艦船推進變頻器過電壓抑制技術研究

陽開生

?

艦船推進變頻器過電壓抑制技術研究

陽開生

（海軍駐成都中國核動力研究設計院軍代室，成都 610200）

推進變頻器是電力推進艦船的動力關鍵設備，其運行可靠性關系著船舶運行的安全性。過電壓是導致推進變頻器損壞的重要原因之一，本文根據(jù)推進變頻器的拓撲結構分析了其過電壓產生的機理，提出了基于壓敏電阻的過電壓抑制方法，分析了壓敏電阻的接入位置，對其抑制效果進行仿真分析，仿真結果驗證了抑制方法的有效性。

推進變頻器 過電壓 壓敏電阻 抑制方法

0 引言

推進變頻器是電力推進艦船的核心控制設備之一，其運行性能和可靠性直接關系著艦船的操控性和運行安全性。因此對推進變頻器的結構和運行的可靠性進行深入分析并提出相應的防護措施是十分必要的。

造成電力電子器件損壞的主要原因是變頻器內部運行或外部供電導致的過電壓或者過電流。某個電力電子器件一旦損壞，很可能造成連鎖反應，導致變頻器損毀而無法運行。過電流造成的器件損壞是通過熱效應體現(xiàn)的，一般需要一段過程，對其防護可以通過緩沖電路結合電流反饋控制來實現(xiàn)。但是過電壓可以瞬時擊穿電力電子器件的PN節(jié)，因此是推進變頻器防護的重點。本文主要針對推進變頻器過電壓原因及其防護措施進行分析。

導致變頻器過電壓有外部因素和內部因素。內部因素是變頻器在運行過程中由于某些運行狀態(tài)引起的過電壓反應，如器件換相或者逆變端支撐電容不平衡引起的過電壓等。外部因素是由變頻器的輸入端或輸出端電壓異常升高引起的，例如變頻器輸入斷路器操作導致電流的瞬態(tài)變化引起了過電壓，電力系統(tǒng)本身異常運行引起了輸入過電壓，推進電機在制動運行時能量反饋導致母線電容電壓泵升引起了過電壓等[1]。

對于變頻器內部過電壓的防護保護，一般在變頻器結構設計和控制時進行考慮，目前已經有比較成熟的技術。例如，對于電力電子器件工作狀態(tài)變化引起的尖峰過電壓，通常采用RCD吸收電路來進行抑制。對于三電平逆變器中性點漂移引起的過電壓，一般采用改進的具有中性點電壓平衡功能的SVPWM控制技術來進行抑制。對于控制脈沖誤發(fā)導致直通引起的過電壓可以通過PWM脈沖死區(qū)設置、提高信號控制精度等手段加以避免。

由于引起高壓變頻器外部過電壓的因素通常具有較大的隨機性，比如雷擊過電壓、電力系統(tǒng)異常運行過電壓等，一般難以預測，因此也很難預防，一旦發(fā)生將會造成較大的危害。因此，本文針對推進變頻器的外部過電壓進行研究，分析外部過電壓的表現(xiàn)形式和防護方法。

1 推進變頻器的拓撲結構分析

圖1 推進變頻器拓撲結構

在艦船電力推進系統(tǒng)中，由于推進功率非常大（一般為數(shù)兆瓦以上），因此推進變頻器需要采用中壓結構，而多電平結構是最好的選擇之一，圖1是一種采用二極管鉗位式三電平逆變器的推進變頻器結構[2]。其輸入端整流單元采用了十二脈波不控整流器結構形式，根據(jù)需要也可采用二十四脈波整流以減小輸入諧波，提高輸出電壓質量。逆變單元采用了二極管鉗位式三電平逆變器，可以在提高逆變器輸出電壓幅值的同時降低輸出電壓諧波。如果要進一步提高逆變器的功率，可以采用多個逆變器模塊并聯(lián)的形式，也可以采用更多的電平或者多個器件串聯(lián)[3]。逆變單元的輸出端設置了LC正弦濾波器，可以進一步降低推進變頻器的輸出諧波。

2 推進變頻器的過電壓機理分析

推進變頻器的外部過電壓是從輸入端或者輸出端對變頻器進行影響的。對于輸入端而言，無論是操作引起的瞬時過電壓還是電力系統(tǒng)本身運行引起的輸入過電壓，都會通過推進變壓器傳導至整流器，進而造成整流器輸出端，即直流母線電壓升高，導致后端逆變器中的電力電子器件承受過電壓而被擊穿損壞。

