基于氧化鋅壓敏電阻的三電平高壓變頻器過電壓保護研究

基于氧化鋅壓敏電阻的三電平高壓變頻器過電壓保護研究

1高壓變壓器過錯控制仿真由于能源不足，國家工業(yè)的發(fā)展受到限制，節(jié)能成為全世界的中心話題。隨著電力電子技術的發(fā)展,變頻調速器也應運而生,它不僅操作方便,調速性能好,而且節(jié)能效果明顯,廣泛應用于電力、鋼鐵及石油等行業(yè)。過電壓是電力系統(tǒng)和電氣設備的主要危害之一。對于交-直-交電壓源型中性點鉗位三電平高壓變頻器而言,過電壓主要體現(xiàn)在直流環(huán)節(jié)過電壓,過電壓保護主要是對變頻器系統(tǒng)中的電力電子開關器件進行保護。過電壓的危害在于:對直流濾波大電容壽命有直接影響,嚴重時會擊穿電容器;對開關器件的安全構成威脅,嚴重時會損壞器件。過電壓保護是高壓變頻器的一個重要組成部分,它對變頻器安全穩(wěn)定的運行具有重要的意義,然而在相關文獻中,尚未看到有關高壓變頻器過電壓保護方面的研究。本文以基于IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)串聯(lián)的高壓變頻器過電壓保護為研究對象,首次提出了利用ZnO壓敏電阻對高壓變頻器進行過電壓保護的方法。文中簡要分析了幾種典型過電壓情況,結合ZnO壓敏電阻的特性,對比ZnO壓敏電阻的各種放置位置和接線形式,得出了合理的設計方案。針對具體的變頻器參數(shù),設計了ZnO壓敏電阻。通過Matlab/Simulink對變頻器輸入過電壓和輸出短路故障引起的過電壓兩種情況進行仿真,對比加ZnO壓敏電阻前后系統(tǒng)運行情況,驗證了所設計的ZnO壓敏電阻對中性點鉗位三電平高壓變頻器過電壓保護的有效性。該設計的ZnO壓敏電阻已得到實際應用。2三平壓器的過載分析和保護2.1開關輸出電壓諧波問題中性點鉗位三電平變頻器的概念是由日本學者A.Nabae在1980IEEEIAS年會上首次提出的。目前,由于開關器件的耐壓有限,當輸出電壓要求在6kV及以上時,開關器件就必須串聯(lián)運行,需要考慮均壓問題;它的輸出電壓諧波含量還比較大,需要在輸出端增加LC濾波器。隨著電力電子技術的迅速發(fā)展和PWM控制策略的不斷完善,三電平變頻器將會得到更多更廣泛地應用。2.2故障引起的電壓中性點鉗位三電平變頻器過電壓主要體現(xiàn)在直流母線過電壓上。根據(jù)產(chǎn)生過電壓的原因不同,變頻器過電壓可分為內(nèi)部過電壓和外部過電壓。內(nèi)部過電壓主要是指變頻器所使用的開關器件在開關過程中造成的過電壓。由于實際開關器件很難在理想的零電壓和零電流情況下進行狀態(tài)切換,它在開關過程中會產(chǎn)生瞬時尖峰過電壓,威脅到開關器件的安全。外部過電壓主要包括電網(wǎng)電壓波動或雷擊造成的輸入過電壓、電動機因某些原因處于發(fā)電狀態(tài)引起的過電壓和由故障引起的過電壓。電動機處于發(fā)電狀態(tài)時,它所發(fā)出的電通過開關器件反并聯(lián)二極管整流后,對直流環(huán)節(jié)電容充電,導致直流電壓升高,從而引起過電壓。故障引起的過電壓有很多種,最常見的是短路故障引起的過電壓。短路故障發(fā)生時,電流變化很大,變頻器系統(tǒng)中電感的感應電壓與電網(wǎng)輸入電壓疊加到直流濾波電容上,就會產(chǎn)生過電壓。2.3容串聯(lián)吸收電路與開關器件串聯(lián)保護電力電子開關器件是變頻器的主要器件,過電壓保護的目的在于保護開關器件的安全。對于變頻器內(nèi)部過電壓保護,通常采用的方法是將一個阻容串聯(lián)吸收電路與開關器件并聯(lián),如圖1所示。