基于氧化鋅壓敏電阻的三電平高壓變頻器過電壓保護(hù)研究

基于氧化鋅壓敏電阻的三電平高壓變頻器過電壓保護(hù)研究

1高壓變壓器過錯(cuò)控制仿真由于能源不足，國家工業(yè)的發(fā)展受到限制，節(jié)能成為全世界的中心話題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變頻調(diào)速器也應(yīng)運(yùn)而生,它不僅操作方便,調(diào)速性能好,而且節(jié)能效果明顯,廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵及石油等行業(yè)。過電壓是電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的主要危害之一。對(duì)于交-直-交電壓源型中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器而言,過電壓主要體現(xiàn)在直流環(huán)節(jié)過電壓,過電壓保護(hù)主要是對(duì)變頻器系統(tǒng)中的電力電子開關(guān)器件進(jìn)行保護(hù)。過電壓的危害在于:對(duì)直流濾波大電容壽命有直接影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿電容器;對(duì)開關(guān)器件的安全構(gòu)成威脅,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞器件。過電壓保護(hù)是高壓變頻器的一個(gè)重要組成部分,它對(duì)變頻器安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要的意義,然而在相關(guān)文獻(xiàn)中,尚未看到有關(guān)高壓變頻器過電壓保護(hù)方面的研究。本文以基于IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)串聯(lián)的高壓變頻器過電壓保護(hù)為研究對(duì)象,首次提出了利用ZnO壓敏電阻對(duì)高壓變頻器進(jìn)行過電壓保護(hù)的方法。文中簡要分析了幾種典型過電壓情況,結(jié)合ZnO壓敏電阻的特性,對(duì)比ZnO壓敏電阻的各種放置位置和接線形式,得出了合理的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)具體的變頻器參數(shù),設(shè)計(jì)了ZnO壓敏電阻。通過Matlab/Simulink對(duì)變頻器輸入過電壓和輸出短路故障引起的過電壓兩種情況進(jìn)行仿真,對(duì)比加ZnO壓敏電阻前后系統(tǒng)運(yùn)行情況,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的ZnO壓敏電阻對(duì)中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器過電壓保護(hù)的有效性。該設(shè)計(jì)的ZnO壓敏電阻已得到實(shí)際應(yīng)用。2三平壓器的過載分析和保護(hù)2.1開關(guān)輸出電壓諧波問題中性點(diǎn)鉗位三電平變頻器的概念是由日本學(xué)者A.Nabae在1980IEEEIAS年會(huì)上首次提出的。目前,由于開關(guān)器件的耐壓有限,當(dāng)輸出電壓要求在6kV及以上時(shí),開關(guān)器件就必須串聯(lián)運(yùn)行,需要考慮均壓問題;它的輸出電壓諧波含量還比較大,需要在輸出端增加LC濾波器。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和PWM控制策略的不斷完善,三電平變頻器將會(huì)得到更多更廣泛地應(yīng)用。2.2故障引起的電壓中性點(diǎn)鉗位三電平變頻器過電壓主要體現(xiàn)在直流母線過電壓上。根據(jù)產(chǎn)生過電壓的原因不同,變頻器過電壓可分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓。內(nèi)部過電壓主要是指變頻器所使用的開關(guān)器件在開關(guān)過程中造成的過電壓。由于實(shí)際開關(guān)器件很難在理想的零電壓和零電流情況下進(jìn)行狀態(tài)切換,它在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰過電壓,威脅到開關(guān)器件的安全。外部過電壓主要包括電網(wǎng)電壓波動(dòng)或雷擊造成的輸入過電壓、電動(dòng)機(jī)因某些原因處于發(fā)電狀態(tài)引起的過電壓和由故障引起的過電壓。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),它所發(fā)出的電通過開關(guān)器件反并聯(lián)二極管整流后,對(duì)直流環(huán)節(jié)電容充電,導(dǎo)致直流電壓升高,從而引起過電壓。