三電平變換器故障分析與保護(hù)

三電平變換器故障分析與保護(hù)

1能量回流的三電平變換器中點(diǎn)三和平5m變換器廣泛應(yīng)用于中壓和平壓傳動(dòng)領(lǐng)域。它降低了對(duì)器件耐壓的要求,還具有低諧波、低電壓應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。中點(diǎn)鉗位型三電平變換器包括可以進(jìn)行能量回饋的二極管鉗位型結(jié)構(gòu),以及不可以能量回饋的Vienna變換器。圖1給出了一種在電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域中,基于IGCT的,可實(shí)現(xiàn)能量回饋的三電平電壓型變換器結(jié)構(gòu)圖。從這種結(jié)構(gòu)提出以來(lái),有很多的文獻(xiàn)討論這種變換器的運(yùn)行、設(shè)計(jì)、控制和應(yīng)用。對(duì)于應(yīng)用在關(guān)鍵領(lǐng)域的大容量變換器,一個(gè)重要的研究方面是變換器的故障和保護(hù)問(wèn)題。這對(duì)于三電平中點(diǎn)鉗位型變換器來(lái)說(shuō)尤為重要,因?yàn)檫@種拓?fù)浔容^復(fù)雜,且電力電子器件的數(shù)量眾多,增加了故障的概率。但是,僅有少數(shù)文章探討多電平變換器的故障問(wèn)題,文獻(xiàn)針對(duì)二極管鉗位型五電平變換器,討論了在某些電力電子器件發(fā)生故障時(shí),通過(guò)選擇冗余的開(kāi)關(guān)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)故障冗余運(yùn)行的方法,其他文獻(xiàn)的研究主要集中在過(guò)電流故障,以及故障時(shí)的不間斷運(yùn)行方面。本文針對(duì)中點(diǎn)鉗位型三電平變換器的一些故障和保護(hù)進(jìn)行研究,給出一種通過(guò)檢測(cè)接地阻抗電壓判斷接地故障的方法,并分析了在發(fā)生器件短路故障時(shí),電容電壓翻倍現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并且給出相應(yīng)的保護(hù)方法。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的故障檢測(cè)和保護(hù)方法。2接地故障檢測(cè)2.1中點(diǎn)電壓voi和接地故障的仿真在大容量系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)在接地故障時(shí)的不間斷運(yùn)行(冗余運(yùn)行)能力,三電平變換器進(jìn)線側(cè)通常通過(guò)變壓器和電網(wǎng)隔離,電機(jī)的中點(diǎn)也不接地。系統(tǒng)的接地點(diǎn)是直流母線中點(diǎn)0通過(guò)阻抗接地,如圖1所示。對(duì)于圖1所示的系統(tǒng),在正常運(yùn)行時(shí),PWM調(diào)制算法所產(chǎn)生的系統(tǒng)共模電壓將降落在直流母線中點(diǎn)和電機(jī)的中點(diǎn)之間。電機(jī)機(jī)殼接地,而電機(jī)的中點(diǎn)與機(jī)殼(大地)之間存在雜散電容,此時(shí),直流母線中點(diǎn)對(duì)地電壓VOE是系統(tǒng)共模電壓在中點(diǎn)接地阻抗和雜散電容之間的分壓,由于雜散電容的數(shù)值一般較小,所以VOE是系統(tǒng)共模電壓中很小的一部分。當(dāng)有接地故障發(fā)生時(shí),VOE的數(shù)值因?yàn)榻拥鼗芈返母淖兌淖儭＠?對(duì)于負(fù)載側(cè)的B相接地故障,B相的輸出端將直接與大地相連,VOE會(huì)變成-VBO,VOE的數(shù)值將和正常運(yùn)行的情況有很大的不同。因此,可以通過(guò)監(jiān)視中點(diǎn)電壓VOE來(lái)檢測(cè)接地故障的發(fā)生。圖2a給出了在t=70ms時(shí)發(fā)生B相接地故障前后的仿真結(jié)果。仿真系統(tǒng)容量為1kW,直流母線電壓為320V,接地阻抗電路為30k?的電阻和一個(gè)阻容支路相并聯(lián),如圖1所示,并聯(lián)支路電阻和電容值分別為20?