中点钳位型三电平变换器两种故障状态的检测和保护

原熙博 李永东 Wang Fred

（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084 2 Center for Power Electronics Systems Virginia Polytechnic Institute and State University Blacksburg VA 24061-0179）

1 引言

中点钳位型三电平 PWM变换器在中压大容量传动领域有着广泛的应用。它降低了对器件耐压的要求，还具有低谐波、低电压应力等优点。中点钳位型三电平变换器包括可以进行能量回馈的二极管钳位型结构[1]，以及不可以能量回馈的Vienna变换器[2]。图 1给出了一种在电动机传动领域中，基于IGCT的，可实现能量回馈的三电平电压型变换器结构图。从这种结构提出以来，有很多的文献讨论这种变换器的运行、设计、控制和应用[3]。

图1 基于IGCT的能量回馈钳位型三电平变换器Fig.1 Fully regenerative IGCT three-level neutral-point-clamped converter

对于应用在关键领域的大容量变换器，一个重要的研究方面是变换器的故障和保护问题。这对于三电平中点钳位型变换器来说尤为重要，因为这种拓扑比较复杂，且电力电子器件的数量众多，增加了故障的概率。但是，仅有少数文章探讨多电平变换器的故障问题，文献[4]针对二极管钳位型五电平变换器，讨论了在某些电力电子器件发生故障时，通过选择冗余的开关状态，实现故障冗余运行的方法，其他文献的研究主要集中在过电流故障[5-7]，以及故障时的不间断运行方面[8-11]。

本文针对中点钳位型三电平变换器的一些故障和保护进行研究，给出一种通过检测接地阻抗电压判断接地故障的方法，并分析了在发生器件短路故障时，电容电压翻倍现象产生的原因，并且给出相应的保护方法。通过试验验证所提出的故障检测和保护方法。

2 接地故障检测

2.1 接地故障描述以及检测方法

在大容量系统中，为了提高系统在接地故障时的不间断运行（冗余运行）能力，三电平变换器进线侧通常通过变压器和电网隔离，电机的中点也不接地[12]。系统的接地点是直流母线中点0通过阻抗接地，如图1所示。

对于图1所示的系统，在正常运行时，PWM调制算法所产生的系统共模电压将降落在直流母线中点和电机的中点之间。电机机壳接地，而电机的中点与机壳（大地）之间存在杂散电容，此时，直流母线中点对地电压VOE是系统共模电压在中点接地阻抗和杂散电容之间的分压，由于杂散电容的数值一般较小，所以VOE是系统共模电压中很小的一部分。当有接地故障发生时，VOE的数值因为接地回路的改变而改变。例如，对于负载侧的B相接地故障，B相的输出端将直接与大地相连，VOE会变成-VBO，VOE的数值将和正常运行的情况有很大的不同。因此，可以通过监视中点电压VOE来检测接地故障的发生。

图2a给出了在t=70ms时发生B相接地故障前后的仿真结果。仿真系统容量为1kW，直流母线电压为320V，接地阻抗电路为30kΩ的电阻和一个阻容支路相并联，如图1所示，并联支路电阻和电容值分别为20Ω和10nF。在接地故障发生前，接地阻抗上只能看到一小部分的共模电压。当故障发生后，接地阻抗上出现幅值为160V的B相PWM波形。为了便于故障的检测，图2b给出了取反并低通滤波后的VOE波形。图2c给出了B相的调制波形，可以看出，当接地故障发生后，B相的调制波形与滤波并取反后的接地阻抗波形是一致的。

图2 B相接地故障时的仿真波形Fig.2 Simulation waveforms during a phase B ground fault

图3 接地故障检测流程图Fig.3 Flow chart phase to ground fault detection

图4a给出了接地故障检测的仿真结果，可以看出，在t=70ms发生的接地故障可以被成功地检测出来（0代表没有故障发生，1代表有故障发生），其中，N=30，Nl=25。图4b表明B相发生了接地故障（1代表A相，2代表B相，3代表C相）。

图4c～图4e给出了在20次的采样中，一共有多少次中点电压波形与各相调制波形相符合，阈值N3=15。只有B相始终有大于15次的符合标记，表明B相发生了接地故障。

图4 仿真波形Fig.4 Simulation waveforms

此外，如果是直流母线（正母线或负母线）发生了接地故障，直流母线中点电压VOE为直流母线电压的一半，通过检测VOE的值，直流母线接地故障也可以被检测出来。

2.2 中点接地阻抗设计

中点钳位型三电平变换器的接地回路如图5所示。

图5 中点钳位型变换器负载侧接地阻抗回路Fig.5 Ground loop configuration of load side three-level converter

