。电压检测电路（VS1和VS2）持续监测主电源侧和
备用电源侧的电压（VS1和VS2）。此外，电压相角差的检测电路(VPD)检测主备电源两侧相角差[49]。图3.1有效值电压检测
控制图监测信息被发送到SSTS的监控电路（SCC）。当主电源侧电压偏离于预先设定的最高电压值和最低电压值（VU或VL）时，监控电路
SCC把命令信号发送到SU1和SU2来执行传送操作。图3.2所示为电压检测器。电压检测器检测电压值（v）分别正比于各相电压的幅值。
相电压，相移90°得到。所以v可以用公式（3.1）计算出来。（3.1）其中相角θ是由与各相电压同步的锁相环得出[50]。由于电压
检测器检测的是电压幅值，检测到的幅值不像平滑滤波器一样，并没有任何延时，电压检测器可瞬时检测到电压扰动。电压检测策略：图3.2为电
压检测电路图。这种方式在电压暂降的情况下也简单易行、精准快速。图3.2中瞬时相电压被数字采样（采样频率是10kHz），有效值是通过
先平方再通过积分电路计算出来的。用二阶传递函数来快速计算任何电压波动情况下的有效值电压。通过采用比较三个有效值相电压，得到三个有效
值相电压的最小值，使反应更加快速。接下来，敏感负荷所能承受的电压偏差多为正常电压的10%。当主电源电压偏差在允许范围里时，快速机械
开关正常工作[51-52]。如果主电源电压偏差超出了敏感负荷的承受限制，控制逻辑检测备用电源。如果备用电源电压在允许范围里，负载由
备用电源供电[53]；否则，负载的供电情况不会有任何变化。当主电源恢复正常时，在确保主电源相电压完全恢复后，负载经过一段时间（几个
周期）转换由主电源供电。图3.2有效值法电压暂降框图3.1.2d-q变换法为实现电压暂降/电压暂升检测系统，应用abc到dq
0的派克变换将相电压转换成正序同步坐标分量（SRF）[54]。如果主电源在正常情况下运行，或者任何对称故障发生的话，正序的d-q分
量（Vd和Vq）都是直流分量。如果发生任何不对称故障，所产生的电压暂降/电压暂升都会不对称，并包含正序分量和100Hz的负序分量（
电网的工作频率为50Hz）[55-56]。在正序分量法中，正序分量部分称为直流分量，100Hz的负序分量部分称为谐波。一般情况下，
为了分离直流分量和谐波分量，在的运算后经过一个低通滤波器（LPF）。图3.3派克变换图将相电压进行正序电压分量转换如公式（3.
2）所示（3.2）其中（3.3）（3.4）其中Vab，Vbc，Vca都是主电源侧的相电压；Vd和Vq都是主电源侧的d-q正序
直流分量；ω是正序旋转的角频率；是变换角。峰值用下述公式计算得出：（3.5）图3.4表示了带有一个低通滤波器的电压检测逻辑图。从
abc到dq0变换后的模块输出为Vd，Vq表示直流分量Vref。得到的误差信号er通过一个低通滤波器是为了减少谐波导致的错误传输信
号[57]。但是，低通滤波器会给误差信号带来一个很大的延时，这个延时长短是由滤波器的低通截止频率f决定。把滤波器的输出（误差信号）
与承受极限Etot相比较。比较器的输出信号就是当主电源侧出现故障时的切换信号。主备用侧电源电压都要应用这种相同的控制方式。然而，这
种方式不能够得到原始的正序分量。这种方式也会给切换信号造成很大的延时。Vp也可用于在经过干扰滤波器以后分离出正序分量和谐波分量来计
算切换信号。图3.4d-q法检测电压暂降电路图3.1.3改进型d-q变换法本文研究的改进型d-q变化法的电压暂降检测方法方法
如图3.5所示。图3.5新型电压检测原理图主电源侧的端子电压分别为Vab，Vbc，Vca，按公式（3.6）进行d-q变换以后分
解为正序分量（3.6）（3.7）（3.8）R()旋转了的角度。下角标（p）表示该数值是正序分量变换法得到的。下角标d和q分别
表示在正序分量法的d轴和q轴上的分量。由于正序分量是进行逆时针方向转动，负序分量是进行顺时针方向转动，正序分量仅存在直流分量部分而
负序分量变成了100Hz的分量部分[58]，如下公式（3.9）得到（3.9）下角标p表示正序分量部分，下角标q表示负序分量部分。
对于对称故障来说，没有必要去分别提取原始的由正序分量变换法得到的正序分量和负序分量。只应用d分量就足以表示电压的暂降和暂升，因为d
分量是对称故障的直流分量。为了有效的进行电压暂降/电压暂升的检测，要将原始的正序分量和负序分量中存在的直流分量提取出来。公式（3.
