三电平逆变器直流过电压成因分析与预防措施

吴 俊，陈 俊

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

前言

随着电力电子技术的发展，三电平逆变器拓扑结构日趋成熟，此逆变器具有输出容量大、输出电压谐波含量低等优点，在高电压大功率交流电机控制领域得到了广泛的应用[1]。日立HIVECTOL 系列中高电压三电平变频器是二极管箝位结构的典型代表。马钢1#酸轧、2#酸轧、1#RCM、2#RCM、3#RCM 等产线主电机控制系统均引进日立公司三电平变频器。

但三电平拓扑结构存在一个固有的问题，即中点电位不平衡[2]。在逆变器中的两个直流电解电容电压不相等，则会使功率开关器件承受的电压增加、谐波含量增多，系统的可靠性能降低，严重时会导致功率开关器件的损坏，给生产维护带来诸多不利。因此，保持中点电位平衡，在允许可控范围内，是保证三电平变频器运行性能优良的重要因素之一。

1 逆变器拓扑结构及工作原理

二极管箝位型三电平逆变器，也称为中点箝位型（Neutral-Point-Clamped,NPC）三电平逆变器。这类电路通过多个功率开关器件串联起来，按照固定的开关逻辑产生需要的电平，在输出端输出相应的正弦波形。在NPC 逆变器拓扑结构中的直流侧由两个相同的电容串联组成参见图1。

图1 二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构

每个相桥由四个功率开关器件（IGBT）、四个续流二级管以及两个中点箝位二极管组成。工作状态，每个功率开关器件承受直流电压Udc的四分之一。拓扑结构中的箝位二极管把相桥上与其相连接点的电位箝到直流电压Udc中点等电位，即参考电位或零位[3]。

工作原理如下：

以U相桥为例（参见图2）。

图2 U相桥的三个状态

（1）当功率器件SU1、SU2导通且SU3、SU4关断，输出端U 与直流侧正极P 点连接，电流方向从P 点经过SU1、SU2到U 点（正方向）或从U 点经过DU2、DU1到P 点（负方向），忽略功率管及二极管导通压降，输出端U点电位等同于P 点电位，此时UUO=Udc/2，定义此状态为“1”态。

（2）当功率器件SU2、SU3导通且SU1、SU4关断，输出端U 与直流侧分压电容中点O 点连接，电流方向从O 点经过DU5、SU2到U 点（正方向）或从U 点经过SU3、DU6到O 点（负方向），忽略功率管及二极管导通压降，输出端U点电位等同于O点电位，此时UUO=0，定义此状态为“0”态。

（3）当功率器件SU3、SU4导通且SU1、SU2关断，输出端U 与直流侧负极N 点连接，电流方向从N 点经过DU4、DU3到U点（正方向）或从U点经过SU3、SU4到N点（负方向），忽略功率管及二极管导通压降，输出端U点电位等同于N点电位，此时UUO=-Udc/2，定义此状态为“-1”态。

V、W 相桥可同理分析。经过拓扑结构工作原理的分析，可见每个相桥都能够输出三个电平，箝位二极管在负载电流反向是可以起到箝位和续流的作用。若将三个相桥的三个状态组合共有27 种输出状态，根据三相27 种输出组合，可在空间上建立矢量的概念，如U=1、V=1、W=1，V⇀V＝（1，1，1）。根据矢量模长不同分为零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。用矢量所对应的状态去驱动功率开关器件的导通与断开，空间矢量PWM 控制基于此理论，实现对交流电机的空间矢量控制[3]。

2 日立HIVECTOL 系统简介及故障原因分析

2.1 系统功能简介

HIVECTOL 系统三电平变频器进线交流电压1900 V，直流电压3300 V，负载主电机容量为1700～5750 kW 不等[5]。图3 所示为该变频器主回路结构示意图。整流器一方面可以将电网电压整流成直流电压给逆变器供电，为负载提供电能；另一方面可以将逆变器反向制动所产生的电能通过整流器逆变送入上级电网，即再生发电。逆变器采用的功率开关器件与整流器相同，控制上采用矢量PWM控制技术[4]。

图3 HIVECTOL系统主回路

在变频器里设计了几组重要的检测元件，为了实现闭环控制。检测的参数包括进线电压、进线电流、直流电压、输出电流。在变频器系统中，检测元件的分布如图4。

图4 逆变器检测元件分布

进线电压变压器（Us）和进线电流互感器(Ia、Ib、Ic)反馈用于整流器高功率因数、boost整流控制。整流侧直流电压互感器（PT10、PT11）反馈用于合闸前预充电回路切换、直流电压控制和保护。逆变侧直流电压互感器（PT26、PT27）反馈用于过电压保护报警以及逆变器PWM 控制。输出侧电流互感器(Iu、Iv、Iw)反馈用于矢量控制的三相电流换算为两相电流（力矩电流Id、励磁电流Iq）[5]。整流器、逆变器的检测元件反馈信号分布连接到整流器、逆变器接口板，然后在连接到各自主板上参与控制。

2.2 直流过电压分析

直流过电压的触发条件：整流后的直流电压超过过电压保护设定值，此设定值一般为额定直流电压的110%，既3630 V。当直流电压反馈值超过设定值，出于保护目的对整流器、逆变器PWM 脉冲封锁，同时发送分闸指令至高压继电保护，高压断路器跳闸动作。2015 年至2017 年大功率逆变器直流过电压故障统计如表1。

