直流区域配电三相逆变器过流保护策略

2019-01-28林克文揭贵生范学鑫

船电技术 2019年1期

林克文，肖飞，揭贵生，范学鑫，谢桢

直流区域配电三相逆变器过流保护策略

林克文，肖飞，揭贵生，范学鑫，谢桢

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

直流区域配电系统中三相逆变器的过流分为过载过流和短路过流两种情况。区配系统要求逆变器具备在不同过载情况下维持运行一定时间以及短路过流时限制电流为两倍额定电流并维持0.5 s的能力。因此针对过载能力要求，通过拟合过载反时限曲线实现保护；针对短路保护要求，通过限定电流环参考值实现短路保护。实验结果证明了逆变器过流保护策略的有效性。

直流区域配电逆变器过流保护

0 引言

未来舰船电力系统的发展方向是综合电力系统[1]。直流区域配电系统是舰船综合电力系统的重要组成部分之一，为船上不同电压等级的低压负荷提供电能。区配系统中逆变器实现直流到交流电能的单向变换，为舰船低压交流网络供电[2]。舰船低压交流网络保护中逆变器的输出过流保护是一个主要问题[3]。

逆变器输出过流分为输出过载和输出短路。过载保护一般分为定时限保护和反时限保护。定时限保护的动作时间是固定的，与过载电流的大小无关；反时限保护的动作时间随过载电流的增大而减小，更适合负载故障特性，在很多场合具有更优越的保护性能[4]。短路是危及电力系统安全稳定运行的常见故障，其对电力系统危害程度取决于短路电流大小[5]，因此短路限流对于舰船电力系统十分重要[6]。文献[7]将反时限保护用于三重化三电平直流变换器中，文献[8]将反时限保护应用于发电机，在保障安全的前提下充分发挥了机组承受异常工况的能力。文献[9]和[10]在配电网与微网中应用反时限保护，在不同的系统运行状态下具有优良的保护性能。文献[11]和[12]研究了电力电子设备短路限流技术，有效抑制了短路电流对功率器件与电力系统的冲击。

对于直流区域配电系统中逆变器由于输出过载和输出短路引起的过流，本文采用曲线拟合方法实现过载反时限保护，采用限定电流环参考值实现输出短路保护，通过实验验证了过流保护策略正确性。

1 直流区域配电三相逆变器

直流区域配电系统中三相逆变器采用电力电子器件实现直流到交流电能的单向变换，它将前级变流器输出的710 V直流电逆变为390 V交流电为船上低压交流负荷提供交流电能。

图1 三相逆变器主电路结构图

直流710 V经逆变器输入侧的直流熔断器FUSE和直流进线断路器K1后为逆变器供电，C为直流支撑电容，直流电经过三相半桥逆变单元后逆变成390 V/50 Hz的交流电，经由交流电抗器和电容器组成的交流滤波器滤波，最终经过交流断路器K2输出向低压交流配电网络供电，保证各设备的用电需求。

直流区域配电系统中，低压交流网络存在电力电子装置与下级网络的保护协调问题[3]，因此三相逆变器作为低压交流网络的变电模块，针对具体的过流保护指标，需要设计相应的过流保护策略。

2 输出过流保护策略

2.1 过载保护

直流区域配电三相逆变器过载能力要求为：（1）110%负载（功率因数0.8），连续运行时间大于等于2min；（2）120%负载（功率因数0.8），连续运行时间大于等于40 s；（3）150%负载（功率因数0.8），连续运行时间大于等于2 s。

根据直流区域配电三相逆变器过载能力要求，拟合了过载电流与可持续运行时间满足的数学关系式。

(1)

式中，pu为输出电流标要值。

式(1)对应的过载电流与运行时间曲线如图所示，图中坐标(128,1.1)、(41.79,1.2)、(5.618,1.5)分别对应过载1.1倍、过载1.2倍和过载1.5倍工作点，可知运行时间满足过载要求。

图2 过载电流与可运行时间曲线图

2.2 短路保护及恢复

直流区域配电三相逆变器需要具备短路限流的能力。逆变器正常工作时为恒压源，额定输出电压390 V。当输出侧发生短路故障时，逆变器需要将短路电流限制在2倍额定电流，并维持运行0.5 s，为故障支路的断路器提供短路电流和动作时间。短路故障时逆变器电流环参考值限制在2倍额定电流，相当于恒流源。若短路故障在0.5 s内切除，逆变器能够自动恢复稳定运行于恒压源模式；若短路故障维持0.5 s后仍未切除，逆变器停机退出运行。

综上，逆变器输出过流保护策略如图所示。

图3 逆变器过流保护策略图

2.3 过流保护软件实现

逆变器采用数字芯片DSP进行控制，为了实现式(1)所示的反时限保护，软件中采用计数器方法实现过载保护。具体流程如图所示。

(2)

每次中断用新的值减去值，当≤0时进行过载保护，输出交流断路器K2分断，切除负载。

对于短路保护，发生短路时将逆变器电流环参考值限制为2倍额定电流。短路时间0.5 s的判断与过载时间判断类似。将短路计数器寄存器值初始化为0.5 Ts，每次进中断计数器减1，当计数器值=0而短路故障仍存在时，执行短路保护，逆变器停机。当计数器值>0而短路故障切除时，逆变器恢复供电。

图4 逆变器过流保护流程图

3 实验验证

逆变器额定输出电压390 V，额定输出电流1850 A，开关频率2850 Hz。

3.1 过载保护

图至图为三相逆变器过载保护实验波形。图中U为输入直流电压，I为输入直流电流，ab为输出ab线电压，a为输出a相电流，图中仅给出三相逆变器输出电压电流中的一路线电压和一相电流，其他两路线电压和两相电流过载保护情况与图中电压电流相同。

图为三相逆变器110%负载过载保护实验波形。逆变器首先带60%负载运行，此时输出电流有效值为1075 A，4.56 s时突加50%负载至110%负载，此时输出电流有效值为2035 A，逆变器进入过载反时限保护流程，2 min15 s时刻逆变器保护分断交流断路器，输出电流为零，输出电压恢复为390 V，过载运行时间130.44 s，大于1.1倍过载能力指标120 s。

图5 110%负载过载保护实验波形

图为三相逆变器120%负载过载保护实验波形。逆变器首先带65%负载运行，此时输出电流有效值为1210 A，5.45 s时突加55%负载至120%负载，此时输出电流有效值为2225 A，逆变器进入过载反时限保护流程，53.05 s时刻逆变器保护分断交流断路器，输出电流为零，输出电压恢复为390 V，过载运行时间47.6 s，大于1.2倍过载能力指标要求的40 s。

图6 120%负载过载保护实验波形

图为三相逆变器150%负载过载保护实验波形。逆变器首先带100%负载运行，此时输出电流有效值为1858 A，8.69 s时突加55%负载至120%负载，此时输出电流有效值为2782 A，逆变器进入过载反时限保护流程，14.27 s时刻逆变器保护分断交流断路器，输出电流为零，由于150%负载突卸导致输入电压抬高大于逆变器输入电压保护值，逆变器保护停机，输出电压为0，整个过载运行时间5.58 s，大于1.5倍过载能力指标要求的2 s。