文獻說明該方法對開關器件的瞬時尖峰過電壓具有良好地抑制作用,可以達到保護開關器件的目的。對于變頻器外部過電壓保護,由于它們難于預測和控制,選擇一個有效的過電壓保護器件對保證開關器件的安全運行具有重要的意義。本文就如何有效保護開關器件在過電壓情況下的安全問題進行研究,提出了利用ZnO壓敏電阻對中性點鉗位三電平高壓變頻器進行過電壓保護的方法。3zno壓敏電阻伏安特性ZnO壓敏電阻是一種非線性電阻,它的非線性類似于齊納二極管。它能對兩個方向的過電壓等同地抑制,相當于兩只背靠背的齊納二極管。ZnO壓敏電阻的電阻值與外加電壓成非線性關系,其電阻值在一定電壓范圍內(nèi)變化。其單邊理想伏安特性曲線如圖2所示。由圖2可見,ZnO壓敏電阻伏安特性曲線可劃分成三個區(qū)域:預擊穿區(qū)、開關區(qū)和大電流區(qū)。系統(tǒng)正常工作時,ZnO壓敏電阻工作在預擊穿區(qū),呈高阻性,電阻值很大,只流過微安級漏電流;當過電壓發(fā)生時,ZnO壓敏電阻兩端的電壓一旦超過它的標稱電壓,ZnO壓敏電阻迅速導通,電阻值迅速減小,使能量通過ZnO壓敏電阻釋放,將被保護設備的電壓鉗位在ZnO壓敏電阻的殘壓,從而保護并聯(lián)的電氣設備;當通過一定能量后,ZnO壓敏電阻兩端的電壓下降到標稱電壓以下時,ZnO壓敏電阻又迅速恢復到預擊穿區(qū)工作。4保護器件的安全隱患電力電子開關器件有限的耐壓是對其進行過電壓保護設計的難點。如果對每個開關器件都設計一個ZnO壓敏電阻進行保護,系統(tǒng)會增加許多器件,影響運行的穩(wěn)定性。另外,當ZnO壓敏電阻工作時,其殘余電壓很高,有可能會超過開關器件的耐壓,起不到保護作用。針對這個問題,本文從保護整體而達到保護所有器件安全的角度出發(fā),把整個逆變系統(tǒng)作為保護對象,詳細分析逆變系統(tǒng)的耐壓情況,合理選取ZnO壓敏電阻的放置位置和接線形式,準確計算ZnO壓敏電阻各項參數(shù),實現(xiàn)對高壓變頻器的過電壓保護。4.1聯(lián)zno壓敏電阻及其組合圖3所示為基于IGCT串聯(lián)中性點鉗位三電平高壓變頻器的拓撲結構圖,其中(1)~(4)所示的位置分別表示直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻,DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻,逆變器輸出并聯(lián)ZnO壓敏電阻和濾波器輸出并聯(lián)ZnO壓敏電阻。在直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻和DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻的目的都是為了防止直流濾波大電容過電壓而導致逆變系統(tǒng)輸入過電壓。在直流濾波電容后并聯(lián)ZnO壓敏電阻對直流濾波大電容過電壓的抑制更直接,但是不能保證DC-Link后直流正、負母線電壓一定在逆變系統(tǒng)耐壓范圍之內(nèi)。因為當ZnO壓敏電阻動作時,其動作時間很短,能量以電流形式迅速通過ZnO壓敏電阻釋放,流過ZnO壓敏電阻的電流很大,限流電感的電流變化率也很大,會產(chǎn)生很高的感應電壓。當這個感應電壓和ZnO壓敏電阻殘壓正向疊加時,就不能保證逆變系統(tǒng)處于安全工作的狀態(tài)。在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻就能避免以上情況,它直接對逆變系統(tǒng)的輸入電壓進行過電壓抑制,ZnO壓敏電阻動作后的殘壓,就是逆變系統(tǒng)的輸入電壓。