Design of Bidirectional Z-source Solid-state DC Circuit Breaker with Low Loss

Yufei TAO; Zhongzheng ZHOU; Xue JIANG; Yufeng WANG; Weilin LI

doi:10.7500/AEPS20210420004

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Design of Bidirectional Z-source Solid-state DC Circuit Breaker with Low Loss

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Design of Bidirectional Z-source Solid-state DC Circuit Breaker with Low Loss
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 4, Pages: 153-161(2022)
- 作者机构：
  
  西北工业大学自动化学院，陕西省西安市 710129
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51777169)
- DOI：10.7500/AEPS20210420004
  CLC：
- Received：20 April 2021，
  
  Revised：2021-09-29，
  
  Published Online：16 December 2021，
  
  Published：25 February 2022
- 稿件说明：
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陶育菲,周中正,江雪等.低损耗双向Z源固态直流断路器设计[J].电力系统自动化,2022,46(4):153-161.

TAO Yufei,ZHOU Zhongzheng,JIANG Xue,et al.Design of Bidirectional Z-source Solid-state DC Circuit Breaker with Low Loss[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):153-161.
陶育菲,周中正,江雪等.低损耗双向Z源固态直流断路器设计[J].电力系统自动化,2022,46(4):153-161. DOI： 10.7500/AEPS20210420004.

TAO Yufei,ZHOU Zhongzheng,JIANG Xue,et al.Design of Bidirectional Z-source Solid-state DC Circuit Breaker with Low Loss[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):153-161. DOI： 10.7500/AEPS20210420004.

摘要

随着直流输配电技术的不断发展，直流故障保护问题日渐凸显，断路器作为故障保护的一种重要装置，逐渐向损耗低、动作快方向发展。Z源固态直流断路器具有结构简单、响应迅速、分断无弧等特点，为直流保护提供了新方案。文中提出了一种新型双向Z源固态直流断路器，在分析其工作原理的基础上，给出了其设计方法，并对比了现有典型Z源直流断路器的保护特性。新型拓扑采用电容取代传统结构中二极管的反向阻断作用，降低断路器通态损耗，并通过反并联晶闸管实现能量双向流动，无须外加检测与控制电路，通过阻抗网络参数设计便可实现短路故障的迅速自动响应。最后，基于仿真和原理样机实验对所设计的固态直流断路器的有效性进行了验证。

Abstract

With the continuous development of DC transmission and distribution technology

the problem of DC fault protection is becoming more prominent. As an important device for fault protection

the circuit breaker is gradually developing in the direction of low loss and fast operation. The Z-source solid-state DC circuit breaker has the characteristics of simple structure

rapid response

and arc-free disconnection

which provides a new solution to DC protection. Therefore

this paper proposes a novel bidirectional Z-source solid-state DC circuit breaker. Based on the analysis of its working principle

its design method is given

and the protection characteristics of the existing typical Z-source DC circuit breakers are compared. The novel circuit breaker uses capacitors to replace the reverse blocking effect of diodes in the traditional structure

reduces on-state loss of the circuit breaker

and realizes bidirectional energy flow through reverse-parallel thyristors

without additional detection and control circuits. And the rapid and automatic response to short-circuit faults can be realized through the design of impedance network parameters. Finally

the validity of the designed solid-state DC circuit breaker is verified by simulations and principle prototype experiments.

关键词

Keywords

references

薛士敏，齐金龙，刘冲 . 直流微网保护综述［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 13 ）： 3404 - 3412 .

XUE Shimin ， QI Jinlong ， LIU Chong . A research review of protection for DC microgrid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 13 ）： 3404 - 3412 .

张烁，邹贵彬，魏秀燕，等 . 多端口直流断路器研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 13 ）： 4502 - 4516 .

ZHANG Shuo ， ZOU Guibin ， WEI Xiuyan ， et al . A review of research on multi-port DC circuit breaker ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 13 ）： 4502 - 4516 .

温伟杰，李鹏宇，李斌，等 . 多端口机械式直流断路器的动作策略与参数优化［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 11 ）： 86 - 94 .

WEN Weijie ， LI Pengyu ， LI Bin ， et al . Operation strategy and parameter optimization of multi-port mechanical DC circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 86 - 94 .

叶晗，陈武，薛晨炀，等 . 直流电网潮流控制与短路控制复合装置［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 23 ）： 112 - 119 .

YE Han ， CHEN Wu ， XUE Chenyang ， et al . Unified device of power flow control and short circuit control for DC power grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 23 ）： 112 - 119 .

