三電平逆變器直流過電壓成因分析與預防措施

吳 俊，陳 俊

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

隨著電力電子技術的發展，三電平逆變器拓撲結構日趨成熟，此逆變器具有輸出容量大、輸出電壓諧波含量低等優點，在高電壓大功率交流電機控制領域得到了廣泛的應用[1]。日立HIVECTOL 系列中高電壓三電平變頻器是二極管箝位結構的典型代表。馬鋼1#酸軋、2#酸軋、1#RCM、2#RCM、3#RCM 等產線主電機控制系統均引進日立公司三電平變頻器。

但三電平拓撲結構存在一個固有的問題，即中點電位不平衡[2]。在逆變器中的兩個直流電解電容電壓不相等，則會使功率開關器件承受的電壓增加、諧波含量增多，系統的可靠性能降低，嚴重時會導致功率開關器件的損壞，給生產維護帶來諸多不利。因此，保持中點電位平衡，在允許可控范圍內，是保證三電平變頻器運行性能優良的重要因素之一。

1 逆變器拓撲結構及工作原理

二極管箝位型三電平逆變器，也稱為中點箝位型（Neutral-Point-Clamped,NPC）三電平逆變器。這類電路通過多個功率開關器件串聯起來，按照固定的開關邏輯產生需要的電平，在輸出端輸出相應的正弦波形。在NPC 逆變器拓撲結構中的直流側由兩個相同的電容串聯組成參見圖1。

圖1 二極管箝位型三電平逆變器拓撲結構

每個相橋由四個功率開關器件（IGBT）、四個續流二級管以及兩個中點箝位二極管組成。工作狀態，每個功率開關器件承受直流電壓Udc的四分之一。拓撲結構中的箝位二極管把相橋上與其相連接點的電位箝到直流電壓Udc中點等電位，即參考電位或零位[3]。

工作原理如下：

以U相橋為例（參見圖2）。

圖2 U相橋的三個狀態

（1）當功率器件SU1、SU2導通且SU3、SU4關斷，輸出端U 與直流側正極P 點連接，電流方向從P 點經過SU1、SU2到U 點（正方向）或從U 點經過DU2、DU1到P 點（負方向），忽略功率管及二極管導通壓降，輸出端U點電位等同于P 點電位，此時UUO=Udc/2，定義此狀態為“1”態。

（2）當功率器件SU2、SU3導通且SU1、SU4關斷，輸出端U 與直流側分壓電容中點O 點連接，電流方向從O 點經過DU5、SU2到U 點（正方向）或從U 點經過SU3、DU6到O 點（負方向），忽略功率管及二極管導通壓降，輸出端U點電位等同于O點電位，此時UUO=0，定義此狀態為“0”態。

（3）當功率器件SU3、SU4導通且SU1、SU2關斷，輸出端U 與直流側負極N 點連接，電流方向從N 點經過DU4、DU3到U點（正方向）或從U點經過SU3、SU4到N點（負方向），忽略功率管及二極管導通壓降，輸出端U點電位等同于N點電位，此時UUO=-Udc/2，定義此狀態為“-1”態。

V、W 相橋可同理分析。經過拓撲結構工作原理的分析，可見每個相橋都能夠輸出三個電平，箝位二極管在負載電流反向是可以起到箝位和續流的作用。若將三個相橋的三個狀態組合共有27 種輸出狀態，根據三相27 種輸出組合，可在空間上建立矢量的概念，如U=1、V=1、W=1，V?V＝（1，1，1）。根據矢量模長不同分為零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。用矢量所對應的狀態去驅動功率開關器件的導通與斷開，空間矢量PWM 控制基于此理論，實現對交流電機的空間矢量控制[3]。