10）是将公式（3.9）通过积分求得（3.10）经过积分器以后变成了。由于正序分量是恒定值，所以正序分量经过积分器以后是0。公式
旋转90°以后再除以，如公式（3.11）所示（3.11）将公式（3.11）和公式（3.9）只留下正序分量，即直流分量，移除所有的
负序分量，得到公式（3.12）（3.12）最后，为了使用原始的d分量，应用公式（3.13）（3.13）其中Vdp表示直流分量通
过一个有很高频率的干扰滤波器。因此，通过这种方式就可以避免应用传统方法通过低通滤波器带来的延时了，最后，为了计算电压暂升加入了一个
取绝对值模块（是为了防止时产生的电压暂升），滞环比较器是为了产生一个切换信号。3.2门极控制策略3.2.1切换和门极电路构造原
理切换和门极电路是由三个相同的逻辑块在每相的主电源侧和备用电源侧控制晶闸管的门极信号。在每相中，它提供了一个相电压过零时的启动来抑
制浪涌电流。当主电源侧出现故障时，根据线电流的极性从主电源到备用电源切换。如图3.6所示，为晶闸管门极电路结构图。图3.6SST
S切换门极逻辑结构图门极电路的输入分别是：1.主电源线电流和备用电源线电流2.主电源相电压和备用电源相电压3.电压检测电路的输出，
即切换信号电压检测电路的输出，及切换信号，该切换命令由两个信号组成，分别是检测到主电源侧的故障信号和备用电源侧的状态信号。3.2.
2零电压启动运行当负载首次供电时，每相负载都要在主电源电压过零的时候与主电源连接。如果不是在电压接近零时连接，电压的变化可能会导
致容性负载上出现浪涌电流。由于线路阻抗的存在，浪涌电流会使系统产生电压暂降。所以，要在电压接近零时接入负载。门极逻辑设计是为了使负
载在连接主电源启动时，在相电压过零点启动。因为电压检测模块测量了系统的线电压，因此，只需要设计一个模块对相电压过零进行检测即可。如
图3.7表示了电压过零检测逻辑的原理图。如果,,是备用电源相电压而且系统是平衡的，那么A相电压为：（3.14）（3.15）同理
可证，B相和C相的相电压为：（3.16）（3.17）图3.7SSTS切换门极逻辑过零检测结构图当系统初次启动时，门极逻辑要等
到相电压过零时触发主电源侧反向并联的两个晶闸管，即PP1和PN1。3.2.3选择门极切换方法不管是正常运行，还是切换过程门极逻辑
需要持续不间断的为每相晶闸管开关提供触发信号。切换门极电路采用选择门极策略来避免切换过程中电源的并联。当切换开始时，切换逻辑电路检
测主电源侧每相的晶闸管的状态（“闭合”或者“断开”），然后再触发备用电源侧相对应的晶闸管开关。晶闸管状态的检测是通过检测线电流的极
性来检测的。如果主电源侧晶闸管开关P中的PP1闭合，检测到故障后触发备用电源侧晶闸管AP2，如果主电源侧晶闸管开关P中的PN1不到
痛，检测到故障后触发备用电源侧晶闸管AN2。切换门极电路成功切换到同向备用侧晶闸管的完成，意味着换流的成功。3.2.4晶闸管的关
断时间和电流过零检测选择门极的控制主要是由电流极性检测电路决定的。电流极性检测电路越精准，负载切换效果越好。然而，检测正确的极性是
很困难的，而且在切换过程中可能会出现很复杂的情况。如图3.8描述了电流极性检测逻辑图。线电流流经一个低通滤波器，滤除电流信号的高频
分量[59]。通过这种方式就不仅可以避免多个过零检测的问题，还可以避免出现载波移相的问题。为了检测电流的极性，还需要应用一个电流滞
后比较器。即使电流的幅值很小，这个滞后比较器也可以检测出电流的极性。滞后比较器的输出将保存到接受到新的输入值。那么通过这种方式就可
以检测出电流的极性了。图3.8SSTS切换门极电路电流极性检测逻辑结构图要使晶闸管关断，阳极电流必须减小到维持电流以下，同时必须
维持足够长的时间来确保晶闸管的控制结恢复到阻断状态。在切换门极电路中，这是通过电流过零检测和一个延时逻辑实现的。如图3.9表示了过
零检测和延时电路的结构。图3.9SSTS门极切换电路电流过零检测和晶闸管关断逻辑结构图电流极性检测的输出是过零检测电路的输入。过
零检测将之前的输入与新的输入相比较，如果电流极性发生了变化，则输出一个过零信号。接收到过零信号以后，经过一段延时，可以使主电源侧的
晶闸管开关保持阻断状态。3.3主备用侧电源幅值相角对切换的影响在检测到电压暂降后，每相主电源能否快速安全的切换主要由以下三个量幅