李斌，王晨阳，何佳伟，等 . 自适应限流型固态断路器的直流电源设计［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 5 ）： 30 - 37 .

LI Bin ， WANG Chenyang ， HE Jiawei ， et al . Design of DC power supply for self-adaptive current-limiting solid-state circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 30 - 37 .

LIU F ， LIU W J ， ZHA X M ， et al . Solid-state circuit breaker snubber design for transient overvoltage suppression at bus fault interruption in low-voltage DC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 4 ）： 3007 - 3021 .

张盛梅，安婷，裴翔羽，等 . 混合式直流断路器重合闸策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 6 ）： 129 - 136 .

ZHANG Shengmei ， AN Ting ， PEI Xiangyu ， et al . Reclosing strategy for hybrid DC circuit breakers ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 129 - 136 .

郑晓铭，王钢，李海锋，等 . 新型组合式直流断路器拓扑及其性能分析［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 24 ）： 105 - 112 .

ZHENG Xiaoming ， WANG Gang ， LI Haifeng ， et al . New topology and performance analysis of assembly DC circuit breaker ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 24 ）： 105 - 112 .

胡竞竞 . 直流配电系统故障分析与保护技术研究［D］. 杭州：浙江大学， 2014 .

HU Jingjing . Fault analysis and protection technology of DC distribution system ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2014 .

李长乐，聂子玲，朱俊杰，等 . 新型T源直流固态断路器技术研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 3 ）： 879 - 889 .

LI Changle ， NIE Ziling ， ZHU Junjie ， et al . Research on a novel T-source solid state breaker for direct current system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 3 ）： 879 - 889 .

CORZINE K A ， ASHTON R W . A new z-source DC circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2012 ， 27 （ 6 ）： 2796 - 2804 .

CORZINE K A ， ASHTON R W . Structure and analysis of the Z-source MVDC breaker ［C］// IEEE Electric Ship Technologies Symposium ， April 10-13 ， 2011 ， Alexandria， USA ： 334 - 338 .

CHANG A H ， SENNETT B R ， AVESTRUZ A T ， et al . Analysis and design of DC system protection using Z-source circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 2 ）： 1036 - 1049 .

RODRIGUES R ， DU Y ， ANTONIAZZI A ， et al . A review of solid-state circuit breakers ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 364 - 377 .

LI W L ， WANG Y F ， WU X L ， et al . A novel solid-state circuit breaker for on-board DC microgrid system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 7 ）： 5715 - 5723 .

KESHAVARZI D ， GHANBARI T ， FARJAH E . A Z-source-based bidirectional DC circuit breaker with fault current limitation and interruption capabilities ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 9 ）： 6813 - 6822 .

WANG Y F ， LI W L ， WU X L ， et al . A novel bidirectional solid-state circuit breaker for DC microgrid ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 7 ）： 5707 - 5714 .

RYAN D J ， TORRESAN H D ， BAHRANI B . A bidirectional series Z-source circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 9 ）： 7609 - 7621 .

WANG Y F ， DONG R ， XU Z X ， et al . A coupled-inductor-based bidirectional circuit breaker for DC microgrid ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 3 ）： 2489 - 2499 .

ZHOU Z Z ， JIANG J G ， YE S ， et al . A Г-source circuit breaker for DC microgrid protection ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 3 ）： 2310 - 2320 .

MAQSOOD A ， OVERSTREET A ， CORZINE K A . Modified Z-source DC circuit breaker topologies ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 10 ）： 7394 - 7403 .

何东 . 直流配电网故障特性分析与碳化硅固态断路器研制［D］. 长沙：湖南大学， 2019 .

HE Dong . Analysis of fault characteristics of DC distribution network and development of SiC solid state circuit breaker ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2019 .

朱童，余占清，曾嵘，等 . 混合式直流断路器模型及其操作暂态特性研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 18 - 30 .

ZHU Tong ， YU Zhanqing ， ZENG Rong ， et al . Transient model and operation characteristics researches of hybrid DC circuit breaker ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 18 - 30 .

杨田，刘晓明，吴其，等 . 单向直流断路器拓扑与保护策略分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （增刊1 ）： 259 - 266 .

YANG Tian ， LIU Xiaoming ， WU Qi ， et al . Analysis on the unidirectional DC circuit breaker and protection strategy ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ Supplement 1 ）： 259 - 266 .

刘航，彭茂兰，王越杨，等 . 一种不依赖直流断路器的直流电网架构［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 7 ）： 121 - 127 .

LIU Hang ， PENG Maolan ， WANG Yueyang ， et al . Design of DC power grid without application of DC breaker ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 121 - 127 .

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