基于IGCT的三電平H橋型大功率變頻器電子保護研究

黃華 彭劍

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

IGCT器件以其通態、關斷損耗低，電壓等級高、及電流大等優勢，在中壓大功率變頻器領域得到越來越廣泛的應用。但是在基于IGCT的變頻器內部發生瞬態短路故障時，由于IGCT器件自身無瞬態過電流保護能力，往往因IGCT無法及時關斷而造成變頻器損壞，并導致事故進一步擴大。目前，針對變頻器IGCT的瞬態過電流故障可采取的保護方法包括故障時關斷變頻器直流母線上串聯的 IGCT[1]、快速熔斷器保護法[2]等。這些方法在功率等級較低的變頻器中，可以對IGCT過電流故障起到一定的保護作用，但是當變頻器的功率等級較高時，這些方法就會存在響應時間長、分斷不可靠、設備體積大等不足。

本文通過分析基于 IGCT的三電平 H橋型大功率變頻器不同的內部短路情況，提出一種關于三電平 H橋結構變頻器內部短路故障的數學模型，并利用該模型對變頻器逆變主回路內部發生的短路瞬態過電流過程及回路參數變化情況進行了討論。以此為基礎，本文提出了一種大功率變頻器IGCT過電流故障電子保護方法，并通過實驗驗證了該方法的有效性。

2 變頻器故障模式及瞬態過流故障建模分析

圖1所示為三電平 H橋結構變頻器的一相，R、L構成整流變壓器輸出端至直流濾波電容之間的等效阻抗，其大小由變壓器、整流二極管及電纜決定，C為直流濾波電容，Ls、Rs、Cs及 D5、D6構成限流環節，T1～T8為 ABB公司5SHX19L6010型 IGCT，與 D1～D4組成三電平H橋結構。

圖1 三電平H橋結構變頻器的一相

變頻器發生內部瞬態過流故障類型包括橋臂直通、輸出端短路兩種。橋臂直通可分小直通故障與大直通故障。輸出端短路主要是輸出未經負載造成短路。不論哪一種過流故障，均有兩條瞬態過流放電回路：一條由交流電源 Uuc，等效阻抗 R、L，限流環節，橋臂 IGCT構成；另一條由直流濾波電容 C，限流環節，橋臂 IGCT構成。圖2示出了大直通情形下的放電回路。

圖2 大直通放電回路

考慮到瞬態過電流故障發生時間較一個電源周期短許多，將交流電源 Uuc視為一直流源，對上述過電流故障放電回路作如圖3所示的等效電路模型。

圖3 放電回路等效電路

圖3中，Uuc為故障狀態交流電源瞬態等效直流源；R、L同圖 1；C為等效直流濾波電容；R1、L1為短路時限流環節與 H橋構成的等效阻抗，由于限流環節的鉗位電容相對直流濾波電容而言較小，短路后的第一波電流沖擊過程，可忽略鉗位電容上的暫態以及充電電流[2]。因此，R1、L1大小由限流電感與短路電流流經的IGCT和鉗位二極管的通態電阻決定。

對圖3放電回路等效模型可列出狀態方程組如下：

其狀態變量 uc、i0、i分別為直流濾波電容電壓、直流濾波電容前端母線電流及 H橋橋臂電流。以變頻器的大直通故障為例，對瞬態放電過程中各狀態變量變化情況進行計算分析[3]。

大直通情況，等效放電回路參數如表 1所示，放電過程狀態變量的計算結果如表2所示。

表1 大直通放電回路參數

表2 大直通時放電回路狀態變量計算結果

3 瞬態過電流電子保護工作原理及方案設計

從上節分析可以看出，變頻器發生內部瞬態過流故障過程是一個微秒級大電流振蕩放電過程。考慮到變頻器的主功率器件 5SHX19L6010型 IGCT的最大可關斷電流為 1800A，10ms內器件可承受的最大不可重復通態電流為18000A[4]，大直通短路時，由表 1的計算結果可見，達到前者的時間不到兩微秒，達到后者的時間也不過四十幾微秒。因此，采用傳統的短路過流保護方法，在如此短的時間內要達到保護器件的目的是非常困難的。

圖4 電子保護工作流程

瞬態過電流電子保護的方法能否實現微秒級別的保護效果，必須從兩個方面考慮：1) 如何判定短路過流故障的發生；2) 故障發生后的如何實現保護。第一個方面，我們考慮采用一種實時性更為可靠的檢測判定方法：直接通過對限流電感上的電壓進行閥值檢定，判斷主回路是否發生短路過流。通過閥值判定電路對該電壓的比較，獲得主回路是否發生短路過流故障的信息。第二個方面，我們考慮出現短路過電流后，不立即關斷 IGCT，而是利用該型 IGCT通態條件下可承受18000 A的電流的特點，將所有橋臂上的IGCT器件全部開通以分擔短路電流。并采用的是高電壓等級的 IGBT，在微秒級范圍分斷大電流，以實現分斷直流濾波電容與主回路的效果。整個保護的具體工作流程如圖4所示。

針對所使用的IGCT器件及主回路的結構特點，根據所提出的電子保護原理，對三電平 H橋結構變頻器瞬態短路過電流故障的電子保護方案設計如圖5所示。

圖5 瞬態短路過流電子保護方案示意

4 仿真分析及實驗驗證

根據上一節提出的保護方案，我們建立了如圖6所示的短路電子保護實驗平臺。

實驗平臺的直流輸入電壓 1800 V；C為10 mF直流濾波電容；K選用 3300 V/1500 A的IGBT，短路前保持開通狀態；DC-link環節由Ls1、Rs1、D及Cs1構成，其中Ls1為8 μH水冷電感，2 μH處取抽頭；平臺采用雙橋臂，橋臂采用的功率器件為 5SHX19L6010型 IGCT。圖7所示為短路保護實驗波形。

圖6 電子保護實驗平臺

圖7 短路保護實驗波形

實驗波形易見，T1管開通，直流母線電流迅速上升，直流母線電流升至 K管過流保護動作，K管關斷并出現關斷過電壓；直流母線電流下降。整個過流保護完成的時間在 40 μs以內，滿足保護的需要。

5 結束語

本文闡述了基于 IGCT的三電平 H橋型變頻器的瞬態過電流故障，分析了故障狀態下的放電過程。以此為基礎提出了一種新的IGCT瞬態過電流電子保護方法，實驗表明該方法能夠滿足基于IGCT的大功率變頻器微秒級瞬態過電流故障的保護要求。

[1]韓安榮. 通用變頻器及其應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[2]胡兆慶等. 高壓變頻器中IGCT的快熔保護[J]. 高電壓技術, 2003,29(1).

[3]劉衛國. 科學計算與MATLAB語言[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2000.

[4]Thomas Setz, Matthias Lüscher.. Applying IGCTs.ABB Application Note，5SYA 2032-03，2007.