值和相角决定：主电源侧瞬时相电压（例如Va_p(t)）;备用电源侧瞬时相电压（例如Va_a(t)）;主电源侧瞬时线电流（例如Ia_
p(t)）。下面对四种情况进行了详尽的分析：情况一：主电源侧瞬时相电压（例如Va_p(t)）、备用电源侧瞬时相电压（例如Va_a(
t)）、主电源侧瞬时线电流（例如Ia_p(t)）同相位。电压模值的绝对值的瞬时差（例如，|Va_p(t)-Va_a(t)|）大于一
个确定的极限值ΔV1min，要确保导通的晶闸管有足够的时间关断。图3.10情况一切换动作图如图3.10描述了情况一下A相的切换。
t=0.028s发生故障，切换信号在t=0.032s产生（检测出电压暂降），在t=0.0325s开始进行切换（切换仅在A相进行）。
强迫晶闸管PP1断开，接通晶闸管AP1。并且，正如预期，直到PP1完全关断为止，备用电源A相AP1可以触发，主备用电源电压相等。在
这种特殊的情况下，一个很小的瞬时电压差|Va_p(t)-Va_a(t)|可以使晶闸管间安全切换。切换时间为t=0.0325-0.0
28=0.0045s，满足敏感负荷对时间的严苛要求。情况二：主电源侧瞬时相电压（例如Va_p(t)）、备用电源侧瞬时相电压（例如V
a_a(t)）、主电源侧瞬时线电流（例如Ia_p(t)）同相位，|Va_p(t)-Va_a(t)|小于极限值ΔV1min，且切换逻
辑延时到线电流为0（例如Ia_p(t)=0）。如果|Va_p(t)-Va_a(t)|大于0成立，则开始切换（如图3.11）。t=0
.022s时发生故障，t=0.0277s时产生切换信号，t=0.0296s时进行切换。切换时间为t=0.0296-0.022=0.
0076s，满足敏感负荷对时间的严苛要求。图3.11情况二切换动作图情况三：如果|Va_p(t)-Va_a(t)|<0，当线电
流（例如Ia_p(t)）过零时，主电源侧瞬时相电压（例如Va_p(t)）、备用电源侧瞬时相电压（例如Va_a(t)）、主电源侧瞬时
线电流（例如Ia_p(t)）同相位。|Va_p(t)-Va_a(t)|第一次大于0时进行切换。图3.12情况三切换动作图如图3.
12所示，t=0.032s时发生故障，t=0.0337s时产生切换信号，t=0.0372s时进行切换。情况四：Va_a(t)和Ia
_p(t)同向，Va_p(t)反向，可以得到切换信号。在这种情况下，可以直接进行切换来减少切换时间。当|Va_p(t)-Va_a(
t)|大于一个预先设定值ΔV2min时，要确保晶闸管PP1有足够长的时间关断。图3.13情况四切换动作图如图3.13所示，Va_
p(t)与Va_a(t)和Ia_p(t)反向，并且|Va_p(t)-Va_a(t)|大于预先设定值ΔV2min。在t=0.027s
时发生故障，t=0.0293s时检测到故障。因此，换流时间主要与以下参数有关：1.故障前主备用电源相电压的相角差。该相角差在0到4
0°之间，主要受线路阻抗和传送到负载的有功功率和无功功率影响。2.故障前备用电源电压的模值。3.负载的功率因数，它决定了主电源电压
与电流的位置关系。4.故障的严重程度，它决定了当发出转移信号时主电源侧的瞬时电压值。5.故障类型。6.故障发生瞬间主备用电源状态。
3.4切换时间当主电源侧每相与负载连接的晶闸管都关断，备用电源侧每相与负载连接的晶闸管都导通时，切换完毕。因此，影响切换过程的各
个参数同时也影响切换时间的长短。它们包括以下因素：1.晶闸管触发门极，即晶闸管P的关断信号和晶闸管A的触发信号。2.负载类型、参数
以及特征，它们决定了相电压的相对位置、线电流过零点和晶闸管的电压降。3.故障/干扰特性，它决定了主备用电源之间的差别并决定了晶闸管
输入和输出之间的电压降。4.电压暂降/电压暂升的检测方法，它决定了故障/干扰检测的延时（检测时间）。电流方向和过零检测逻辑用于检测
每个晶闸管的开关状态，即闭合/断开状态。这是为了避免在切换过程中的主备用电源并联。3.4.1影响估算切换时间的因素对于SSTS传
输时间的估计不是一个直接就能计算出来的量，因为传输时间与每相晶闸管开关的切换有关。切换过程本身由系统参数和SSTS的控制方式决定的
。根据实际情况，做出以下工程假设：1.主备用电源同相位。这种假设符合实际的分布式系统。2.晶闸管上的电压跌落与系统电压相比可忽略不