故障引起的過電壓有很多種,最常見的是短路故障引起的過電壓。短路故障發(fā)生時(shí),電流變化很大,變頻器系統(tǒng)中電感的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)輸入電壓疊加到直流濾波電容上,就會(huì)產(chǎn)生過電壓。2.3容串聯(lián)吸收電路與開關(guān)器件串聯(lián)保護(hù)電力電子開關(guān)器件是變頻器的主要器件,過電壓保護(hù)的目的在于保護(hù)開關(guān)器件的安全。對(duì)于變頻器內(nèi)部過電壓保護(hù),通常采用的方法是將一個(gè)阻容串聯(lián)吸收電路與開關(guān)器件并聯(lián),如圖1所示。文獻(xiàn)說明該方法對(duì)開關(guān)器件的瞬時(shí)尖峰過電壓具有良好地抑制作用,可以達(dá)到保護(hù)開關(guān)器件的目的。對(duì)于變頻器外部過電壓保護(hù),由于它們難于預(yù)測(cè)和控制,選擇一個(gè)有效的過電壓保護(hù)器件對(duì)保證開關(guān)器件的安全運(yùn)行具有重要的意義。本文就如何有效保護(hù)開關(guān)器件在過電壓情況下的安全問題進(jìn)行研究,提出了利用ZnO壓敏電阻對(duì)中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器進(jìn)行過電壓保護(hù)的方法。3zno壓敏電阻伏安特性ZnO壓敏電阻是一種非線性電阻,它的非線性類似于齊納二極管。它能對(duì)兩個(gè)方向的過電壓等同地抑制,相當(dāng)于兩只背靠背的齊納二極管。ZnO壓敏電阻的電阻值與外加電壓成非線性關(guān)系,其電阻值在一定電壓范圍內(nèi)變化。其單邊理想伏安特性曲線如圖2所示。由圖2可見,ZnO壓敏電阻伏安特性曲線可劃分成三個(gè)區(qū)域:預(yù)擊穿區(qū)、開關(guān)區(qū)和大電流區(qū)。系統(tǒng)正常工作時(shí),ZnO壓敏電阻工作在預(yù)擊穿區(qū),呈高阻性,電阻值很大,只流過微安級(jí)漏電流;當(dāng)過電壓發(fā)生時(shí),ZnO壓敏電阻兩端的電壓一旦超過它的標(biāo)稱電壓,ZnO壓敏電阻迅速導(dǎo)通,電阻值迅速減小,使能量通過ZnO壓敏電阻釋放,將被保護(hù)設(shè)備的電壓鉗位在ZnO壓敏電阻的殘壓,從而保護(hù)并聯(lián)的電氣設(shè)備;當(dāng)通過一定能量后,ZnO壓敏電阻兩端的電壓下降到標(biāo)稱電壓以下時(shí),ZnO壓敏電阻又迅速恢復(fù)到預(yù)擊穿區(qū)工作。4保護(hù)器件的安全隱患電力電子開關(guān)器件有限的耐壓是對(duì)其進(jìn)行過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。如果對(duì)每個(gè)開關(guān)器件都設(shè)計(jì)一個(gè)ZnO壓敏電阻進(jìn)行保護(hù),系統(tǒng)會(huì)增加許多器件,影響運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外,當(dāng)ZnO壓敏電阻工作時(shí),其殘余電壓很高,有可能會(huì)超過開關(guān)器件的耐壓,起不到保護(hù)作用。針對(duì)這個(gè)問題,本文從保護(hù)整體而達(dá)到保護(hù)所有器件安全的角度出發(fā),把整個(gè)逆變系統(tǒng)作為保護(hù)對(duì)象,詳細(xì)分析逆變系統(tǒng)的耐壓情況,合理選取ZnO壓敏電阻的放置位置和接線形式,準(zhǔn)確計(jì)算ZnO壓敏電阻各項(xiàng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓變頻器的過電壓保護(hù)。4.1聯(lián)zno壓敏電阻及其組合圖3所示為基于IGCT串聯(lián)中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,其中(1)~(4)所示的位置分別表示直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻,DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻,逆變器輸出并聯(lián)ZnO壓敏電阻和濾波器輸出并聯(lián)ZnO壓敏電阻。在直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻和DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻的目的都是為了防止直流濾波大電容過電壓而導(dǎo)致逆變系統(tǒng)輸入過電壓。在直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻對(duì)直流濾波大電容過電壓的抑制更直接,但是不能保證DC-Link后直流正、負(fù)母線電壓一定在逆變系統(tǒng)耐壓范圍之內(nèi)。