其中R1N，R2N和C2N构成系统接地阻抗，CM代表了电机中点和大地之间的杂散电容；接地阻抗的设计应当遵循以下几条原则。

（1）接地阻抗要足够的大，以限制单相接地故障时的故障电流。

（2）接地阻抗应小于变换器其他部分和大地之间的杂散阻抗，以起到接地的目的。

（3）当没有接地故障时，接地阻抗上分担的共模电压和故障发生时的电压相比应尽量的小，以便检测故障的发生。

在设计中，电阻R1N用来负责直流和低频的阻抗，而C2N负责高频的阻抗，R2N用来抑制电容电流。

当有接地故障发生时，通过接地阻抗流入变换器直流母线中点0的电流可以表示为

式中Imid——直流母线中点电流；

Z——接地阻抗。

当有单相接地故障发生时，VOE可以是某一相对直流母线中点的电压；当有直流母线接地故障发生时，VOE为一半的直流母线电压。如果假设电容C1可以滤掉电压的高频分量，那么低频的电流值就由电阻R1N的值来决定，如式（2）所示。

上述两种故障情况中，VOE的最大值为直流母线电压值的一半。根据变换器的容量，可以允许的中点电流Imid也可以确定下来。因此R1N的最小值可以由式（3）给出。

在正常运行情况下，中点接地阻抗上的电压VOE将是共模电压在杂散电容CM和接地阻抗之间的分压。对于中点钳位型变换器来说，共模电压取决于 PWM 算法，可能的取值为±Vdc/2，±Vdc/3，±Vdc/6，0。对于开关频率及以上的频率，共模电压的分布取决于C2N和CM的大小，C2N应取得足够的大（远大于CM）以便检测算法正常工作。

3 器件短路故障及母线过电压保护

电力电子器件的短路和开路故障是变换器中常见的故障。对于中点钳位型三电平变换器而言，桥臂内侧器件或钳位二极管的短路故障将导致直流母线电容电压的翻倍，从而可能损坏电容和电力电子器件。例如图1中，电源侧A相上桥臂内侧器件短路，那么A相的电源将直接通过钳位二极管和直流母线中点相连。这里认为当器件短路故障发生时，所有正常的器件都将关闭，负载也将被切掉。如图6中粗体的路径所示，线电压Vba将会直接加到二极管 VDb1-VDb2-VDa5上，而Vca将直接加到VDc1-VDc2-VDa5上。经过整流，线电压Vba和Vca的峰值将会出现在直流母线电容C1上。正常运行时，线电压（例如Vba或Vca）的幅值将会由电容C1和C2共同分担。当有故障发生时，电容C1上电压的幅值将会变为正常情况时的两倍。当钳位二极管发生短路时，也会发生类似的情况。

图6 A相桥臂内侧器件短路后的电流流通路径Fig.6 Current flow path during phase A upper-leg inner device short

图7给出了当电源侧A相上桥臂内侧器件短路时的仿真波形。系统的参数和第2节中仿真的参数一样。在正常运行的稳态情况下，直流母线电容电压VC1和VC2都维持在160V左右。当t=110ms发生短路故障后，电容C1的电压升为320V左右，为正常运行时的两倍。

图7 器件短路前后的直流母线电容电压Fig.7 DC-link capacitor voltage during device short

一般来说，直流母线电容电压的翻倍现象既可以发生在图1中的电源侧也可以发生在负载侧。在大容量的电机驱动系统中，电源侧通常通过接触器和电网相连。当故障发生时，接触器断开通常需要几个电网周期的时间（几十毫秒的数量级），在这期间，电网电压仍然存在，会导致电容电压翻倍。对于负载侧，如果是同步电机，机端电压将会维持，而感应电机电压将会降落得很快。本文主要讨论电源侧的变换器。

图7中的过电压现象极易损坏电容和电力电子器件。必须采取相应的保护措施。主要可以有下面两种方法：①电压钳位的方法；②切断充电回路的方法。切断充电回路的方法是在充电回路中（直流母线中点和钳位二极管之间）串联一个额外的可控开关，系统正常运行时，开关闭合，当有故障发生时，开关打开，切断故障发生后电容的充电回路，但是这种方法增加了系统正常运行时的损耗。本文主要讨论通过控制并联在直流母线电容上的电阻进行电压钳位的方法。图 8a给出了这种方法的电路图。