计。3.与负载阻抗相比线路阻抗可以忽略不计。4.在切换过程中不存在交叉电流。根据上述假设，本节以对感性负荷在各种故障/干扰时的切换
时间进行可靠的分析估计。本文分别对三相短路、单相接地短路和两相短路的切换时间进行估计计算。3.4.2三相短路切换时间估计当主电路
发生单相接地故障时（3.18）（3.19）（3.20）其中ia，ib，ic是负载电流。根据公式（3.24）、（3.25）、（
3.26）可以计算出ia值（3.21）（3.22）主电源和备用电源同向（3.23）同时（3.24）其中是相电压的峰值，是角
频率，是初相角。由公式（3.23）和公式（3.24）可以计算出ia（3.25）其中ia0是A相开始切换时的的电流，是负载角，其中
（3.26）（3.27）切换是在ia等于0的时候完成的。因此，切换时间可以根据公式（3.25），令ia(t)=0，计算出时间t
来。切换过程开始时电压过零，将会消耗最长的切换时间，切换过程将在下一个电流过零时刻完成。如图3.14所示，最长的切换时间是ttr，
总的最长负载切换时间是ttot（包括1ms的晶闸管关断时间）。这表明，负载的功率因数越大，总的负载切换时间就越少。图3.14三相
电压跌落时间3.4.3单相接地短路切换时间估计在检测到单相接地短路后，如果备用电源的相电压和主电源的线电流的方向与故障相的相电压
和线电流对应有相同极性，那么马上发生切换而且切换时间非常小。根据电力系统运行特性可知，主电源和备用电源相电压方向相同，但如果线电流
对应极性不同，那么切换时间由电流过零的时间决定。如果A相是故障相，根据公式（3.25）和u=0，ia可以由下式得出（3.28）其
中ia0是在故障/干扰检测到的瞬间A相的线电流，是负载角，其中（3.29）图3.15表示切换时间和总的负载切换时间与故障瞬间和负
载功率因数变化的关系。如图3.15所示，切换时间取决于故障时刻。在0<Ф<30°时，切换时间非常小，足够满足敏感负荷对时间的需求。
在功率因数为0.8到0.9的情况下，切换时间也非常小，同样可以满足敏感负荷对时间的需求。因此相电压和线电流的极性与检测到故障的瞬时
的极性相对应，切换时间的长短受到相电压和线电流极性的影响。图3.15单相接地故障时间3.4.4两相短路切换时间估计如果在主电源
侧发生A相B相两相短路，线电流的公式可以扩展为（3.30）（3.31）其中和是负载线电压，和分别是A相和B相的线电流，在故障期
间（3.32）且（3.33）因为，在检测过程中（3.34）（3.35）根据公式（3.29）和公式（3.30）可以计算出和（
3.36）（3.37）其中和是A相和B相在故障瞬间的电流值，其中（3.38）如果B相在时刻切换到备用电源，A相在时刻切换到备用电
源，并且，又因为，则在过程中，根据公式（3.34）得到：（3.39）A相电流是（3.40）其中（3.41）（3.42）公式（3
.36）用于计算切换时间。如图3.16所示，在两相短路时切换时间与故障瞬间有关。当时，切换时间足够小，完全可以满足敏感负荷对时间的
需求。图3.16两相故障时间3.5本章小结由于在短时间的电压暂降或暂升就会对用户造成巨大经济损失，所以SSTS最重要的一个考核
标准就是切换时间。切换时间由三部分组成，包括故障检测时间、切换指令传达时间以及切换动作时间。故障检测时间由网侧故障的识别方式决定，
本章介绍了三种识别方法，即有效值算法、d-q变换法和改进型d-q变换法。对于门极控制策略，本章介绍了切换和门极构造原理、零电压启动
运行、选择门极切换方法和晶闸管的关断时间。在介绍以上要素的基础上，讨论了切换时间和主备用侧电源模值辐角对切换的影响。对四种情况进行
了分析讨论，研究了SSTS使用的切换场合。分别在三相短路故障、单相短路故障和两相短路故障的情况下，分析计算切换时间。第四章快速
固态切换开关稳态与暂态特性4.1大容量高可靠快速固态切换开关稳态特性的研究4.1.1负载电压时间特性如图4.1所示，计算机商业
制造商协会典型电压要求定义了负载电压的要求和SSTS在正常或者故障状态下的运行情况：负载电压的时间特性表明了电压变化对敏感负荷的影
响，并定义了主电源侧发生故障时SSTS的动作标准。在指定的电压内负载可安全运行。只要主电源电压在指定标准内安全运行，SSTS就不会