和10nF。在接地故障發(fā)生前,接地阻抗上只能看到一小部分的共模電壓。當(dāng)故障發(fā)生后,接地阻抗上出現(xiàn)幅值為160V的B相PWM波形。為了便于故障的檢測(cè),圖2b給出了取反并低通濾波后的VOE波形。圖2c給出了B相的調(diào)制波形,可以看出,當(dāng)接地故障發(fā)生后,B相的調(diào)制波形與濾波并取反后的接地阻抗波形是一致的。本文所提出的接地故障檢測(cè)步驟如圖3所示,描述如下:(1)將接地阻抗上的電壓進(jìn)行低通濾波,得到VOE_f,對(duì)其取絕對(duì)值,再與預(yù)先設(shè)定的閾值?f(閾值的大小取決于雜散阻抗和接地阻抗的值,通常20%的直流母線電壓是一個(gè)保守的選擇)進(jìn)行比較,判斷是否發(fā)生了接地故障。(2)如果發(fā)生了接地故障,再將VOE_f和各相的調(diào)制波形進(jìn)行比較。假設(shè)每相的調(diào)制波形相對(duì)于直流母線中點(diǎn)的電壓值為V*jo,(j=A,B,C),-VOE_f和Vj*o之間的誤差為Ej=Vj*o-(-VOE_f),如果Ej的絕對(duì)值小于預(yù)先設(shè)定的閾值?,那么相應(yīng)的那一相發(fā)生了接地故障,在工程實(shí)踐中,通常進(jìn)行多次采樣,如果其中檢測(cè)到故障的次數(shù)超過(guò)一定的數(shù)量,則確認(rèn)故障的發(fā)生。圖3中N,N1,N2,N3和?的值在工程實(shí)踐中可以根據(jù)靈敏度和噪聲干擾的情況進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。圖4a給出了接地故障檢測(cè)的仿真結(jié)果,可以看出,在t=70ms發(fā)生的接地故障可以被成功地檢測(cè)出來(lái)(0代表沒(méi)有故障發(fā)生,1代表有故障發(fā)生),其中,N=30,Nl=25。圖4b表明B相發(fā)生了接地故障(1代表A相,2代表B相,3代表C相)。圖4c~圖4e給出了在20次的采樣中,一共有多少次中點(diǎn)電壓波形與各相調(diào)制波形相符合,閾值N3=15。只有B相始終有大于15次的符合標(biāo)記,表明B相發(fā)生了接地故障。此外,如果是直流母線(正母線或負(fù)母線)發(fā)生了接地故障,直流母線中點(diǎn)電壓VOE為直流母線電壓的一半,通過(guò)檢測(cè)VOE的值,直流母線接地故障也可以被檢測(cè)出來(lái)。2.2共模電壓的計(jì)算中點(diǎn)鉗位型三電平變換器的接地回路如圖5所示。其中R1N,R2N和C2N構(gòu)成系統(tǒng)接地阻抗,CM代表了電機(jī)中點(diǎn)和大地之間的雜散電容;接地阻抗的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下幾條原則。(1)接地阻抗要足夠的大,以限制單相接地故障時(shí)的故障電流。(2)接地阻抗應(yīng)小于變換器其他部分和大地之間的雜散阻抗,以起到接地的目的。(3)當(dāng)沒(méi)有接地故障時(shí),接地阻抗上分擔(dān)的共模電壓和故障發(fā)生時(shí)的電壓相比應(yīng)盡量的小,以便檢測(cè)故障的發(fā)生。在設(shè)計(jì)中,電阻R1N用來(lái)負(fù)責(zé)直流和低頻的阻抗,而C2N負(fù)責(zé)高頻的阻抗,R2N用來(lái)抑制電容電流。當(dāng)有接地故障發(fā)生時(shí),通過(guò)接地阻抗流入變換器直流母線中點(diǎn)0的電流可以表示為式中Imid——直流母線中點(diǎn)電流;Z——接地阻抗。當(dāng)有單相接地故障發(fā)生時(shí),VOE可以是某一相對(duì)直流母線中點(diǎn)的電壓;當(dāng)有直流母線接地故障發(fā)生時(shí),VOE為一半的直流母線電壓。如果假設(shè)電容C1可以濾掉電壓的高頻分量,那么低頻的電流值就由電阻R1N的值來(lái)決定,如式(2)所示。上述兩種故障情況中,VOE的最大值為直流母線電壓值的一半。根據(jù)變換器的容量,可以允許的中點(diǎn)電流Imid也可以確定下來(lái)。因此R1N的最小值可以由式(3)給出。在正常運(yùn)行情況下,中點(diǎn)接地阻抗上的電壓VOE將是共模電壓在雜散電容CM和接地阻抗之間的分壓。