舰船推进变频器过电压抑制技术研究

阳开生



舰船推进变频器过电压抑制技术研究

阳开生

（海军驻成都中国核动力研究设计院军代室，成都 610200）

推进变频器是电力推进舰船的动力关键设备，其运行可靠性关系着船舶运行的安全性。过电压是导致推进变频器损坏的重要原因之一，本文根据推进变频器的拓扑结构分析了其过电压产生的机理，提出了基于压敏电阻的过电压抑制方法，分析了压敏电阻的接入位置，对其抑制效果进行仿真分析，仿真结果验证了抑制方法的有效性。

推进变频器 过电压 压敏电阻 抑制方法

0 引言

推进变频器是电力推进舰船的核心控制设备之一，其运行性能和可靠性直接关系着舰船的操控性和运行安全性。因此对推进变频器的结构和运行的可靠性进行深入分析并提出相应的防护措施是十分必要的。

造成电力电子器件损坏的主要原因是变频器内部运行或外部供电导致的过电压或者过电流。某个电力电子器件一旦损坏，很可能造成连锁反应，导致变频器损毁而无法运行。过电流造成的器件损坏是通过热效应体现的，一般需要一段过程，对其防护可以通过缓冲电路结合电流反馈控制来实现。但是过电压可以瞬时击穿电力电子器件的PN节，因此是推进变频器防护的重点。本文主要针对推进变频器过电压原因及其防护措施进行分析。

导致变频器过电压有外部因素和内部因素。内部因素是变频器在运行过程中由于某些运行状态引起的过电压反应，如器件换相或者逆变端支撑电容不平衡引起的过电压等。外部因素是由变频器的输入端或输出端电压异常升高引起的，例如变频器输入断路器操作导致电流的瞬态变化引起了过电压，电力系统本身异常运行引起了输入过电压，推进电机在制动运行时能量反馈导致母线电容电压泵升引起了过电压等[1]。

对于变频器内部过电压的防护保护，一般在变频器结构设计和控制时进行考虑，目前已经有比较成熟的技术。例如，对于电力电子器件工作状态变化引起的尖峰过电压，通常采用RCD吸收电路来进行抑制。对于三电平逆变器中性点漂移引起的过电压，一般采用改进的具有中性点电压平衡功能的SVPWM控制技术来进行抑制。对于控制脉冲误发导致直通引起的过电压可以通过PWM脉冲死区设置、提高信号控制精度等手段加以避免。

由于引起高压变频器外部过电压的因素通常具有较大的随机性，比如雷击过电压、电力系统异常运行过电压等，一般难以预测，因此也很难预防，一旦发生将会造成较大的危害。因此，本文针对推进变频器的外部过电压进行研究，分析外部过电压的表现形式和防护方法。

1 推进变频器的拓扑结构分析

图1 推进变频器拓扑结构

在舰船电力推进系统中，由于推进功率非常大（一般为数兆瓦以上），因此推进变频器需要采用中压结构，而多电平结构是最好的选择之一，图1是一种采用二极管钳位式三电平逆变器的推进变频器结构[2]。其输入端整流单元采用了十二脉波不控整流器结构形式，根据需要也可采用二十四脉波整流以减小输入谐波，提高输出电压质量。逆变单元采用了二极管钳位式三电平逆变器，可以在提高逆变器输出电压幅值的同时降低输出电压谐波。如果要进一步提高逆变器的功率，可以采用多个逆变器模块并联的形式，也可以采用更多的电平或者多个器件串联[3]。逆变单元的输出端设置了LC正弦滤波器，可以进一步降低推进变频器的输出谐波。

2 推进变频器的过电压机理分析

推进变频器的外部过电压是从输入端或者输出端对变频器进行影响的。对于输入端而言，无论是操作引起的瞬时过电压还是电力系统本身运行引起的输入过电压，都会通过推进变压器传导至整流器，进而造成整流器输出端，即直流母线电压升高，导致后端逆变器中的电力电子器件承受过电压而被击穿损坏。