进行切换。图4.1是由计算机商业设备制造商协会给出的典型的电压要求。图4.1计算机商业制造商协会典型电压要求4.1.2抗干扰
特性1.电容器开关电压瞬变不切换SSTS的设计目的之一就是在电容器开关瞬变时不存在空载切换。因此，电容器开关瞬变的影响必须被SST
S排除。2.过载或负载故障时不切换在过载或者是在负载侧出现故障时不进行切换动作。在这种情况下，SSTS的控制逻辑必须使负载电流流过
，直到保护设备动作。4.1.3负载参数这部分介绍了SSTS需要用到的电力系统规范。这些规范包括负载性质，例如负载额定电压/电流、
保护装置的电流-时间特性、负载变压器的参数和瞬间电容器开关电压。必须侧出电压源的电抗，还要知道电容器组的瞬态电压。以下是设计SST
S系统所需的负载参数1.负载额定电压/电流根据负载额定电压/电流指定SSTS的额定电压和电流有效值。2.负载特性切换时间不但与晶闸
管的控制方式有关还与负载特性有关。切换时间与负载类型有关，例如感性负载或者发电性质负载、负载的功率因数都会影响切换时间。因此，为了
设计SSTS并侧试SSTS能否满足负载电压要求，必须知道负载特性。4.2大容量高可靠快速固态切换开关暂态特性的研究4.2.1负
载变压器一次侧的短路电流在切换过程中负载变压器将会遭受一个瞬态潮流。这个瞬态潮流将会导致SSTS承受浪涌电流。因此，在设计SSTS
的额定电流时也需要考虑负载变压器的特性。如果负载变压器一次侧发生故障，即在SSTS的下游发生故障，根据设计要求，控制逻辑要将负载的
故障与主备用电源故障隔离。一检测到故障就马上发出门极信号，将主电源切换到备用电源。然而，在电流没有过零时，晶闸管上一直存在导通电流
。因此，在半个周期里晶闸管都必须能够承受最大短路电流。为了计算最大短路电流，就必须知道线路的短路电流。4.2.2浪涌电流主电源在
检测到电压暂降后，SSTS将负载从主电源切换到备用电源，为负载供电。然而，在快速切换的过程中由于有很大的线电压的变化，可能会使负载
变压器上产生浪涌电流。发生电压暂降后，在SSTS切换到备用电源侧时，直流失调的偏磁可能会产生8到30倍基准值的浪涌电流。直流失调的
大小以及浪涌电流都与电压暂降的形式和SSTS的切换时间有关。如上所述，非对称的电压暂降比对称的电压暂降产生的浪涌电流大。很高的浪涌
电流可能会超过电源馈线上过电压保护的极限，而使过电压保护动作。为了尽可能的减少偏磁的直流失调，本文采用在SSTS上建立脉冲整流桥的
磁链估计和晶闸管切换方案。检测负载变压器电压和备用电源电压，磁通估计推测出在负载切换时的瞬时磁通最大值，通过这种方式选择合适的切换
时间来减少浪涌电流。4.3浪涌电流的抑制如上所述，SSTS系统的控制图是由电压暂降检测、磁通估计和晶闸管门极逻辑组成。为了检测电
压暂降，将主电源侧的电压经过派克变换转换成同步正序电压分量。通过这种变换，可以检测出电压暂降。磁通估算是要计算出负载变压器的磁链和
瞬时磁通的最大值[60]。如果检测到电压暂降，晶闸管门极逻辑用估计的磁链来计算最合适的负载切换时间。因此，只有当磁链在预先确定的范
围内时，才进行切换动作。4.3.1SSTS的脉冲整流桥如图4.2所示，强迫整流电路并联于主电源晶闸管两侧，用来加快切换过程。SS
TS的脉冲整流桥的运行如下：图4.2切换过程等效电路图1.如图4.2（a）所示，在正常运行时，负载流经晶闸管T1由主电源供电。
2.如图4.2（b）所示，主电源侧检测到故障后，停止主电源晶闸管门极脉冲，触发辅助晶闸管T11和T22，使晶闸管T1p电流快速减小
到零。3.电流从脉冲整流桥电路流通直到晶闸管T2p导通，负载开始由备用电源供电。4.晶闸管T2p导通后，负载由备用电源供电。脉冲触
发时间（t3）必须要大于晶闸管截至时间（t2）（一般）。在设计脉冲整流桥时，谐振电感Lr可以缩短谐振电流的上升时间来避免损坏辅助晶
闸管。谐振电感Lr可以通过如下公式（4.1）计算（4.1）其中(dir/dt)|critical是辅助晶闸管电流的临界增加速度，
VC0是谐振电容器的初始电压。图4.3表示主电源侧晶闸管关断过程中电压的变化情况。初始电压VC0要克服晶闸管的反向恢复特性即满足关
断时间的要求。即使很大的初始电压可以使切换在短时间内完成，但在切换过程中产生的过高的电压尖峰可能会破坏负载。因此，就需要选择一个合