图8 采用电阻对电容电压钳位方法原理图Fig.8 Capacitor voltage clamping with resistors

在系统正常运行的情况下，开关 S1和 S2是断开的，保护电路不起作用。当检测母线电容有过电压时，开关闭合，相应的电阻被并联到电容两端，从而对电容放电，对电压进行钳位。电阻上释放的能量取决于系统的参数，比如输入电压、输入电感和钳位电压等。图8b给出了等效的电容充、放电回路原理图，电容电压VC_p和输入线电压Vll_p的关系可以表示为

式中L——进线电感；

R——放电电阻。

假设电容的电压被理想地钳位在250V，需要释放的能量和输入电感值的关系如图9中虚线所示，图9同时给出了钳位在220V的情况作为对比。从图9中看出，较高的钳位电压和较大的输入电感导致较小的释放功率。最高的钳位电压取决于电容和电力电子器件的耐压。根据钳位电压Vclamp和释放的功率Pclamp，功率电阻的值为

本文中，钳位电压选在250V，如图9所示，对于 5mH的输入电感，钳位电阻功率损耗大约在800W 左右，所需要的电阻值为 78Ω。在实际系统中，过电压现象每个周波只有一半的时间产生，从而形成电容电压的脉动。最终选择60Ω的电阻保证一定的余量。图10给出了采用电阻钳位方法的仿真结果，故障发生后，C1电容上的电压被钳位在250V左右。

图9 功率消耗和进线电感之间的关系Fig.9 Relationship between the dissipation power and input inductance

图10 采用电阻进行电容电压钳位后，输入电流和电容电压波形Fig.10 Input current and capacitor voltage with resistor clamping

为了进一步提高系统的性能，可以采用压敏电阻，其电阻值可以随电压的变化而变化，电压值越高，电阻值越小。图11给出了采用NTE公司压敏电阻1V115的仿真结果。可以看出最高的直流母线电压和最大的输入电流和采用普通电阻钳位的情况相比都有所减小。当选用电阻或压敏电阻的时候，同时需要考虑电网侧接触器的动作时间，因为这决定了故障状态时间的长短，从而决定电阻上总共需要消耗的能量和电阻的选择。

图11 采用压敏电阻进行电容电压钳位后，输入电流和电容电压波形Fig.11 Input current and capacitor voltage with varistor clamping

4 试验验证

本文对提出的接地故障检测方法进行了试验验证，系统功率为1kW，由变换器模块、控制板、采样板和输入输出滤波器等构成，控制板基于 DSP TMS320F2812，变换器模块采用 CM10YE13-12H IPM.

接地故障的检测试验在负载侧进行，直流母线电压 192V。接地阻抗的参数为R1N=25kΩ，C2N=10nF，R2N=20Ω。其他系统参数为Imid=10mA，CM=4nF。图 12a给出了没有故障发生时，负载侧输出的线电压以及中点接地阻抗电压VOE的波形，VOE的数值接近于零。图12b给出了故障发生后的VOE波形，可见和故障发生前有着显著的区别。图12c给出了滤波后的-VOE和A相的调制波形。根据图3中的流程，接地故障被成功地检测出来，并且判断发生在A相。N，N1，N2，N3的取值和仿真中一样。

图12 接地故障检测的试验波形Fig.12 Experimental waveforms for ground fault detection

对于器件短路引起的电压翻倍现象及保护方法，试验系统采用一个40V、60Hz的单相电源和变换器进行验证，钳位保护触发电压设定在45V。图13a给出了没有钳位保护时，发生器件短路时所产生的过电压，可以看出在故障发生前，电容C2的电压在30V左右，当发生器件短路故障时，电压翻倍到60V左右。图13b给出了采用电压钳位保护措施后，当电容电压超过45V时，触发保护电路，电容电压可以被钳位在30V左右。

图13 器件短路故障试验波形Fig.13 Experimental waveforms for device short fault

5 结论

本文针对中点钳位型三电平变换器的故障和保护展开研究。当有接地故障发生时，直流母线中点的电压和正常运行相比有显著的变化，从而可以利用检测直流母线中点电压判断接地故障；并且根据中点电压波形和调制电压的波形，确定接地故障所在的相。当三电平变换器桥臂内侧器件发生短路时，会导致电容电压的翻倍现象，可以采用电压钳位和切断充电回路的方法进行保护。本文针对电压钳位的方法进行了研究，电感和钳位电压的选择可以影响钳位电阻的功率。本文通过仿真和试验验证了所提出的故障检测和保护方法。

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