对于输出端而言，其过电压是由推进电机的运行状态引起的，例如当停车或倒车工况要求推进电机做制动或者反转运行时，由于推进电动机的机械惯性时间常数远大于推进变频器的电气惯性时间常数，使得推进电机的实际转速在工况指令下达后的一段时间内要大于变频器输出频率对应的转速。因此推进电机处于发电运行状态，发出的电将通过逆变器的反并联二极管形成的整流器对推进变频器的直流母线电容充电，从而导致推进变频器的直流母线电压升高，造成过电压。

此外，推进变频器的外部短路故障也会引起变频器逆变部分的过电压。下面对这种外部短路引起的过电压进行详细分析。

短路的形式有多种，如单相接地短路、三相接地短路、三相对称短路以及相间短路等。

对于推进变频器输出端单相接地短路这种情况，在短路的时候，发生对地短路故障的这一相的短路电流会迅速增大，并流经输出LC滤波器。短路电流的迅速增大意味着电流变化率d/d也增大，由于推进变频器线路中本身存在着电感，这样电感元件感应出来的电压d/d随之增大，从而在直流母线上形成过电压，对逆变器中的电力电子器件造成损害。

对于逆变器输出端发生相间短路这种情况，需要根据逆变器的工作状态进行分析。

三电平逆变器每个桥臂共有三种工作状态，以A相桥臂为例：

工作状态2：每个桥臂的上面两个开关Ta1、Ta2导通，下面两个开关Ta3、Ta4关断，此时逆变器输出极电压AO=d/2。

工作状态1：每个桥臂的中间两个开关Ta2、Ta3以及钳位二极管Da1、DA2导通，开关Ta1、Ta4关断，此时逆变器输出极电压AO=0。

工作状态0：每个桥臂的上面两个开关Ta1、Ta2关断，下面两个开关Ta3、Ta4导通，此时逆变器输出极电压AO=-d/2。

下面分析几种典型工作状态时的母线过电压情况。

如果发生A、B相间短路时，A相处于工作状态2，B相处于工作状态0，设为工况一（见图2）。此时如果短路电流为正向，那么电流将经过Ta1、Ta2、Tb3、Tb4和直流母线电容C1、C2形成回路。如果短路电流反向，那么短路电流将经过续流二极管Da1、Da2、Db3、Db4和直流母线电容C1、C2形成回路。回路的线路电阻非常小，因此短路电流非常大，同样由于推进变频器线路中本身存在着电感，这样电感元件感应出来的电压d/d随之增大，从而在直流母线上形成过电压，对逆变器中的电力电子器件造成损害。

如果发生A、B相间短路时，A相处于工作状态2，B相处于工作状态1，设为工况二（见图3）。此时如果短路电流为正向，那么电流将经过开关管Ta1、Ta2、Tb3、钳位二极管Db6和直流母线电容C1形成回路。如果短路电流反向，那么短路电流将经过钳位二极管Db5、开关管Tb2、续流二极管Da1、Da2和直流母线电容C1形成回路，同样会导致直流母线过电压。

如果发生A、B相间短路时，A相处于工作状态1，B相处于工作状态0，设为工况三（见图4）。此时如果短路电流为正向，那么电流将经过钳位二极管Da5、开关管Ta2、Tb3、Tb4和直流母线电容C2形成回路。如果短路电流反向，那么短路电流将经过续流二极管Db3、Db4、开关管Ta3、钳位二极管Da6和直流母线电容C2形成回路，同样会导致直流母线过电压。

其它的一些工况，如A相处于工作状态1，B相处于工作状态0；A相处于工作状态0，B相处于工作状态2等情况也会造成推进变频器直流母线过电压。而如果A相处于工作状态2，B相也处于工作状态2；A相处于工作状态0，B相也处于工作状态0等情况，则短路电流不会经过直流母线支撑电容，因此不会造成推进变频器直流母线过电压。