因此,在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻能有效地對逆變系統(tǒng)進行過電壓保護。在DC-Link后并聯(lián)ZnO壓敏電阻是對直流電的過電壓保護,其接線形式有兩種:一是直接跨接,ZnO壓敏電阻與整個逆變系統(tǒng)并聯(lián);二是直流正、負母線分別接ZnO壓敏電阻接地。當ZnO壓敏電阻兩端電壓達到動作電壓而工作時,第一種接法使電流通過ZnO壓敏電阻直接從一條母線流向另一條母線,整個系統(tǒng)相對于電網(wǎng)而言處于正常工作狀態(tài),只是負載發(fā)生了變化;第二種接法使電流通過ZnO壓敏電阻流向了大地,雖然保證了大電流不會對系統(tǒng)產(chǎn)生危害,但是可能會引起較大的負載電機共模電壓,危害電機安全,同時,整個系統(tǒng)相對于電網(wǎng)而言處于對地放電狀態(tài),工作不正常。第一種接法的參考電壓是直流正、負母線間的電壓,能直接反應逆變系統(tǒng)輸入過電壓情況,有利于過電壓保護;第二種接法的參考電壓是直流正、負母線的對地電壓,由于直流環(huán)節(jié)本身沒有接地點,其中性點電壓不為零,逆變系統(tǒng)只要正、負母線間的電壓在某一范圍內(nèi)就能正常工作,因此,如果由于控制策略等原因帶來的中性點漂移可能會使直流正、負母線對地電壓相對于正常工作情況而言處于過電壓狀態(tài),但是正、負母線間的電壓卻在安全工作范圍內(nèi),這就可能導致ZnO壓敏電阻誤動作。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻和濾波器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻都是為了防止來自輸出端的過電壓。濾波器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻是直接抑制電機輸入端過電壓,但它并不能準確地反映逆變器輸出端的電壓。當ZnO壓敏電阻動作時,濾波電感產(chǎn)生很大的感應電壓,這個電壓與ZnO壓敏電阻殘壓疊加后的電壓就可能威脅到逆變系統(tǒng)的安全。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻就能避免以上情況,它直接對逆變系統(tǒng)輸出端電壓進行過電壓抑制,ZnO壓敏電阻動作后的殘壓,就是逆變器輸出端的電壓。因此,在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻能有效地對逆變系統(tǒng)進行過電壓保護。在逆變器輸出端并聯(lián)ZnO壓敏電阻是對三相交流方波電壓的過電壓保護,其聯(lián)結形式有三種:三相星形、三相四線制星形和三相三角形。如圖4所示。對于三相星形聯(lián)結方式,任意兩個ZnO壓敏電阻所承受的電壓為逆變器輸出線電壓。為了達到良好的過電壓保護效果,要求三個ZnO壓敏電阻各項性能參數(shù)完全一致。當某兩個ZnO壓敏電阻處于工作狀態(tài)時,要求它們在各自承受一半輸出線電壓,對于非線性電阻而言,動作后要保證兩個串聯(lián)ZnO壓敏電阻阻值相同是很難的,因而增加了ZnO壓敏電阻設計制造的難度,不易實際應用。對于三相四線制星形聯(lián)結方式,它由四個性能參數(shù)相同的ZnO壓敏電阻按三相四線制接地方式組成。當某一相對地放電時,接地ZnO壓敏電阻兩端電壓為它的殘壓,這相當于提升了公共點的對地電壓,可能導致另外兩相出現(xiàn)過電壓問題時,由于公共點電壓的提升,與它們相連接的ZnO壓敏電阻兩端的電壓并未達到動作電壓而導致ZnO壓敏電阻沒有及時動作,因此不能有效地抑制過電壓。