因?yàn)楫?dāng)ZnO壓敏電阻動(dòng)作時(shí),其動(dòng)作時(shí)間很短,能量以電流形式迅速通過ZnO壓敏電阻釋放,流過ZnO壓敏電阻的電流很大,限流電感的電流變化率也很大,會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓。當(dāng)這個(gè)感應(yīng)電壓和ZnO壓敏電阻殘壓正向疊加時(shí),就不能保證逆變系統(tǒng)處于安全工作的狀態(tài)。在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻就能避免以上情況,它直接對(duì)逆變系統(tǒng)的輸入電壓進(jìn)行過電壓抑制,ZnO壓敏電阻動(dòng)作后的殘壓,就是逆變系統(tǒng)的輸入電壓。因此,在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻能有效地對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行過電壓保護(hù)。在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻是對(duì)直流電的過電壓保護(hù),其接線形式有兩種:一是直接跨接,ZnO壓敏電阻與整個(gè)逆變系統(tǒng)并聯(lián);二是直流正、負(fù)母線分別接ZnO壓敏電阻接地。當(dāng)ZnO壓敏電阻兩端電壓達(dá)到動(dòng)作電壓而工作時(shí),第一種接法使電流通過ZnO壓敏電阻直接從一條母線流向另一條母線,整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于電網(wǎng)而言處于正常工作狀態(tài),只是負(fù)載發(fā)生了變化;第二種接法使電流通過ZnO壓敏電阻流向了大地,雖然保證了大電流不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害,但是可能會(huì)引起較大的負(fù)載電機(jī)共模電壓,危害電機(jī)安全,同時(shí),整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于電網(wǎng)而言處于對(duì)地放電狀態(tài),工作不正常。第一種接法的參考電壓是直流正、負(fù)母線間的電壓,能直接反應(yīng)逆變系統(tǒng)輸入過電壓情況,有利于過電壓保護(hù);第二種接法的參考電壓是直流正、負(fù)母線的對(duì)地電壓,由于直流環(huán)節(jié)本身沒有接地點(diǎn),其中性點(diǎn)電壓不為零,逆變系統(tǒng)只要正、負(fù)母線間的電壓在某一范圍內(nèi)就能正常工作,因此,如果由于控制策略等原因帶來的中性點(diǎn)漂移可能會(huì)使直流正、負(fù)母線對(duì)地電壓相對(duì)于正常工作情況而言處于過電壓狀態(tài),但是正、負(fù)母線間的電壓卻在安全工作范圍內(nèi),這就可能導(dǎo)致ZnO壓敏電阻誤動(dòng)作。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻和濾波器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻都是為了防止來自輸出端的過電壓。濾波器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻是直接抑制電機(jī)輸入端過電壓,但它并不能準(zhǔn)確地反映逆變器輸出端的電壓。當(dāng)ZnO壓敏電阻動(dòng)作時(shí),濾波電感產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓,這個(gè)電壓與ZnO壓敏電阻殘壓疊加后的電壓就可能威脅到逆變系統(tǒng)的安全。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻就能避免以上情況,它直接對(duì)逆變系統(tǒng)輸出端電壓進(jìn)行過電壓抑制,ZnO壓敏電阻動(dòng)作后的殘壓,就是逆變器輸出端的電壓。因此,在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻能有效地對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行過電壓保護(hù)。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻是對(duì)三相交流方波電壓的過電壓保護(hù),其聯(lián)結(jié)形式有三種:三相星形、三相四線制星形和三相三角形。如圖4所示。對(duì)于三相星形聯(lián)結(jié)方式,任意兩個(gè)ZnO壓敏電阻所承受的電壓為逆變器輸出線電壓。為了達(dá)到良好的過電壓保護(hù)效果,要求三個(gè)ZnO壓敏電阻各項(xiàng)性能參數(shù)完全一致。