250 kW儲能飛輪變流器故障分析

摘 要：針對250 kW儲能飛輪變流器的某次上電異常事件，通過事件發(fā)生時試驗(yàn)波形的數(shù)據(jù)分析，判斷故障原因分別是變流器驅(qū)動板受干擾及電機(jī)輸出側(cè)對地短路，根據(jù)事件原因進(jìn)行相應(yīng)處理和整改。

關(guān)鍵詞：飛輪；變流器；對地短路

中圖分類號：TM407" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.005

0" " 引言

飛輪儲能作為一種新型儲能技術(shù)，將能量以機(jī)械能的形式儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中。相比傳統(tǒng)儲能方式，飛輪儲能具有綠色環(huán)保、能量密度高、壽命長、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于不間斷電源（UPS）、城市軌道交通、風(fēng)電一次調(diào)頻、電力調(diào)峰等領(lǐng)域。目前國內(nèi)飛輪及其變流器控制等技術(shù)處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但離大規(guī)模工業(yè)化還有一定距離[1-3]。

飛輪儲能變流器作為飛輪的驅(qū)動裝置，用于實(shí)現(xiàn)飛輪機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換控制，即儲能飛輪的充放電控制，其運(yùn)行的穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。本文針對儲能變流器某次上電異常事件，詳細(xì)分析儲能變流器的故障原因，提出整改措施，并進(jìn)行相應(yīng)處理，以避免今后類似事件再次發(fā)生。

1" " 250 kW飛輪儲能系統(tǒng)介紹

如圖1所示，250 kW飛輪儲能系統(tǒng)主要由儲能變流器和飛輪本體組成，其中飛輪本體為核工業(yè)理化工程研究院自主開發(fā)，采用被動磁懸浮軸承技術(shù)，上下兩組電機(jī)作為飛輪的驅(qū)動裝置。由于飛輪負(fù)載的特殊性，市場上通用的電機(jī)變頻器無法實(shí)現(xiàn)飛輪的驅(qū)動控制及頻繁充放電控制，因此，核工業(yè)理化工程研究院進(jìn)行了儲能變流器的自主研發(fā)，專門用于飛輪的驅(qū)動控制。

儲能變流器主要由AC/DC、預(yù)充電回路、DC/AC、電抗器、輸出接觸器及直流泄放回路組成，各部分功能介紹如下：

1）AC/DC：主要完成整流功能，提供直流電源。樣機(jī)為二極管不控整流器，由輸入接觸器、二極管整流器、預(yù)充電回路組成。

2）DC/AC：主要實(shí)現(xiàn)逆變功能。飛輪電機(jī)為雙電機(jī)形式，因此DC/AC逆變器采用兩組IGBT逆變橋，分別獨(dú)立控制。主回路主要由兩組IGBT逆變橋、輸出電抗器、輸出接觸器、電流互感器等組成。

3）直流負(fù)載泄放回路：直流負(fù)載泄放回路通過一路IGBT實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)，根據(jù)直流電壓及指令實(shí)現(xiàn)直流負(fù)載的通斷，用于后期儲能飛輪放電控制時作為模擬負(fù)載。

4）控制系統(tǒng)：集成了IGBT底層驅(qū)動、DSP控制單元、電流電壓采樣、旋變信號采集，含有多路DI/DO信號。通過采集和數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出PWM信號，驅(qū)動IGBT斬波?？刂瓢寮?85、SPI等通信接口，可通過操作面板對驅(qū)動器進(jìn)行控制。

2" " 上電異常事件簡介

飛輪儲能系統(tǒng)搭建完成后，通過儲能變流器進(jìn)行了飛輪的各種調(diào)試，前期系統(tǒng)運(yùn)行正常，已能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪額定轉(zhuǎn)速的驅(qū)動及其頻繁充放電控制，達(dá)到了預(yù)期效果。

在某次試驗(yàn)中，需要進(jìn)行飛輪啟動，試驗(yàn)人員按照試驗(yàn)步驟，首先合上交流接觸器，接觸器剛一吸合，還未按下啟動按鈕，就發(fā)現(xiàn)直流母線電壓立即升至250 V左右，后緩慢上升，且電機(jī)電流瞬間增大。該情況與正常上電情況不符，試驗(yàn)人員立即斷開交流接觸器，并進(jìn)行變流器檢查，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。再次上電，發(fā)現(xiàn)情況與前次相同，上電異常。試驗(yàn)人員立即斷電，等待直流母線電壓降至0 V后，供電全部斷開，進(jìn)行故障排查分析。