對于輸出端而言，其過電壓是由推進電機的運行狀態(tài)引起的，例如當停車或倒車工況要求推進電機做制動或者反轉運行時，由于推進電動機的機械慣性時間常數(shù)遠大于推進變頻器的電氣慣性時間常數(shù)，使得推進電機的實際轉速在工況指令下達后的一段時間內要大于變頻器輸出頻率對應的轉速。因此推進電機處于發(fā)電運行狀態(tài)，發(fā)出的電將通過逆變器的反并聯(lián)二極管形成的整流器對推進變頻器的直流母線電容充電，從而導致推進變頻器的直流母線電壓升高，造成過電壓。

此外，推進變頻器的外部短路故障也會引起變頻器逆變部分的過電壓。下面對這種外部短路引起的過電壓進行詳細分析。

短路的形式有多種，如單相接地短路、三相接地短路、三相對稱短路以及相間短路等。

對于推進變頻器輸出端單相接地短路這種情況，在短路的時候，發(fā)生對地短路故障的這一相的短路電流會迅速增大，并流經輸出LC濾波器。短路電流的迅速增大意味著電流變化率d/d也增大，由于推進變頻器線路中本身存在著電感，這樣電感元件感應出來的電壓d/d隨之增大，從而在直流母線上形成過電壓，對逆變器中的電力電子器件造成損害。

對于逆變器輸出端發(fā)生相間短路這種情況，需要根據(jù)逆變器的工作狀態(tài)進行分析。

三電平逆變器每個橋臂共有三種工作狀態(tài)，以A相橋臂為例：

工作狀態(tài)2：每個橋臂的上面兩個開關Ta1、Ta2導通，下面兩個開關Ta3、Ta4關斷，此時逆變器輸出極電壓AO=d/2。

工作狀態(tài)1：每個橋臂的中間兩個開關Ta2、Ta3以及鉗位二極管Da1、DA2導通，開關Ta1、Ta4關斷，此時逆變器輸出極電壓AO=0。

工作狀態(tài)0：每個橋臂的上面兩個開關Ta1、Ta2關斷，下面兩個開關Ta3、Ta4導通，此時逆變器輸出極電壓AO=-d/2。

下面分析幾種典型工作狀態(tài)時的母線過電壓情況。

如果發(fā)生A、B相間短路時，A相處于工作狀態(tài)2，B相處于工作狀態(tài)0，設為工況一（見圖2）。此時如果短路電流為正向，那么電流將經過Ta1、Ta2、Tb3、Tb4和直流母線電容C1、C2形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經過續(xù)流二極管Da1、Da2、Db3、Db4和直流母線電容C1、C2形成回路?；芈返木€路電阻非常小，因此短路電流非常大，同樣由于推進變頻器線路中本身存在著電感，這樣電感元件感應出來的電壓d/d隨之增大，從而在直流母線上形成過電壓，對逆變器中的電力電子器件造成損害。

如果發(fā)生A、B相間短路時，A相處于工作狀態(tài)2，B相處于工作狀態(tài)1，設為工況二（見圖3）。此時如果短路電流為正向，那么電流將經過開關管Ta1、Ta2、Tb3、鉗位二極管Db6和直流母線電容C1形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經過鉗位二極管Db5、開關管Tb2、續(xù)流二極管Da1、Da2和直流母線電容C1形成回路，同樣會導致直流母線過電壓。

如果發(fā)生A、B相間短路時，A相處于工作狀態(tài)1，B相處于工作狀態(tài)0，設為工況三（見圖4）。此時如果短路電流為正向，那么電流將經過鉗位二極管Da5、開關管Ta2、Tb3、Tb4和直流母線電容C2形成回路。如果短路電流反向，那么短路電流將經過續(xù)流二極管Db3、Db4、開關管Ta3、鉗位二極管Da6和直流母線電容C2形成回路，同樣會導致直流母線過電壓。

其它的一些工況，如A相處于工作狀態(tài)1，B相處于工作狀態(tài)0；A相處于工作狀態(tài)0，B相處于工作狀態(tài)2等情況也會造成推進變頻器直流母線過電壓。而如果A相處于工作狀態(tài)2，B相也處于工作狀態(tài)2；A相處于工作狀態(tài)0，B相也處于工作狀態(tài)0等情況，則短路電流不會經過直流母線支撐電容，因此不會造成推進變頻器直流母線過電壓。

