CN103474964B - 一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交直交型变频调速系统检测保护领域，特别是提出了一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置及控制方法，该装置包括用于处理信号的数字信号处理器、用于采集电路电压信号的电压传感器、用于采集电路电流信号的电流传感器、用于将所述电压、电流传感器发出的信号转换至数字信号处理器可识别范围的信号隔离变换电路、功率部分和IGBT驱动板。该控制方法包括快速跟踪微分算法对检测量的滤波和利用小波变换对滤波后的信号进行分析判断。从小波变换系数提取扰动的全局分形指数和局部分形指数，并通过计算系数的模极大值判断是否具有畸变点，准确定位电网异常类型，通过对逆变颠覆的预判实现对交直交变频调速装置的过电流保护。

Description

一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置及其控制方法

技术领域

本发明属于交直交型变频调速系统检测保护领域，特别是提出了一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置（Intelligent Rectifiers Protection Unit，IRPU）及控制方法。

背景技术

带有公共直流母线的电压型交直交变频调速装置具有网侧用电回路数量少、有效利用负载制动发电能量等优点，在工业生产中有着十分广泛的应用。其主电路由整流回馈装置、中间回路储能电容和逆变装置构成，其中整流回馈装置既可以由可关断型功率器件组成主动前端整流电路，也可以由反并联连接的两组晶闸管构成可控整流电路。后者以其合理的价格和优良的能量回馈能力得到普遍应用。在电动工作状态下，直流回路电流由正向功率桥提供；在回馈工作状态（发电制动）下，直流回路电流将按反方向流动，通过反向功率桥回馈至电网，此时整流回馈装置的移相角会设定在有源逆变所需要的角度上，从而实现将能量同步回馈至电网。

晶闸管整流回馈装置属于电网换向型整流器，当系统运行在回馈状态时，只有保证主回路电压在不低于额定电压90%这样一个较高质量的交流电压下，能量才能安全地进行回馈。当系统处于回馈状态运行时，如果出现异常情况，则存在发生换相失败的可能性，从而导致晶闸管过流以至主回路出现逆变颠覆，严重时会烧毁快速熔断器或晶闸管。导致以上现象发生的具体情况有以下几种：1）交流侧供电电网异常，如出现缺相或较大波动等现象；2）整流回馈装置移相角过小；3）电机侧绕组接地导致直流母线电压骤降。4）晶闸管器件发生故障，无法正常导通或关断；5）晶闸管触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失，脉冲延迟等，导致整流回馈装置不能正常换相。

当上述状况发生时，极易烧坏整流回馈装置中保护晶闸管的快速熔断器或直接损坏晶闸管。若此时主断路器切断能力不足，系统将无法快速断开主回路，整个整流回馈装置有可能烧毁，不仅损失严重，而且对正常生产及设备安全造成严重威胁。设备维修和恢复过程不但增大备件消耗，而且浪费大量的有效生产时间。通过进行原理分析，能够有效抑制此类故障发生的措施主要有以下几种：

1）使用快速直流断路器切断直流主回路电流。此种方法不仅价格昂贵，需要大量的空间，对直流母线的操作较繁琐，而且在限制直流母线电流骤增时需要大量额外的电抗器，此种方法可操作性较差。

2）强迫晶闸管换流。此种方法对抑制电路的要求很高，性能可靠的换流抑制电路结构复杂且价格昂贵。同时，为了避免由于低电抗导致不可控制的过电流发生，门极触发电路也须具备严格的可选择性和快速性。基于此种方法的保护装置使得系统复杂性大幅度提高，其使用范围很小。

3）采用由全控型器件组成的整流回馈装置。如全部采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等全控型器件替代晶闸管器件的新型整流回馈装置，原则上可以避免此类故障的发生，也是目前整流回馈装置发展的趋势。但全控型器件造价昂贵，在大功率系统中尤其显著，而且现有在运行的大量晶闸管整流回馈装置无法在短时间内完成升级换代。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种在电网波动、直流母线异常、接地故障等易使变频器发生逆变颠覆的情况下，对整流回馈装置进行快速保护，起到预防烧毁主回路快速熔断器或晶闸管等恶性事故发生的作用的防止逆变颠覆的智能过流保护装置（Intelligent Rectifiers Protection Unit，简称IRPU）及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置，该装置包括用于处理信号的数字信号处理器、用于采集电路电压信号的电压传感器、用于采集电路电流信号的电流传感器、用于将所述电压、电流传感器发出的信号转换至数字信号处理器可识别范围的信号隔离变换电路、功率部分和IGBT驱动板；

其中，所述电压传感器、电流传感器和功率部分通过所述信号隔离变换电路与所述数字信号处理器连接，所述数字信号处理器与所述IGBT驱动板控制连接，所述IGBT驱动板与所述功率部分控制连接。

进一步，所述功率部分主要由用于直流母线电流双向流动的功率二极管D1、D2、D3和D4、用于控制直流母线电流导通或关断的IGBT器件Q1和用于吸收电压尖峰及IRPU关断期间将大量回馈能量转换成热量被消耗的压敏电阻R1组成；