當(dāng)某兩個(gè)ZnO壓敏電阻處于工作狀態(tài)時(shí),要求它們?cè)诟髯猿惺芤话胼敵鼍€電壓,對(duì)于非線性電阻而言,動(dòng)作后要保證兩個(gè)串聯(lián)ZnO壓敏電阻阻值相同是很難的,因而增加了ZnO壓敏電阻設(shè)計(jì)制造的難度,不易實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于三相四線制星形聯(lián)結(jié)方式,它由四個(gè)性能參數(shù)相同的ZnO壓敏電阻按三相四線制接地方式組成。當(dāng)某一相對(duì)地放電時(shí),接地ZnO壓敏電阻兩端電壓為它的殘壓,這相當(dāng)于提升了公共點(diǎn)的對(duì)地電壓,可能導(dǎo)致另外兩相出現(xiàn)過電壓問題時(shí),由于公共點(diǎn)電壓的提升,與它們相連接的ZnO壓敏電阻兩端的電壓并未達(dá)到動(dòng)作電壓而導(dǎo)致ZnO壓敏電阻沒有及時(shí)動(dòng)作,因此不能有效地抑制過電壓。對(duì)于三相三角形聯(lián)結(jié)方式,每個(gè)ZnO壓敏電阻獨(dú)自承受逆變器輸出線電壓,只要合理設(shè)計(jì)ZnO壓敏電阻的性能參數(shù),就能實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)的目的。綜上分析,本文認(rèn)為適合增加ZnO壓敏電阻作為中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器過電壓保護(hù)的放置位置和聯(lián)結(jié)方式是:DC-Link后直流正、負(fù)母線之間并聯(lián)ZnO壓敏電阻和逆變器輸出端三相三角形聯(lián)結(jié)方式并聯(lián)ZnO壓敏電阻。ZnO壓敏電阻通常與阻容吸收電路并聯(lián)使用,主要是利用阻容吸收電路對(duì)尖峰電壓的抑制作用來確保ZnO壓敏電阻不會(huì)因尖峰電壓誤動(dòng)作。從圖3可以看出,由于DC-Link中包含了阻容吸收電路,同時(shí),每一個(gè)開關(guān)器件都并聯(lián)了阻容吸收電路,因此,可以認(rèn)為DC-Link后直流正、負(fù)母線之間和逆變器輸出端沒有尖峰電壓的影響,所以,本文中提到的ZnO壓敏電阻沒有設(shè)計(jì)阻容吸收電路。4.2運(yùn)行電壓峰值(1)標(biāo)稱電壓:通過1mA直流電流時(shí)壓敏電阻器兩端的電壓值。標(biāo)稱電壓一般按下式計(jì)算式中U1mA——標(biāo)稱電壓;(2)荷電率:ZnO壓敏電阻持續(xù)運(yùn)行電壓峰值與標(biāo)稱電壓的比值,一般要求荷電率<0.7。(3)殘壓和殘壓比:通過ZnO壓敏電阻的電流為某一值時(shí),在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱為這一電流值的殘壓。殘壓比是殘壓與標(biāo)稱電壓之比,一般<1.6。(4)通流容量:通流容量是指在規(guī)定的條件下(規(guī)定的時(shí)間間隔和次數(shù),施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流),允許通過ZnO壓敏電阻的最大脈沖(峰值)電流值。(5)能量耐量:ZnO壓敏電阻所能承受的最大單次脈沖能量。4.3變壓器靜態(tài)均壓電阻分析本文以基于IGCT串聯(lián)的6kV中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器為例,設(shè)計(jì)ZnO壓敏電阻對(duì)其進(jìn)行過電壓保護(hù)。取輸入變壓器變比為1.05,輸入電壓為6kV,計(jì)算得經(jīng)過整流后的直流母線電壓為UD=8505V。對(duì)于三電平變頻器而言,單個(gè)電力電子器件所承受的電壓為直流母線電壓的一半,約為4250V?？紤]器件的耐壓余量,通常選取耐壓為額定工作電壓2倍以上的器件。本文中選取兩只耐壓為5500V的IGCT串聯(lián)作為一個(gè)開關(guān)器件使用,取串聯(lián)均壓系數(shù)為0.9,其耐壓為9.9kV。同理選取耐壓為5500V的鉗位二極管,串聯(lián)后耐壓也為9.9kV。由于變頻器三相結(jié)構(gòu)相同,為了簡化分析,本文以其中一相橋臂為例。一相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。與IGCT和鉗位二極管并聯(lián)的阻容吸收電路均采用相同阻值的電阻和相同大小的電容,各靜態(tài)均壓電阻參數(shù)也相同。下面分別對(duì)變頻器靜態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行耐壓分析。所謂靜態(tài)工況是相對(duì)于動(dòng)態(tài)工況而言的。直流母線充電完畢,開關(guān)器件控制脈沖依然閉鎖,開關(guān)器件處于已上電而沒有工作的靜止?fàn)顟B(tài),在本文中稱之為靜態(tài)工況。開關(guān)器件所承受的電壓為與它并聯(lián)的阻容電路放電電壓。