2 日立HIVECTOL 系統簡介及故障原因分析

2.1 系統功能簡介

HIVECTOL 系統三電平變頻器進線交流電壓1900 V，直流電壓3300 V，負載主電機容量為1700～5750 kW 不等[5]。圖3 所示為該變頻器主回路結構示意圖。整流器一方面可以將電網電壓整流成直流電壓給逆變器供電，為負載提供電能；另一方面可以將逆變器反向制動所產生的電能通過整流器逆變送入上級電網，即再生發電。逆變器采用的功率開關器件與整流器相同，控制上采用矢量PWM控制技術[4]。

圖3 HIVECTOL系統主回路

在變頻器里設計了幾組重要的檢測元件，為了實現閉環控制。檢測的參數包括進線電壓、進線電流、直流電壓、輸出電流。在變頻器系統中，檢測元件的分布如圖4。

圖4 逆變器檢測元件分布

進線電壓變壓器（Us）和進線電流互感器(Ia、Ib、Ic)反饋用于整流器高功率因數、boost整流控制。整流側直流電壓互感器（PT10、PT11）反饋用于合閘前預充電回路切換、直流電壓控制和保護。逆變側直流電壓互感器（PT26、PT27）反饋用于過電壓保護報警以及逆變器PWM 控制。輸出側電流互感器(Iu、Iv、Iw)反饋用于矢量控制的三相電流換算為兩相電流（力矩電流Id、勵磁電流Iq）[5]。整流器、逆變器的檢測元件反饋信號分布連接到整流器、逆變器接口板，然后在連接到各自主板上參與控制。

2.2 直流過電壓分析

直流過電壓的觸發條件：整流后的直流電壓超過過電壓保護設定值，此設定值一般為額定直流電壓的110%，既3630 V。當直流電壓反饋值超過設定值，出于保護目的對整流器、逆變器PWM 脈沖封鎖，同時發送分閘指令至高壓繼電保護，高壓斷路器跳閘動作。2015 年至2017 年大功率逆變器直流過電壓故障統計如表1。

表1 直流過電壓故障統計

（1）直流電壓反饋單元故障。第一次處理由直流電壓檢測元件損壞而導致的直流過電壓故障時，初始并沒有準確判斷出是直流電壓互感器損壞而導致的，經過反復排查、試驗，將問題矛頭指向直流電壓互感器等檢測反饋回路上。更換了逆變器側的直流電壓互感器PT26，試車后，故障依然存在，記錄數據；再更換了整流器側的直流電壓互感器PT10，試車后，故障消除了，記錄數據見表2。

表2 更換不同位置PT結果對比

事后分析：直流電壓給定值與直流電壓反饋值進行比較后，輸入AVR 電壓調節進行PI 控制，再對整流器三相橋臂IGBT 門極觸發PWM 脈沖進行調制，實現對直流電壓的控制。因為整流器的三電平拓撲結構，系統對UPC和UCN電壓分別獨立控制。當PT10 損壞時，導致原本正常的電壓反饋值偏小，整流器系統通過AVR 電壓調節器作用，提高輸出UPC電壓，使得PT10電壓反饋值等于給定值。但是實際上UPC電壓已大于正常值，引起逆變器直流側PC 間的PT26 電壓反饋值偏高。當T26 電壓反饋值大于110%的UPC電壓額定值（1650 V），則逆變器發出P側直流過電壓。

圖5 直流電壓控制原理圖

（2）再生電能無法及時消耗或反饋電網。主電機速度反饋值下降斜坡太快，在短時間內回饋到直流母線電容上的再生能量過多而未能及時消耗或者反饋給電網，能量積累導致直流電壓超過保護設定值，產生直流過電壓故障[6]。在故障發生時，跳閘保護機制出于保護斷開主回路，3～4 min后放電回路可將積累的能量發熱消耗掉，等維護人員到達現場后雖能對故障進行復位，重新進行生產；但是不查清出主電機速度反饋值下降斜坡太快的原因，可能會多次發生類似的故障。由于生產節奏或操作習慣原因導致的，應告知操作方避免再次發生故障，一般情況下比較少見但是也出現過此類情況。更多的精力放在排查速度反饋回路等相關器件上，比如正弦波編碼器損壞、電纜端子松動接觸不良、編碼器接手損壞以及控制電源等。