上述各种相间短路情况对直流母线电压的影响情况总结如表1所示。

对于其它的推进变频器输出端短路情况，如三相对称短路和三相对地短路等，其分析方法和过程基本相同，结论也类似。短路电流通过推进变频器的直流环节支撑电容形成回路，由于存在着线路电感和工作电感，导致感应电压异常增大，从而在直流母线上形成过电压，对后级的逆变电路器件造成影响。

表1 不同情况下相间短路对直流母线过电压的影响

从上面分析的各种情况可以看出，各种情况的外部过电压最终都表现为直流母线支持电容电压的异常增高，从而对后级的逆变器器件造成过电压。所以抑制推进变频器外部过电压的关键之处在于抑制变频器中间直流母线环节的过电压。

3 基于压敏电阻的过电压抑制方法

压敏电阻是一种金属氧化物电阻，它的特性如图5所示。正常工作时，压敏电阻表现为高阻特性，只流过很小的漏电流。当产生过电压时，压敏电阻的阻值会迅速减小，把压敏电阻两端的电压钳位在它的残压，从而对与其并联的设备起到保护作用。当电压恢复正常时，压敏电阻又会恢复高阻状态，不影响系统正常工作。

从压敏电阻的工作特性来看，压敏电阻要实现过压抑制保护功能，需要与被保护对象并联使用，才能把工作电压钳位在安全范围内。下面研究当其应用于电力推进变频器时应当接于什么位置，才能起到良好的过电压抑制作用。

根据所提出的推进变频器的结构，压敏电阻的接入位置主要有四个地方，如图6所示。分别是变频器整流单元输入端（位置1）、变频器滤波单元输出端（位置2）、变频器中间直流母线（位置3）、变频器逆变单元输出端（位置4）。

位置1和位置2位于推进变频器的输入端和输出端，当这两处发生过电压时，虽然通过压敏电阻的可以保证变频器两端发生的过电压不会窜入变频器，但是由于压敏电阻的残压仍然要大于变频器正常工作电压，因此会导致输入端的直流环节电感电流或者输出端的滤波电感电流快速增大，产生较大的d/d尖峰电压[4]，当这个尖峰电压和压敏电阻的残压叠加在一起的时候，其总电压峰值就会超过逆变单元器件工作的安全电压，造成器件过压损坏。

位置3位于推进变频器的中间直流母线位置，该位置所接的支撑电容本身起到电压变化缓冲作用，如果所接的压敏电阻保证在投入工作时的残压在逆变单元的安全工作电压之下，那么就可保证推进变频器输入端的过电压得到有效抑制，保证电力电子器件安全工作，这就有效抑制了来自推进变频器的输入端发生的过电压。但是如果只在位置3一个位置接入压敏电阻，对变频器的输出端短路造成的过电压将不能得到很好的抑制。比如说前面分析的变频器输出两相之间发生短路，迅速增大的短路电流会通过滤波电感产生很大的过电压d/d，该电压直接窜入逆变器，造成逆变器器件遭受过电压而损坏。如果在逆变单元之后、滤波单元之前，即位置4也接入一个压敏电阻，则可以对这种短路造成的过电压起到抑制作用。

综上所述，要想对推进变频器的外部过电压起到有效的抑制保护作用，比较简单可行的方式是在变频器中接入压敏电阻，压敏电阻的接入位置应该位于推进变频器中逆变单元的输入侧和输出侧。

4 压敏电阻的过电压抑制特性仿真

为了验证基于压敏电阻的推进变频器过电压抑制方案的有效性，按照图6的推进变频器结构利用MATLAB/Power System建立推进系统的仿真模型，对过电压抑制效果进行验证。