上述各種相間短路情況對直流母線電壓的影響情況總結如表1所示。

對于其它的推進變頻器輸出端短路情況，如三相對稱短路和三相對地短路等，其分析方法和過程基本相同，結論也類似。短路電流通過推進變頻器的直流環(huán)節(jié)支撐電容形成回路，由于存在著線路電感和工作電感，導致感應電壓異常增大，從而在直流母線上形成過電壓，對后級的逆變電路器件造成影響。

表1 不同情況下相間短路對直流母線過電壓的影響

從上面分析的各種情況可以看出，各種情況的外部過電壓最終都表現(xiàn)為直流母線支持電容電壓的異常增高，從而對后級的逆變器器件造成過電壓。所以抑制推進變頻器外部過電壓的關鍵之處在于抑制變頻器中間直流母線環(huán)節(jié)的過電壓。

3 基于壓敏電阻的過電壓抑制方法

壓敏電阻是一種金屬氧化物電阻，它的特性如圖5所示。正常工作時，壓敏電阻表現(xiàn)為高阻特性，只流過很小的漏電流。當產生過電壓時，壓敏電阻的阻值會迅速減小，把壓敏電阻兩端的電壓鉗位在它的殘壓，從而對與其并聯(lián)的設備起到保護作用。當電壓恢復正常時，壓敏電阻又會恢復高阻狀態(tài)，不影響系統(tǒng)正常工作。

從壓敏電阻的工作特性來看，壓敏電阻要實現(xiàn)過壓抑制保護功能，需要與被保護對象并聯(lián)使用，才能把工作電壓鉗位在安全范圍內。下面研究當其應用于電力推進變頻器時應當接于什么位置，才能起到良好的過電壓抑制作用。

根據(jù)所提出的推進變頻器的結構，壓敏電阻的接入位置主要有四個地方，如圖6所示。分別是變頻器整流單元輸入端（位置1）、變頻器濾波單元輸出端（位置2）、變頻器中間直流母線（位置3）、變頻器逆變單元輸出端（位置4）。

位置1和位置2位于推進變頻器的輸入端和輸出端，當這兩處發(fā)生過電壓時，雖然通過壓敏電阻的可以保證變頻器兩端發(fā)生的過電壓不會竄入變頻器，但是由于壓敏電阻的殘壓仍然要大于變頻器正常工作電壓，因此會導致輸入端的直流環(huán)節(jié)電感電流或者輸出端的濾波電感電流快速增大，產生較大的d/d尖峰電壓[4]，當這個尖峰電壓和壓敏電阻的殘壓疊加在一起的時候，其總電壓峰值就會超過逆變單元器件工作的安全電壓，造成器件過壓損壞。

位置3位于推進變頻器的中間直流母線位置，該位置所接的支撐電容本身起到電壓變化緩沖作用，如果所接的壓敏電阻保證在投入工作時的殘壓在逆變單元的安全工作電壓之下，那么就可保證推進變頻器輸入端的過電壓得到有效抑制，保證電力電子器件安全工作，這就有效抑制了來自推進變頻器的輸入端發(fā)生的過電壓。但是如果只在位置3一個位置接入壓敏電阻，對變頻器的輸出端短路造成的過電壓將不能得到很好的抑制。比如說前面分析的變頻器輸出兩相之間發(fā)生短路，迅速增大的短路電流會通過濾波電感產生很大的過電壓d/d，該電壓直接竄入逆變器，造成逆變器器件遭受過電壓而損壞。如果在逆變單元之后、濾波單元之前，即位置4也接入一個壓敏電阻，則可以對這種短路造成的過電壓起到抑制作用。

綜上所述，要想對推進變頻器的外部過電壓起到有效的抑制保護作用，比較簡單可行的方式是在變頻器中接入壓敏電阻，壓敏電阻的接入位置應該位于推進變頻器中逆變單元的輸入側和輸出側。

4 壓敏電阻的過電壓抑制特性仿真

為了驗證基于壓敏電阻的推進變頻器過電壓抑制方案的有效性，按照圖6的推進變頻器結構利用MATLAB/Power System建立推進系統(tǒng)的仿真模型，對過電壓抑制效果進行驗證。