（3）其他原因。整流器、逆變器控制主板或輔板損壞，功能紊亂。反饋檢測回路故障，產生誤報警以及導致上述兩種情況的其他原因等。

（4）外網電壓短時異常波動。外網電壓異常波動屬于外因，可直接導致直流電壓偏高。出現這樣的情況一般波及的范圍較廣，至少不可能是單獨某一機架變頻器發生故障。等待電網電壓恢復正常后，應確認變頻器內部各類器件是否因電網波動沖擊而損壞的。

3 預防措施

經過多次直流過電壓故障，深入分析誘發故障原因，結合大功率變頻器工作環境特點，制定預防措施。

（1）重點器件的檢測與檢查。由于直流電壓反饋單元的劣化，而導致的中點電位不平衡，需要及時排除解決，避免更大的設備隱患[7]。以固定的周期，分別對每個大功率變頻器內的直流電壓互感器的狀態進行在線檢測，記錄當前直流電壓互感器工作狀態數據，根據歷史數據曲線，判斷其有無劣化趨勢，將存在劣化的直流電壓互感器及時更換。在線檢測方法：首先利用變頻器內部預充電回路，對直流母線上的電解電容進行充電，使直流母排電壓達到額定直流電壓（3300 V）；其次使用數字萬用表分別測量PT10、PT11、PT26、PT27 反饋電壓值，由于在此過程中整流器并不工作，沒有對直流電壓控制作用，每個互感器都能夠真實反映當前的測量值；最后記錄每個互感器的反饋電壓值。可以對測量的P 側、N 側數據進行對比，判斷中點電位是否平衡，以及與歷史數據對比判斷互感器有無劣化趨勢等。如圖6所示。

另外，對正弦波編碼器等速度信號反饋相關的器件進行固定的周期性檢查，例如接手有無脫開、是否緊固；端子接線有無松動；控制電源是否可靠等等。

圖6 某機架變頻器PT檢測歷史數據

（2）備件的儲備與管理。在工廠實際應用中，備件的存儲及更換是十分重要的環節[7]。對于縮短設備檢修停機時間，儲備一定數量的備件尤為重要。對于大功率變頻器其特殊性、無可替代的重要性，變頻器內部備件的存儲、管理非常重要。若無可用備件更換，對停機損失將不可估量，對關鍵性、不可替代備件備有充足的儲備，如控制主板、直流電壓互感器、交流電壓互感器、正弦波編碼器等。同時對備件的混亂管理，給故障排除、查找原因查找增添了繁重的負擔。根據精益管理、可視化管理的思想，對備件貨架進行了整理，要求到達在短時間內看到所需備件存放位置的目的。

（3）工作環境的改善。大功率變頻器柜高2 m左右，直流電壓互感器以及交流電壓互感器安裝部位進近柜頂，更換此位置的器件，柜內無位置可踩踏，需制作高1 m、面積0.5 m2穩定的平臺，方便維護人員踩踏進行安裝器件，降低勞動強度。

（4）事故預案的制定。制定科學合理的事故預案能確保發生故障時迅速、有序、高效地組織開展故障搶修處理工作，提高故障處理效率，最大限度縮短故障處理時間，減少停機損失。

圖7 器件安裝位置分布示意圖

4 結束語

針對近期出現多次大功率變頻器直流過電壓故障，從三電平逆變器的拓撲結構及原理深入分析研究入手，為故障的解決提供理論支撐，掌握日立三電平逆變器電壓控制機理，總結導致直流過電壓的故障因素。根據現場維護經驗，提出直流過電壓故障的可行性預防措施，最大可能地減少了故障次數，維持生產穩定。