3" " 故障分析

3.1" " 原因判斷

試驗(yàn)人員記錄了上電異常時的試驗(yàn)波形，主要包含直流母線及電機(jī)側(cè)三相電流波形，如圖2所示，示波記錄儀品牌為恒河，示波器下半部分為上半部分白色框的放大示意圖，其中曲線1為直流母線電壓，曲線2、曲線3和曲線4分別為電機(jī)側(cè)三相電流波形，即逆變器輸出電流波形。

正常情況下，上電之前，直流母線及電機(jī)電流全部為0。當(dāng)交流接觸器吸合后，三相交流電網(wǎng)輸入電壓通過二極管整流器（AC/DC）及后級的預(yù)充電回路，向后級直流電容充電，直流母線電壓緩慢上升至設(shè)定值，防止上電瞬間電容側(cè)電壓突變，造成充電電流過大，損壞二極管整流器。然后通過控制器控制預(yù)充電回路繼電器K1，將其充電電阻R短接，直流母線電壓基本穩(wěn)定在540 V左右（根據(jù)當(dāng)時電網(wǎng)情況有小幅波動）。由于后級逆變器IGBT驅(qū)動全部封鎖，電機(jī)側(cè)電流應(yīng)該為0。

在異常故障發(fā)生時，由圖2可以看出，上電瞬間直流母線電壓立即上升至約240 V，電機(jī)側(cè)電流瞬間增大，且三相電流全部為負(fù)值，三相電流之和遠(yuǎn)不等于0。根據(jù)故障發(fā)生時試驗(yàn)波形，首先直流電壓瞬間異常升高，初步判斷預(yù)充電回路可能異常，試驗(yàn)人員經(jīng)過檢測預(yù)充電控制信號及充電電阻等，發(fā)現(xiàn)預(yù)充電繼電器瞬間接收短接信號，說明軟件或硬件受干擾造成該信號誤觸發(fā)；其次，從上電瞬間電流異常增大且全部為負(fù)看，初步判斷可能后級電機(jī)出現(xiàn)瞬間短路現(xiàn)象，后經(jīng)過試驗(yàn)人員對飛輪電機(jī)進(jìn)行絕緣測試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)三相輸出對地短路，絕緣電阻為0，經(jīng)過拆解，發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出端子處絕緣擊穿，有燒煳發(fā)黑，如圖3所示。

經(jīng)過飛輪設(shè)計人員確認(rèn)，飛輪電機(jī)輸出端子側(cè)工藝有欠缺，即安裝空間狹窄及走線彎路太大，很容易造成絕緣不好，需對其設(shè)計及加工工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。至此，變流器上電異常的原因找到：首先由于電機(jī)側(cè)輸出端子絕緣不好，造成電機(jī)瞬間對地短路，而電機(jī)控制板與驅(qū)動板又與大地有關(guān)聯(lián)，一旦電機(jī)側(cè)瞬間對地短路，就會對電機(jī)驅(qū)動板、控制板等造成干擾，從量變到質(zhì)變，當(dāng)短路發(fā)生的次數(shù)累計到一定程度后，驅(qū)動板甚至?xí)l(fā)生損壞。

3.2" " 電流異常分析

為了更加直觀地分析上電瞬間電流異常現(xiàn)象，對儲能變流器主回路進(jìn)行簡化，如圖4所示，以單電機(jī)為例，分析電機(jī)輸出端瞬間對地短路對電機(jī)側(cè)電流的影響。其中Ls為電機(jī)等效電感，Rs為電機(jī)等效定子電阻，Ls=900 μH，Rs=100 mΩ，L1為電抗器電感，R1為電抗器等效電阻，充電電阻R=10 Ω。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，上電瞬間接觸器K1誤動作，發(fā)生短接。