表1 直流过电压故障统计

（1）直流电压反馈单元故障。第一次处理由直流电压检测元件损坏而导致的直流过电压故障时，初始并没有准确判断出是直流电压互感器损坏而导致的，经过反复排查、试验，将问题矛头指向直流电压互感器等检测反馈回路上。更换了逆变器侧的直流电压互感器PT26，试车后，故障依然存在，记录数据；再更换了整流器侧的直流电压互感器PT10，试车后，故障消除了，记录数据见表2。

表2 更换不同位置PT结果对比

事后分析：直流电压给定值与直流电压反馈值进行比较后，输入AVR 电压调节进行PI 控制，再对整流器三相桥臂IGBT 门极触发PWM 脉冲进行调制，实现对直流电压的控制。因为整流器的三电平拓扑结构，系统对UPC和UCN电压分别独立控制。当PT10 损坏时，导致原本正常的电压反馈值偏小，整流器系统通过AVR 电压调节器作用，提高输出UPC电压，使得PT10电压反馈值等于给定值。但是实际上UPC电压已大于正常值，引起逆变器直流侧PC 间的PT26 电压反馈值偏高。当T26 电压反馈值大于110%的UPC电压额定值（1650 V），则逆变器发出P侧直流过电压。

图5 直流电压控制原理图

（2）再生电能无法及时消耗或反馈电网。主电机速度反馈值下降斜坡太快，在短时间内回馈到直流母线电容上的再生能量过多而未能及时消耗或者反馈给电网，能量积累导致直流电压超过保护设定值，产生直流过电压故障[6]。在故障发生时，跳闸保护机制出于保护断开主回路，3～4 min后放电回路可将积累的能量发热消耗掉，等维护人员到达现场后虽能对故障进行复位，重新进行生产；但是不查清出主电机速度反馈值下降斜坡太快的原因，可能会多次发生类似的故障。由于生产节奏或操作习惯原因导致的，应告知操作方避免再次发生故障，一般情况下比较少见但是也出现过此类情况。更多的精力放在排查速度反馈回路等相关器件上，比如正弦波编码器损坏、电缆端子松动接触不良、编码器接手损坏以及控制电源等。

（3）其他原因。整流器、逆变器控制主板或辅板损坏，功能紊乱。反馈检测回路故障，产生误报警以及导致上述两种情况的其他原因等。

（4）外网电压短时异常波动。外网电压异常波动属于外因，可直接导致直流电压偏高。出现这样的情况一般波及的范围较广，至少不可能是单独某一机架变频器发生故障。等待电网电压恢复正常后，应确认变频器内部各类器件是否因电网波动冲击而损坏的。

3 预防措施

经过多次直流过电压故障，深入分析诱发故障原因，结合大功率变频器工作环境特点，制定预防措施。

（1）重点器件的检测与检查。由于直流电压反馈单元的劣化，而导致的中点电位不平衡，需要及时排除解决，避免更大的设备隐患[7]。以固定的周期，分别对每个大功率变频器内的直流电压互感器的状态进行在线检测，记录当前直流电压互感器工作状态数据，根据历史数据曲线，判断其有无劣化趋势，将存在劣化的直流电压互感器及时更换。在线检测方法：首先利用变频器内部预充电回路，对直流母线上的电解电容进行充电，使直流母排电压达到额定直流电压（3300 V）；其次使用数字万用表分别测量PT10、PT11、PT26、PT27 反馈电压值，由于在此过程中整流器并不工作，没有对直流电压控制作用，每个互感器都能够真实反映当前的测量值；最后记录每个互感器的反馈电压值。可以对测量的P 侧、N 侧数据进行对比，判断中点电位是否平衡，以及与历史数据对比判断互感器有无劣化趋势等。如图6所示。

另外，对正弦波编码器等速度信号反馈相关的器件进行固定的周期性检查，例如接手有无脱开、是否紧固；端子接线有无松动；控制电源是否可靠等等。

图6 某机架变频器PT检测历史数据

（2）备件的储备与管理。在工厂实际应用中，备件的存储及更换是十分重要的环节[7]。对于缩短设备检修停机时间，储备一定数量的备件尤为重要。对于大功率变频器其特殊性、无可替代的重要性，变频器内部备件的存储、管理非常重要。若无可用备件更换，对停机损失将不可估量，对关键性、不可替代备件备有充足的储备，如控制主板、直流电压互感器、交流电压互感器、正弦波编码器等。同时对备件的混乱管理，给故障排除、查找原因查找增添了繁重的负担。根据精益管理、可视化管理的思想，对备件货架进行了整理，要求到达在短时间内看到所需备件存放位置的目的。

（3）工作环境的改善。大功率变频器柜高2 m左右，直流电压互感器以及交流电压互感器安装部位进近柜顶，更换此位置的器件，柜内无位置可踩踏，需制作高1 m、面积0.5 m²稳定的平台，方便维护人员踩踏进行安装器件，降低劳动强度。

（4）事故预案的制定。制定科学合理的事故预案能确保发生故障时迅速、有序、高效地组织开展故障抢修处理工作，提高故障处理效率，最大限度缩短故障处理时间，减少停机损失。

图7 器件安装位置分布示意图

4 结束语

针对近期出现多次大功率变频器直流过电压故障，从三电平逆变器的拓扑结构及原理深入分析研究入手，为故障的解决提供理论支撑，掌握日立三电平逆变器电压控制机理，总结导致直流过电压的故障因素。根据现场维护经验，提出直流过电压故障的可行性预防措施，最大可能地减少了故障次数，维持生产稳定。