對(duì)于中點(diǎn)鉗位型變換器來(lái)說(shuō),共模電壓取決于PWM算法,可能的取值為±Vdc/2,±Vdc/3,±Vdc/6,0。對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率及以上的頻率,共模電壓的分布取決于C2N和CM的大小,C2N應(yīng)取得足夠的大(遠(yuǎn)大于CM)以便檢測(cè)算法正常工作。3電壓和電阻仿真電力電子器件的短路和開(kāi)路故障是變換器中常見(jiàn)的故障。對(duì)于中點(diǎn)鉗位型三電平變換器而言,橋臂內(nèi)側(cè)器件或鉗位二極管的短路故障將導(dǎo)致直流母線電容電壓的翻倍,從而可能損壞電容和電力電子器件。例如圖1中,電源側(cè)A相上橋臂內(nèi)側(cè)器件短路,那么A相的電源將直接通過(guò)鉗位二極管和直流母線中點(diǎn)相連。這里認(rèn)為當(dāng)器件短路故障發(fā)生時(shí),所有正常的器件都將關(guān)閉,負(fù)載也將被切掉。如圖6中粗體的路徑所示,線電壓Vba將會(huì)直接加到二極管VDb1-VDb2-VDa5上,而Vca將直接加到VDc1-VDc2-VDa5上。經(jīng)過(guò)整流,線電壓Vba和Vca的峰值將會(huì)出現(xiàn)在直流母線電容C1上。正常運(yùn)行時(shí),線電壓(例如Vba或Vca)的幅值將會(huì)由電容C1和C2共同分擔(dān)。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),電容C1上電壓的幅值將會(huì)變?yōu)檎Ｇ闆r時(shí)的兩倍。當(dāng)鉗位二極管發(fā)生短路時(shí),也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的情況。圖7給出了當(dāng)電源側(cè)A相上橋臂內(nèi)側(cè)器件短路時(shí)的仿真波形。系統(tǒng)的參數(shù)和第2節(jié)中仿真的參數(shù)一樣。在正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)情況下,直流母線電容電壓VC1和VC2都維持在160V左右。當(dāng)t=110ms發(fā)生短路故障后,電容C1的電壓升為320V左右,為正常運(yùn)行時(shí)的兩倍。一般來(lái)說(shuō),直流母線電容電壓的翻倍現(xiàn)象既可以發(fā)生在圖1中的電源側(cè)也可以發(fā)生在負(fù)載側(cè)。在大容量的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,電源側(cè)通常通過(guò)接觸器和電網(wǎng)相連。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),接觸器斷開(kāi)通常需要幾個(gè)電網(wǎng)周期的時(shí)間(幾十毫秒的數(shù)量級(jí)),在這期間,電網(wǎng)電壓仍然存在,會(huì)導(dǎo)致電容電壓翻倍。對(duì)于負(fù)載側(cè),如果是同步電機(jī),機(jī)端電壓將會(huì)維持,而感應(yīng)電機(jī)電壓將會(huì)降落得很快。本文主要討論電源側(cè)的變換器。圖7中的過(guò)電壓現(xiàn)象極易損壞電容和電力電子器件。必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。主要可以有下面兩種方法:(1)電壓鉗位的方法;(2)切斷充電回路的方法。切斷充電回路的方法是在充電回路中(直流母線中點(diǎn)和鉗位二極管之間)串聯(lián)一個(gè)額外的可控開(kāi)關(guān),系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),開(kāi)關(guān)閉合,當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),開(kāi)關(guān)打開(kāi),切斷故障發(fā)生后電容的充電回路,但是這種方法增加了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的損耗。本文主要討論通過(guò)控制并聯(lián)在直流母線電容上的電阻進(jìn)行電壓鉗位的方法。