适的Cr来限制初始电压VC0。图4.3主电源侧晶闸管关断过程图当切换动作开始时，主电源侧晶闸管上的电流开始减少，最后在(t=t
2)时刻减小到零。主电源侧晶闸管必须在反向恢复时间(trr)和关断时间(tq)里保持反向偏置，这个时间与线电流的大小有关，通常在5
0~300μs间。如图4.3所示，在(t=t2)时刻，电容器最少需要(ΔVrr+ΔVhold)的电压来避免反向恢复时间和关断时间内
的任何触发。因此，通过分析VC0，电容器Cr所需的最小电容为：（4.2）其中Ipeak是负载电流的最大值，Qrr是所储存的电荷。
4.3.2磁链估计通过磁链估计可以根据测量主备用电源的线电压来计算出磁链的最大值。为了叙述方便，脉冲整流桥的电压忽略不计，AB相
的偏磁如公式（4.3）所示，如图4.4所示，主备用电源馈线接入星/角变换的变压器。（4.3）图4.4负载变压器单绕组星/角变
换切换过程中脉冲整流桥的过程包括电压检测和切换，切换完成后的磁通可以写为（4.4）这个公式可以写成（4.5）其中（4.6）假设备
用电源侧电压为（4.7）其中为备用电源侧馈线的电压模值，为电网频率，为相角。因此，切换完成后，磁链的计算为（4.8）其中（4.
9）且（4.10）如图4.5所示，变压器绕组上电压和所得交链磁通在从检测到电压暂降到完成切换过程的变化情况。其它变压器绕组的磁链
也可以这样计算。公式（4.8）表示由电压暂降引起的变压器绕组和切换过程中直流偏磁，其幅值与电压暂降的状况有关。图4.5负载切换
过程中负载变压器电压和磁通量负载变压器电压和备用电源馈线可以计算出三相直流偏磁的值。最大偏磁按下述公式计算（4.11）如图4.6
所示，框图是根据公式（4.11）画出的。图4.6磁通估计电路结构图4.3.3抑制浪涌电流门极触发方式预先确定值由公式（4.1
2）计算（4.12）其中为稳态时偏磁的最大值，k是确定的缩放因子。图4.7晶闸管门逻辑如图4.7为晶闸管控制逻辑图。如果，且
，那么切换A相B相，如果且，那么切换C相。A相B相同理。图4.8表示每相负载变压器的绕组偏磁和估计出的最大磁通。图4.8晶闸管
门极切换过程在t=tsag时发生电压暂降，电压暂降导致直流偏磁，并导致在切换过程中磁通幅值的增加。在时检测到电压暂降，只有在磁通峰
值和间时，才能进行切换。如图4.8所示，当检测到电压暂降时，B相和C相进行切换动作，因为在范围内。在时，和降到了范围内，A相在时进
行切换。4.4本章小结本章主要介绍了SSTS稳态特性、暂态特性和浪涌电流的抑制方法。稳态特性介绍了负载电压的时间特性、抗干扰特性
，同时研究了负载参数对SSTS稳态特性的影响。主要研究了SSTS的暂态特性，介绍了负载变压器一次侧的短路电流和浪涌电流对SSTS暂
态特性的影响。由于浪涌电流是影响SSTS暂态稳定性的最主要原因，本章主要研究了抑制浪涌电流的方法，即通过磁链估计的方法设计抑制浪涌
电流的门极触发方式来抑制浪涌电流。先研究了SSTS的脉冲整流桥，又研究了磁链的估算方法，最后研究了根据磁链计算，控制门极触发方式的
抑制浪涌方法。第五章仿真在电力工程领域中，为了很好的模拟高电压大功率的运行特点，MATLAB中提供了SIMULINK模块供用户
使用，其包含了一个动态系统建立模型并仿真的软件包，并且以WINDOWS的模型化图形输入为基础，SIMULINK中的电力系统仿真模块
包括连接模块、电源模块、基本元件模块、电机模块、测量模块、电力电子器件模块等。由于它既为用户搭建自定义的控制框图的设计平台，以及提
供了动态仿真设计程序窗口，所以它是一款功能全面的综合电力系统分析仿真工具。本文利用Simulink分析研究大容量高可靠固态切换开关
。根据SSTS控制系统数学模型来搭建仿真模型。根据SIMULINK仿真结果对本文介绍的固态切换开关控制方式做出客观的评价，对控制方
式的可行性做出准确的判断，并对SSTS的可靠性和高效性做出详细的分析。5.1控制方式的仿真5.1.1基于d-q变换法的电压检测
仿真使用MATLAB中的simpowersystem模块搭建线路模型（如图2-3），先模拟发生单相接地短路故障时的故障电压。输入三
相工频交流电源，假设三相电源A相发生接地短路故障时的时间段为0.3秒到0.6秒。图5.1A相接地故障仿真图如图5.2所示，A相正