一相橋臂中的Sa2、Sa3和VDa1、VDa2等效電路為兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)。由于該等效電路中的阻容吸收電路和靜態(tài)均壓電阻具有對(duì)稱性,其等效電路總阻抗與Sa1或Sa4相同。因此,靜態(tài)工況時(shí),一相橋臂等效為三個(gè)耐壓為9.9kV的開關(guān)器件串聯(lián),其總耐壓為29.7kV。對(duì)于動(dòng)態(tài)工況,三電平高壓變頻器一相橋臂有5種開關(guān)狀態(tài),如下表所示?？紤]電流正向流出逆變系統(tǒng)的狀態(tài)。對(duì)于開關(guān)狀態(tài)1,一相橋臂等效電路為Sa3和Sa4串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對(duì)于開關(guān)狀態(tài)2,電流通過VDa1和Sa2續(xù)流,一相橋臂等效電路為Sa3和VDa2并聯(lián)后再與Sa1和Sa4串聯(lián),其耐壓為24.75kV;對(duì)于開關(guān)狀態(tài)3,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa4串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對(duì)于開關(guān)狀態(tài)4,電流通過Sa3和Sa4的反并聯(lián)二極管續(xù)流,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa2串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對(duì)于開關(guān)狀態(tài)5,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa2串聯(lián),其耐壓為19.8kV。對(duì)于電流反向流入逆變系統(tǒng)有類似情況。通過以上分析可知,逆變系統(tǒng)的安全工作電壓不超過19.8kV。5模擬5.1網(wǎng)格內(nèi)zno壓敏電阻的通流容量及能量將直流母線電壓UD=8505V代入式(1)計(jì)算,得ZnO壓敏電阻標(biāo)稱電壓為U1mA=12230V。荷電率為滿足要求。取殘壓比為1.6,計(jì)算得ZnO壓敏電阻動(dòng)作后的最大殘壓為滿足要求。由于IGCT最大通態(tài)電流為3.5kA,三相總電流最大為10.5kA,因此,ZnO壓敏電阻的通流容量應(yīng)當(dāng)大于10.5kA,考慮一定的裕量,本文中選取的ZnO壓敏電阻通流容量為20kA。對(duì)于變頻器能量的計(jì)算,主要考慮儲(chǔ)能元件在不正常工作情況所釋放的能量。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得變頻器最大釋放能量為18kJ,考慮安全裕量,ZnO壓敏電阻能量耐量要大于3倍的變頻器最大釋放能量,本文中選取能量耐量為80kJ的ZnO壓敏電阻。5.2保護(hù)開關(guān)器件的電壓本文通過Matlab/Simulink對(duì)ZnO壓敏電阻在中性點(diǎn)鉗位三電平高壓變頻器中的過電壓保護(hù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,主要驗(yàn)證ZnO壓敏電阻是否能對(duì)變頻器輸入過電壓和輸出三相接地短路故障引起的過電壓進(jìn)行有效地保護(hù)。該軟件提供的SurgeArrester模塊可以很好的模擬ZnO壓敏電阻的特性。仿真工況為:當(dāng)變頻器穩(wěn)定運(yùn)行在50Hz時(shí),出現(xiàn)輸入過電壓或輸出三相接地短路故障。仿真中,第4s時(shí)出現(xiàn)過電壓情況。圖6a、圖6b、圖6c分別為不加ZnO壓敏電阻輸入過電壓時(shí)的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流和逆變器輸出相電流波形圖。輸入過電壓用變頻器50Hz正常運(yùn)行時(shí)直流濾波電容前投入50kV直流電壓源模擬。圖7a~圖7d分別為加ZnO壓敏電阻輸入過電壓時(shí)的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流、逆變器輸出相電流和ZnO壓敏電阻電流波形圖。通過對(duì)比輸入過電壓加ZnO壓敏電阻前后的波形可知,DC-Link后直流母線電壓被限制在19800V以下,不會(huì)對(duì)逆變系統(tǒng)構(gòu)成過電壓的威脅,可以有效地保護(hù)開關(guān)器件。由于用直流恒壓源模擬的輸入過電壓情況,所以直流正母線電流很大,但大部分電流都是通過ZnO壓敏電阻流過,逆變器輸出相電流正常,過電流現(xiàn)象也得到了很好的抑制。圖8a~圖8c分別為不加ZnO壓敏電阻濾波器輸出三相接地短路故障時(shí)的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流和逆變器輸出相電流波形圖。濾波器輸出三相接地短路在變