圖8a給出了這種方法的電路圖。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下,開(kāi)關(guān)S1和S2是斷開(kāi)的,保護(hù)電路不起作用。當(dāng)檢測(cè)母線電容有過(guò)電壓時(shí),開(kāi)關(guān)閉合,相應(yīng)的電阻被并聯(lián)到電容兩端,從而對(duì)電容放電,對(duì)電壓進(jìn)行鉗位。電阻上釋放的能量取決于系統(tǒng)的參數(shù),比如輸入電壓、輸入電感和鉗位電壓等。圖8b給出了等效的電容充、放電回路原理圖,電容電壓VC_p和輸入線電壓Vll_p的關(guān)系可以表示為式中L——進(jìn)線電感;R——放電電阻。假設(shè)電容的電壓被理想地鉗位在250V,需要釋放的能量和輸入電感值的關(guān)系如圖9中虛線所示,圖9同時(shí)給出了鉗位在220V的情況作為對(duì)比。從圖9中看出,較高的鉗位電壓和較大的輸入電感導(dǎo)致較小的釋放功率。最高的鉗位電壓取決于電容和電力電子器件的耐壓。根據(jù)鉗位電壓Vclamp和釋放的功率Pclamp,功率電阻的值為本文中,鉗位電壓選在250V,如圖9所示,對(duì)于5mH的輸入電感,鉗位電阻功率損耗大約在800W左右,所需要的電阻值為78?。在實(shí)際系統(tǒng)中,過(guò)電壓現(xiàn)象每個(gè)周波只有一半的時(shí)間產(chǎn)生,從而形成電容電壓的脈動(dòng)。最終選擇60?的電阻保證一定的余量。圖10給出了采用電阻鉗位方法的仿真結(jié)果,故障發(fā)生后,C1電容上的電壓被鉗位在250V左右。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能,可以采用壓敏電阻,其電阻值可以隨電壓的變化而變化,電壓值越高,電阻值越小。圖11給出了采用NTE公司壓敏電阻1V115的仿真結(jié)果。可以看出最高的直流母線電壓和最大的輸入電流和采用普通電阻鉗位的情況相比都有所減小。當(dāng)選用電阻或壓敏電阻的時(shí)候,同時(shí)需要考慮電網(wǎng)側(cè)接觸器的動(dòng)作時(shí)間,因?yàn)檫@決定了故障狀態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短,從而決定電阻上總共需要消耗的能量和電阻的選擇。4接地故障的表現(xiàn)本文對(duì)提出的接地故障檢測(cè)方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)功率為1kW,由變換器模塊、控制板、采樣板和輸入輸出濾波器等構(gòu)成,控制板基于DSPTMS320F2812,變換器模塊采用CM10YE13-12HIPM.接地故障的檢測(cè)試驗(yàn)在負(fù)載側(cè)進(jìn)行,直流母線電壓192V。接地阻抗的參數(shù)為R1N=25k?,C2N=10nF,R2N=20?。其他系統(tǒng)參數(shù)為Imid=10mA,CM=4nF。圖12a給出了沒(méi)有故障發(fā)生時(shí),負(fù)載側(cè)輸出的線電壓以及中點(diǎn)接地阻抗電壓VOE的波形,VOE的數(shù)值接近于零。圖12b給出了故障發(fā)生后的VOE波形,可見(jiàn)和故障發(fā)生前有著顯著的區(qū)別。圖12c給出了濾波后的-VOE和A相的調(diào)制波形。根據(jù)圖3中的流程,接地故障被成功地檢測(cè)出來(lái),并且判斷發(fā)生在A相。N,N1,N2,N3的取值和仿真中一樣。對(duì)于器件短路引起的電壓翻倍現(xiàn)象及保護(hù)方法,試驗(yàn)系統(tǒng)采用一個(gè)40V、60Hz的單相電源和變換器進(jìn)行驗(yàn)證,鉗位保護(hù)觸發(fā)電壓設(shè)定在45V。圖13a給出了沒(méi)有鉗位保護(hù)時(shí),發(fā)生器件短路時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓,可以看出在故障發(fā)生前,電容C2的電壓在30V左右,當(dāng)發(fā)生器件短路故障時(shí),電壓翻倍到60V左右。圖13b給出了采用電壓鉗位保護(hù)措施后,當(dāng)電容電壓超過(guò)45V時(shí),觸發(fā)保護(hù)電路,電容電壓可以被鉗位在30V左右。5通