压敏电阻在推进变频器中的接入位置如图6的位置3和位置4所示。仿真时，在变频器正常运行一段时间之后，突然增大变频器输入的交流电压，用于模拟电力系统异常造成的推进变频器外部过电压，这是推进变频器过电压产生的典型情况[5]。

电网电压正常工作时是6600 V，发生过电压后跳变至66000 V。图7是发生过电压后，变频器逆变单元的输入端直流母线电压的变化情况。图7(a)是不加压敏电阻时的情况，图7(b)是加了压敏电阻之后的情况。图8是发生过电压后，逆变器输出交流电压的变化情况。图8(a)是不加压敏电阻时的情况，图8(b)是加了压敏电阻之后的情况。

通过对比可以发现：如果不加压敏电阻，在输入电压异常增大后，逆变器输入直流母线电压迅速增大到40 kV以上，逆变器的输出线电压峰值达到30 kV以上。而加了压敏电阻之后，在输入端发生过电压时，压敏电阻迅速产生作用，把直流母线电压钳位限制在5500 V，比正常工作时增大不到一半，考虑到电力电子器件本身在使用上都留有约2倍的电压裕量，因此不会造成后面的逆变器电力电子器件过压损坏。逆变器的输出电压峰值在使用压敏电阻保护后，其峰值电压被限制在约4700 V左右，比正常工作的电压也增加不大，在推进电机可承受的安全工作范围之内。

(a)不加压敏电阻

(b)加压敏电阻

图7 输入过电压故障逆变部分输入电压

(a)不加压敏电阻

(b)加压敏电阻

图8 输入过电压故障逆变部分输出AB线电压

由此可见，压敏电阻的使用有效地对推进变频器的外部过电压起到了抑制作用。同时由于压敏的工作特性，其过电压时流过的电流迅速增大，减少了流过逆变器的过电流，对过电压产生的额外浪涌能量起到了吸收缓冲作用。

5 结论

推进变频器的过电压分内部过电压和外部过电压两种形式，内部过电压是由变频器自身运行引起的过电压，一般可以通过变频器缓冲电路设计以及控制技术来进行限制。外部过电压是由雷击、电力系统故障和推进电机运行状态等引起的过电压，具有随机性，危害大，是过电压防护的重点。

大功率推进变频器的逆变部分采用典型三电平结构，在这种结构下无论是交流电源输入引起的过电压，还是电动机发电运行状态引起的过电压，或是各种短路情况引起的过电压，最终都变现为直流母线电压升高造成过电压。通过接入压敏电阻可以对推进变频器外部过电压起到抑制作用，其接入位置应该分别位于推进变频器逆变模块的输入端和输出端。仿真分析表明，本文所提出的推进变频器外部过电压抑制方案是简洁有效的，能够把过电压抑制在电力电子器件能够承受的安全范围内，实现了保护作用。

[1] 蓝元良, 印永华, 周孝信. 大功率电力电子装置过电压保护技术综述[J]. 电力电子技术, 2009, 39(3): 123-125.

[2] J.Rodriguez, S.Bernet,RK. A Survey on neutral point clamped inverters[J]. IEEE Transections on Industrial Electronics, 2010, 57(7): 2219-223.

[3] 刘健, 尹项根, 张哲. 高压大功率三电平逆变器的SPWM数字化技术研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(27): 35-41.

[4] M.C.Magro, M.Giannettoni. Validation of ZnO surge arresters model for over voltage studies. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19: 1692-1696.

[5] 黄绍平, 李永坚, 赵毅君. 基于MATLAB的MOA过电压保护性能仿真[J]. 高电压技术, 2003, 29(12): 15-17.

Over-voltage Suppressing of the Ship’s Propulsion Converter

Yang Kaisheng

(Naval Representatives Office in Nuclear Power Institute of China ,Chengdu 610200, Sichuan, China)

TN77

A

1003-4862（2017）04-0038-05

2017-01-10

阳开生（1974-），男，工程师。专业方向：舰船动力工程。E-mail: gfnui999@163.com