壓敏電阻在推進變頻器中的接入位置如圖6的位置3和位置4所示。仿真時，在變頻器正常運行一段時間之后，突然增大變頻器輸入的交流電壓，用于模擬電力系統(tǒng)異常造成的推進變頻器外部過電壓，這是推進變頻器過電壓產生的典型情況[5]。

電網電壓正常工作時是6600 V，發(fā)生過電壓后跳變至66000 V。圖7是發(fā)生過電壓后，變頻器逆變單元的輸入端直流母線電壓的變化情況。圖7(a)是不加壓敏電阻時的情況，圖7(b)是加了壓敏電阻之后的情況。圖8是發(fā)生過電壓后，逆變器輸出交流電壓的變化情況。圖8(a)是不加壓敏電阻時的情況，圖8(b)是加了壓敏電阻之后的情況。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)：如果不加壓敏電阻，在輸入電壓異常增大后，逆變器輸入直流母線電壓迅速增大到40 kV以上，逆變器的輸出線電壓峰值達到30 kV以上。而加了壓敏電阻之后，在輸入端發(fā)生過電壓時，壓敏電阻迅速產生作用，把直流母線電壓鉗位限制在5500 V，比正常工作時增大不到一半，考慮到電力電子器件本身在使用上都留有約2倍的電壓裕量，因此不會造成后面的逆變器電力電子器件過壓損壞。逆變器的輸出電壓峰值在使用壓敏電阻保護后，其峰值電壓被限制在約4700 V左右，比正常工作的電壓也增加不大，在推進電機可承受的安全工作范圍之內。

(a)不加壓敏電阻

(b)加壓敏電阻

圖7 輸入過電壓故障逆變部分輸入電壓

(a)不加壓敏電阻

(b)加壓敏電阻

圖8 輸入過電壓故障逆變部分輸出AB線電壓

由此可見，壓敏電阻的使用有效地對推進變頻器的外部過電壓起到了抑制作用。同時由于壓敏的工作特性，其過電壓時流過的電流迅速增大，減少了流過逆變器的過電流，對過電壓產生的額外浪涌能量起到了吸收緩沖作用。

5 結論

推進變頻器的過電壓分內部過電壓和外部過電壓兩種形式，內部過電壓是由變頻器自身運行引起的過電壓，一般可以通過變頻器緩沖電路設計以及控制技術來進行限制。外部過電壓是由雷擊、電力系統(tǒng)故障和推進電機運行狀態(tài)等引起的過電壓，具有隨機性，危害大，是過電壓防護的重點。

大功率推進變頻器的逆變部分采用典型三電平結構，在這種結構下無論是交流電源輸入引起的過電壓，還是電動機發(fā)電運行狀態(tài)引起的過電壓，或是各種短路情況引起的過電壓，最終都變現(xiàn)為直流母線電壓升高造成過電壓。通過接入壓敏電阻可以對推進變頻器外部過電壓起到抑制作用，其接入位置應該分別位于推進變頻器逆變模塊的輸入端和輸出端。仿真分析表明，本文所提出的推進變頻器外部過電壓抑制方案是簡潔有效的，能夠把過電壓抑制在電力電子器件能夠承受的安全范圍內，實現(xiàn)了保護作用。

[1] 藍元良, 印永華, 周孝信. 大功率電力電子裝置過電壓保護技術綜述[J]. 電力電子技術, 2009, 39(3): 123-125.

[2] J.Rodriguez, S.Bernet,RK. A Survey on neutral point clamped inverters[J]. IEEE Transections on Industrial Electronics, 2010, 57(7): 2219-223.

[3] 劉健, 尹項根, 張哲. 高壓大功率三電平逆變器的SPWM數(shù)字化技術研究[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(27): 35-41.

[4] M.C.Magro, M.Giannettoni. Validation of ZnO surge arresters model for over voltage studies. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19: 1692-1696.

[5] 黃紹平, 李永堅, 趙毅君. 基于MATLAB的MOA過電壓保護性能仿真[J]. 高電壓技術, 2003, 29(12): 15-17.

Over-voltage Suppressing of the Ship’s Propulsion Converter

Yang Kaisheng

(Naval Representatives Office in Nuclear Power Institute of China ,Chengdu 610200, Sichuan, China)

TN77

A

1003-4862（2017）04-0038-05

2017-01-10

陽開生（1974-），男，工程師。專業(yè)方向：艦船動力工程。E-mail: gfnui999@163.com