常情况下波形为：图5.2A相正常情况下的波形如图5.3所示，A相故障波形：图5.3A相单相接地故障波形图5.4所示是d-
q变换法检测法检测电路图。其中，20KHz是采样频率设定值，用TransportDely模块模拟时间上的延迟。图5.4d-q变
化法检测电路图如图5.5所示为得到的幅值检测波形图：图5.5dq变化法幅值检测波形由上可知，d-q检测法对对称故障可以进行准确
的检测。5.1.2切换控制方式仿真如图5.6所示为在Matlab仿真软件下使用Simulink模块构建的单相接地短路故障快速固态
切换开关的电路仿真图。电路参数如表5.1所示。表5.1仿真电路参数额定电压额定相电流电源阻抗负载阻抗功率因数吸收电阻吸收电容1
0kV148A0.2245+j1.5717Ω38.33Ω0.7826Ω50Ω0.2μF图5.6单相固态切换开关仿真电路图5.7为
固态切换开关在单相接地短路故障中过零切换控制策略下的主电源侧电流波形图。如图所示，0.075s时主电源发生单相接地短路故障（利用f
ault故障定时触发），此刻打开并联机械开关Pb1，同时利用脉冲触发方波触发导通主电源侧晶闸管PP1/PN1，换流在两者之间(机械
开关和晶闸管)迅速完成，主电源侧晶闸管在被触发导通0.002s后关断触发脉冲（触发方波），由图可知，在0.085s时，主电源侧晶闸
管内的电流过零。图5.7主电源侧电流波形图（过零切换）图5.8为固态切换开关在单相接地短路故障中过零切换控制策略下的备用电源侧电
流波形图。如图所示，主电源侧电流在0.085s时过零，延迟0.0001s后触发导通（利用触发方波定时触发）晶闸管P，此时切换由为备
用电源给负载供电。0.4s后触发备用电源晶闸管，该侧晶闸管与备用电源接通，备用电源为负载正常供电。至此，主、备用电源间的无缝切换结
束，负载开始由备用电源供电。图5.8备用电源侧电流形图（过零切换）图5.9为固态切换开关在单相接地短路故障中过零切换控制策略下的
敏感负载侧电流波形图。由图可知，本次实验的切换时间为12ms，满足敏感对快速切换的要求。同时主、备用电源切换过程中负载端电流无较大
波动，证实了快速固态切换开关（过零切换）的可行性。图5.9过零切换负载侧电流图下面，仍使用图5.6的仿真电路图来模拟固态切换开关
在单相接地故障情况下强迫切换的换流过程。图5.10、5.11分别为为固态切换开关在单相接地短路故障中强迫切换控制策略下的主电源侧、
备用电源侧电流波形图。如图所示，0.075s时主电源发生单相接地短路故障，此刻打开机械开关PS1同时利用脉冲方波触发导通主电源侧晶
闸管PP1，换流在两者之间瞬间完成，晶闸管PP1在触发导通0.002s后关断触发脉冲，此时备用电源侧晶闸管同时被触发，满足强迫切换
的切换条件，主、备用电源侧晶闸管瞬间完成换流，主、备用电源切换过程完成。图5.10主电源电流波形图（强迫切换）图5.11备用电
源电流波形图（强迫切换）图5.12为固态切换开关在单相接地短路故障中强迫切换控制策略下的负载侧电流波形图，由图可知，本次的切换时间
为8毫秒，易知其速度要比过零切换方式（12毫秒）快，同时在负载处电流无较大波动，证实了强迫切换的可行性。但在条件不满足强迫切换条件
的情况下仍强行进行，就有极大可能出现电流环流的现象。环流产生的电压冲击会高于额定电压几十倍，影响电力电网的稳定运行，甚至危及人身和
设备的安全，出现严重后果。图5.12负载电流波形图（强迫切换）5.2单相接地短路故障继续应用5.6搭建的仿真模型进行仿真研究
。主电源侧发生单相接地故障，A相的相电压和电流极性相同，检测到故障的同时就可以将主电源切换到备用电源。图5.13单相接地短路在这
种情况下，磁通最大值的变化与稳定时的最大磁通值相比可以忽略不计。如图5.13所示为发生单相接地故障时的仿真波形。在t1=2.15m
s时发生单相接地故障，在t2=3.17ms时检测到故障。检测时间等于检测到故障的时间减去故障发生的时间，即t2-t1=3.17-2
.15=1.02ms。AB相和CA相的瞬时负载最小电压的标幺值分别为1.14p.u.和1.2p.u.。5.3两相短路故障瞬时磁通
最大值与稳态值相差不多时，两个故障相都可以在检测到故障后直接进行切换。如图5.14所示为发生两相短路故障时的仿真波形。在t1=9.