對于三相三角形聯(lián)結方式,每個ZnO壓敏電阻獨自承受逆變器輸出線電壓,只要合理設計ZnO壓敏電阻的性能參數(shù),就能實現(xiàn)過電壓保護的目的。綜上分析,本文認為適合增加ZnO壓敏電阻作為中性點鉗位三電平高壓變頻器過電壓保護的放置位置和聯(lián)結方式是:DC-Link后直流正、負母線之間并聯(lián)ZnO壓敏電阻和逆變器輸出端三相三角形聯(lián)結方式并聯(lián)ZnO壓敏電阻。ZnO壓敏電阻通常與阻容吸收電路并聯(lián)使用,主要是利用阻容吸收電路對尖峰電壓的抑制作用來確保ZnO壓敏電阻不會因尖峰電壓誤動作。從圖3可以看出,由于DC-Link中包含了阻容吸收電路,同時,每一個開關器件都并聯(lián)了阻容吸收電路,因此,可以認為DC-Link后直流正、負母線之間和逆變器輸出端沒有尖峰電壓的影響,所以,本文中提到的ZnO壓敏電阻沒有設計阻容吸收電路。4.2運行電壓峰值(1)標稱電壓:通過1mA直流電流時壓敏電阻器兩端的電壓值。標稱電壓一般按下式計算式中U1mA——標稱電壓;(2)荷電率:ZnO壓敏電阻持續(xù)運行電壓峰值與標稱電壓的比值,一般要求荷電率<0.7。(3)殘壓和殘壓比:通過ZnO壓敏電阻的電流為某一值時,在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱為這一電流值的殘壓。殘壓比是殘壓與標稱電壓之比,一般<1.6。(4)通流容量:通流容量是指在規(guī)定的條件下(規(guī)定的時間間隔和次數(shù),施加標準的沖擊電流),允許通過ZnO壓敏電阻的最大脈沖(峰值)電流值。(5)能量耐量:ZnO壓敏電阻所能承受的最大單次脈沖能量。4.3變壓器靜態(tài)均壓電阻分析本文以基于IGCT串聯(lián)的6kV中性點鉗位三電平高壓變頻器為例,設計ZnO壓敏電阻對其進行過電壓保護。取輸入變壓器變比為1.05,輸入電壓為6kV,計算得經(jīng)過整流后的直流母線電壓為UD=8505V。對于三電平變頻器而言,單個電力電子器件所承受的電壓為直流母線電壓的一半,約為4250V?？紤]器件的耐壓余量,通常選取耐壓為額定工作電壓2倍以上的器件。本文中選取兩只耐壓為5500V的IGCT串聯(lián)作為一個開關器件使用,取串聯(lián)均壓系數(shù)為0.9,其耐壓為9.9kV。同理選取耐壓為5500V的鉗位二極管,串聯(lián)后耐壓也為9.9kV。由于變頻器三相結構相同,為了簡化分析,本文以其中一相橋臂為例。一相橋臂拓撲結構圖如圖5所示。與IGCT和鉗位二極管并聯(lián)的阻容吸收電路均采用相同阻值的電阻和相同大小的電容,各靜態(tài)均壓電阻參數(shù)也相同。下面分別對變頻器靜態(tài)工況和動態(tài)工況進行耐壓分析。所謂靜態(tài)工況是相對于動態(tài)工況而言的。直流母線充電完畢,開關器件控制脈沖依然閉鎖,開關器件處于已上電而沒有工作的靜止狀態(tài),在本文中稱之為靜態(tài)工況。開關器件所承受的電壓為與它并聯(lián)的阻容電路放電電壓。一相橋臂中的Sa2、Sa3和VDa1、VDa2等效電路為兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)。由于該等效電路中的阻容吸收電路和靜態(tài)均壓電阻具有對稱性,其等效電路總阻抗與Sa1或Sa4相同。因此,靜態(tài)工況時,一相橋臂等效為三個耐壓為9.9kV的開關器件串聯(lián),其總耐壓為29.7kV。對于動態(tài)工況,三電平高壓變頻器一相橋臂有5種開關狀態(tài),如下表所示。考慮電流正向流出逆變系統(tǒng)的狀態(tài)。