假設(shè)電網(wǎng)電壓為380 V，N為電網(wǎng)中性點(diǎn)，則電網(wǎng)U、V、W三相對N的相電壓為E=220 V，該交流電壓經(jīng)過二極管整流器向后級電容充電，直流電壓波形為6脈動波，每個脈動波頭占約20/6 ms（約3.33 ms）。正常情況下，逆變器驅(qū)動信號全部為禁止，IGBT全部關(guān)斷，電機(jī)側(cè)為懸空，此時即使電機(jī)輸出對地短路，由于沒有通路，電機(jī)電流仍為0，不會有任何影響。但是實(shí)際中，電機(jī)三相電流瞬間很大，說明IGBT驅(qū)動信號有異常。

按照逆變器下橋臂全部導(dǎo)通、上橋臂全部截止分析，假設(shè)電機(jī)C相對地短路，發(fā)生短路位置在M點(diǎn)，上電瞬間接觸器K1閉合，則各部分電流走向如圖5所示。對于二極管整流器下橋臂而言，當(dāng)U、V、W各相對于N點(diǎn)為負(fù)半周時，整流器下橋臂三個二極管依次導(dǎo)通，且每個二極管導(dǎo)通時間為6.66 ms；對于整流器上橋臂，按照正向電壓相電壓最大支路對應(yīng)的二極管最先導(dǎo)通原理，依次進(jìn)行導(dǎo)通。由于二極管整流器上橋臂的順序?qū)ㄖ挥绊懼绷麟妷?，不對電機(jī)電流造成影響，因此這里暫不考慮上橋臂。

由圖5可以看出，當(dāng)電機(jī)C相對地短路，則M點(diǎn)電位為0 V，當(dāng)U相電壓最低時，二極管D1導(dǎo)通，且電位為負(fù)，此時M點(diǎn)電位最高，則電機(jī)端電流ia、ib、ic全部通過D1匯入電網(wǎng)，當(dāng)V相電壓最低時，電機(jī)端電流全部通過D2匯入電網(wǎng)，當(dāng)W相電壓最低時，電機(jī)端電流全部通過D3匯入電網(wǎng)，D1、D2、D3依次導(dǎo)通，每個導(dǎo)通時間為1/3個工頻周期（約6.66 ms），經(jīng)過計算電機(jī)每相電流分別為：?？梢钥闯龆搪匪查g，C相電流最大，A、B兩相電流相等，且電流波形呈現(xiàn)120°脈動包絡(luò)線，這與圖2所測電流波形基本吻合。A、B相電流出現(xiàn)小幅不同，主要是由等效電阻的細(xì)微差別造成的。理論分析與實(shí)際波形吻合，因此考慮逆變器驅(qū)動板存在干擾異常可能。

4" " 整改措施

根據(jù)上述分析，找到變流器上電瞬間異常的原因所在，主要是電機(jī)輸出端子側(cè)絕緣不好，隨著試驗(yàn)電壓的不斷升高，該位置的絕緣問題逐漸暴露，進(jìn)而導(dǎo)致控制板、驅(qū)動板受干擾，激化了短路現(xiàn)象的發(fā)生。據(jù)此制定了整改措施：首先更換變流器驅(qū)動板、控制板，同時檢測確認(rèn)變流器IGBT逆變器、直流繼電器及充電電阻是否正常；其次，優(yōu)化飛輪電機(jī)生產(chǎn)工藝，尤其是電機(jī)輸出端子與電機(jī)定子線圈部分，加強(qiáng)電機(jī)絕緣等級，避免今后類似事件再次發(fā)生。整改措施實(shí)施后，變流器恢復(fù)正常。

5" " 結(jié)束語

儲能變流器作為飛輪的驅(qū)動裝置，對于實(shí)現(xiàn)飛輪的頻繁充放電控制和能量的可靠轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。本文根據(jù)儲能變流器的某次上電異常現(xiàn)象，結(jié)合事件發(fā)生瞬間直流電壓、電機(jī)電流波形，找到了事故原因，并進(jìn)行故障分析，最后給出了整改措施，以避免今后類似事件再次發(fā)生。

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收稿日期：2024-12-04

作者簡介：趙武玲（1980—），女，河北人，碩士，高級工程師，研究方向：儲能飛輪電氣控制。