49ms时发生故障，在t2=10.52ms时检测到故障。这时，A相和B相可以由主电源侧切换到备用电源侧。因此，检测时间等于检测到故
障的时间减去故障发生的时间，即t2-t1=10.52-9.49=1.03ms。AB两相间产生最大磁通，约等于1.22p.u.。图5
.14主电源侧两相故障5.4两相接地短路故障图5.15是发生两相接地短路故障仿真图，线电流和相电压同向，可以直接将主电源切换到
备用电源。在t1=8.45ms时发生故障，在t2=8.86ms时检测到故障。检测时间等于检测到故障的时间减去故障发生的时间，即t2
-t1=8.86-8.45=0.41ms。在这种情况下，由于故障相可以没有延时的切换到备用相,切换时间可以忽略不计。因此，总的切换
时间为0.41ms。负载变压器AB相间瞬时最大磁通的标幺值为1.1p.u.。图5.15两相接地短路图5.5本章小结本章首先通过
搭建单相接地短路固态切换开关的仿真模型对本文研究的拓扑结构、基本参数进行了仿真。在确定仿真模型搭建成功的基础上，研究了过零切换和强
迫切换两种控制方式。然后分别对单相接地短路故障、两相短路故障和两相接地短路故障进行了仿真，符合对切换时间的估计，均满足敏感负荷对快
速切换的需求，证实了设计的可靠性和合理性。第六章结论与展望在电能质量（多为电压暂降）问题变为国内外业界所探究之热点问题的情况下
，本课题是在搜集并浏览大量国内外文献资料（期刊、会议、学位论文），深入了解电能质量问题的产生原因以及对电网和敏感负载的危害，总结各
种解决电压暂降的问题后，提出使用快速固态切换开关的方式来削减电压暂降给电力系统带来的影响。本文给出了课题的研究背景、发展前景和抑制
电压暂降意义，全部电能质量问题中，百分之九十八是由于电压暂降而导致。基于这样的情形，本文给出了使用主、备用两个电源同时向敏感负载供
电，并由快速固态切换开关负责两电源之间的快速切换（无电流波动）。从而盼望能够消除因为电压暂降问题而给供电系统产生的损失。本文以电压
暂降检测、门极切换控制、浪涌电流抑制等为理论基础，分析了基于反向并联晶闸管构成的SSTS，研究内容如下：一、分析对比了固态断路器、
固态限流器和固态切换开关的应用范围和发展前景，固态切换开关的国内外研究状况及发展趋势。二、介绍了大容量高可靠快速固态切换开关的拓扑
结构、工作原理和控制策略。SSTS由晶闸管开关与快速机械开关并联，快速机械开关用于检修和其他情况备用，正常运行和故障切换均由主备用
电源侧晶闸管间切换完成。SSTS的主要作用是在主电源侧发生故障时，快速准确的切换到备用电源侧，SSTS对切换时间和切换稳定性的要求
最高，简要介绍了两种切换控制策略的方法和原理。三、研究了大容量高可靠快速固态切换开关的控制。分析了网侧故障识别的方法，分别研究了有
效值算法、d-q变换法和改进型d-q变换法。在晶闸管的触发方式上选择了门极控制策略，分别研究了切换和门极电路构造的原理，零电压启动
运行，选择门极切换方法以及晶闸管的关断时间和电流过零检测。并分析了主备用侧电源幅值相角对切换的影响，通过仿真进行了分析验证。在以上
分析的基础之上，对切换时间进行估计，并分别对三相短路、单相接地短路和两相短路进行估计。四、介绍了SSTS稳态特性、暂态特性和浪涌电
流的抑制方法。稳态特性包括了抗干扰特性、负载电压时间特性和负载参数对SSTS的影响。暂态特性对负载变压器一次侧的短路电流、负载切换
过程中的环流和浪涌电流进行了分析与研究。由于浪涌电流是对SSTS稳定性影响最大的问题，提出了抑制浪涌电流的方法。浪涌电流是通过整流
脉冲桥和磁通估计的方法来进行抑制的。五、本文在Matlab/Simulink仿真软件中下搭建了单相接地故障快速固态切换开关的电路仿
真拓扑模型，并同时采用过零切换、强迫切换两种切换策略。在10kV电压等级下对这两种策略进行了仿真分析和研究，对两种切换策略进行了对
比分析，得出强迫切换的切换时间要快于过零切换，但是有可能引起电流环流现象的产生。并通过改变参数的方式对单相接地短路、两相短路和两相
接地短路进行仿真，同时对这三种故障的切换时间和切换可靠性进行分析，可验证出拓扑结构、控制方法以及浪涌电流抑制方式的可实施性和可靠性
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