對于開關狀態(tài)1,一相橋臂等效電路為Sa3和Sa4串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對于開關狀態(tài)2,電流通過VDa1和Sa2續(xù)流,一相橋臂等效電路為Sa3和VDa2并聯(lián)后再與Sa1和Sa4串聯(lián),其耐壓為24.75kV;對于開關狀態(tài)3,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa4串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對于開關狀態(tài)4,電流通過Sa3和Sa4的反并聯(lián)二極管續(xù)流,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa2串聯(lián),其耐壓為19.8kV;對于開關狀態(tài)5,一相橋臂等效電路為Sa1和Sa2串聯(lián),其耐壓為19.8kV。對于電流反向流入逆變系統(tǒng)有類似情況。通過以上分析可知,逆變系統(tǒng)的安全工作電壓不超過19.8kV。5模擬5.1網(wǎng)格內(nèi)zno壓敏電阻的通流容量及能量將直流母線電壓UD=8505V代入式(1)計算,得ZnO壓敏電阻標稱電壓為U1mA=12230V。荷電率為滿足要求。取殘壓比為1.6,計算得ZnO壓敏電阻動作后的最大殘壓為滿足要求。由于IGCT最大通態(tài)電流為3.5kA,三相總電流最大為10.5kA,因此,ZnO壓敏電阻的通流容量應當大于10.5kA,考慮一定的裕量,本文中選取的ZnO壓敏電阻通流容量為20kA。對于變頻器能量的計算,主要考慮儲能元件在不正常工作情況所釋放的能量。根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)計算得變頻器最大釋放能量為18kJ,考慮安全裕量,ZnO壓敏電阻能量耐量要大于3倍的變頻器最大釋放能量,本文中選取能量耐量為80kJ的ZnO壓敏電阻。5.2保護開關器件的電壓本文通過Matlab/Simulink對ZnO壓敏電阻在中性點鉗位三電平高壓變頻器中的過電壓保護進行仿真驗證,主要驗證ZnO壓敏電阻是否能對變頻器輸入過電壓和輸出三相接地短路故障引起的過電壓進行有效地保護。該軟件提供的SurgeArrester模塊可以很好的模擬ZnO壓敏電阻的特性。仿真工況為:當變頻器穩(wěn)定運行在50Hz時,出現(xiàn)輸入過電壓或輸出三相接地短路故障。仿真中,第4s時出現(xiàn)過電壓情況。圖6a、圖6b、圖6c分別為不加ZnO壓敏電阻輸入過電壓時的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流和逆變器輸出相電流波形圖。輸入過電壓用變頻器50Hz正常運行時直流濾波電容前投入50kV直流電壓源模擬。圖7a~圖7d分別為加ZnO壓敏電阻輸入過電壓時的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流、逆變器輸出相電流和ZnO壓敏電阻電流波形圖。通過對比輸入過電壓加ZnO壓敏電阻前后的波形可知,DC-Link后直流母線電壓被限制在19800V以下,不會對逆變系統(tǒng)構成過電壓的威脅,可以有效地保護開關器件。由于用直流恒壓源模擬的輸入過電壓情況,所以直流正母線電流很大,但大部分電流都是通過ZnO壓敏電阻流過,逆變器輸出相電流正常,過電流現(xiàn)象也得到了很好的抑制。圖8a~圖8c分別為不加ZnO壓敏電阻濾波器輸出三相接地短路故障時的DC-Link后直流母線電壓、DC-Link后直流正母線電流和逆變器輸出相電流波形圖。濾波器輸出三相接地短路在變