所述IGBT器件Q1与吸收压敏电阻R1并联后与D1、D2、D3和D4组成桥式电路，以实现IGBT器件对整流和逆变电流的双向监控。

本发明的另一目的是提供上述装置的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：在整流/回馈装置（R/RF）和逆变装置（INV）上电后智能过流保护装置（IRPU）上电，智能过流保护装置（IRPU）的进行阈值设定、参数自检，并判断是否打开内部IGBT；否，则继续判断；是，则执行步骤2；

步骤2：数字信号处理器根据电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号与设定阈值做对比，如果达到阈值则进行步骤4，如没达到则执行步骤3；

步骤3，数字信号处理器对电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号信经快速跟踪微分器滤波进行小波变换，从小波变换后的系数中，提取扰动的全局分形指数和局部分形指数作为动态电网及直流母线电能质量扰动的特征，通过计算小波变换后系数的模极大值判断是否具有畸变点，同时利用Mallat算法准确定位电压下陷、瞬时中断和振荡出现的时刻，并估计其幅值，以此实现对电网异常类型的辨识，在预报出电网异常后系统进入故障处理程序；

步骤4，数字信号处理器发出的过流预报信号，通过IGBT驱动板驱动IGBT快速关断起到保护作用，同时发出关断相应回路的进线断路器的指令。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，本发明利用快速跟踪微分器利用数值积分优于数值微分的特点，将电网及直流母线电压和电流信号的微分转化为对一组微分方程的积分问题，实现对包含白噪声的电压和电流信号进行跟踪和微分，能够克服常见微分环节所具有的噪声放大效应，具有良好的滤波性和快速性。通过线性跟踪微分算法，IRPU控制器可以准确的还原电网及直流母线信号，为在噪声环境中的电网及直流母线电压和电流检测及定位暂态扰动提供依据。

所述小波变换为利用小波与分形的内在联系，将上述经快速跟踪微分器滤波的电压和电流信号进行小波变换，从小波变换后的系数中，提取扰动的全局分形指数和局部分形指数作为动态电网及直流母线电能质量扰动的特征；通过计算小波变换后系数的模极大值判断是否具有畸变点，同时利用Mallat算法准确定位电压下陷、瞬时中断和振荡出现的时刻，并估计其幅值，以此实现对电网异常类型的辨识。

附图说明

图1为智能过流保护装置应用于交直交型变频调速系统的系统框图。

图2为智能过流保护装置功率部分结构示意图。

图3为通用型IGBT导通电流与饱和压降的关系示意图。

图4为智能过流保护装置控制方法的流程示意图。

图5为智能过流保护装置（IRPU）的快速跟踪微分器和小波变换对电网电压信号的处理实例图（以A相电压为例，图示幅值为标幺值1）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案做进一步说明。

如图1所示，传统交直交型变频调速系统包含整流/回馈装置（R/RF）、公共直流母线、逆变装置（INV）和交流电机。智能过流保护装置（IRPU）安装在公共直流母线的正电压铜排上。智能过流保护装置（IRPU）的功率部分和驱动板组成对系统过流保护的硬件实时保护，起到切断直流母线电流的作用；智能过流保护装置（IRPU）的数字信号处理器（DSP）、网侧和直流侧的电压与电流传感器、信号隔离变换以及相应的控制算法组成对系统过流保护的软件实时保护，起到对过流故障的预报作用。对系统进行过流保护的同时，智能过流保护装置（IRPU）还与整流/回馈装置（R/RF）、逆变装置（INV）、进线断路器进行故障信息的交换。

如图2所示为IRPU的部分示意图，图中IGBT器件（Q1）与吸收压敏电阻（R1）并联后与四只功率二极管（D1~D4）组成桥式电路，以实现IGBT器件对整流和逆变电流的双向监控。当交直交型变频调速系统工作在正常的逆变状态时，电流经R/RF、IRPU、INV送至交流电机。在IRPU内部，电流经D1、Q1、D2（如路径                                               所示）。当交直交型变频调速系统工作在回馈状态时，电流经逆变装置INV、IRPU、R/RF回馈至交流电网。在IRPU内部，电流经D4、Q1、D3（如路径所示）。在IRPU工作时，图1所示的驱动电路实时检测图2中Q1的e极与s极之间的饱和压降，当该压降超过阈值时，关断栅极g信号，实现直流母线的切断。以图3所示的某型号IGBT导通电流与饱和压降关系为例，在IGBT温度为时，若系统额定工作电流为1800A，则饱和压降为1.5V。若系统设定阈值为3600A，则当相应的饱和压降为2.1V时即认为出现过流。同时驱动板也接收IRPU中DSP的信号，能够实现对IGBT的控制。因此，无论电流方向如何，该电路均可以起到切断直流母线电流的作用。

图4所示为智能过流保护装置控制方法的流程示意图。

在整流/回馈装置和逆变装置上电后智能过流保护装置上电，智能过流保护装置的进行阈值设定、参数自检，并判断是否打开内部IGBT；否，则继续判断；是，则执行步骤2；

步骤2，数字信号处理器根据电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号与设定阈值做对比，如果达到阈值则进行步骤4，如没达到则执行步骤3；

步骤3，数字信号处理器对电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号信经快速跟踪微分器滤波进行小波变换，从小波变换后的系数中，提取扰动的全局分形指数和局部分形指数作为动态电网及直流母线电能质量扰动的特征，通过计算小波变换后系数的模极大值判断是否具有畸变点，同时利用Mallat算法准确定位电压下陷、瞬时中断和振荡出现的时刻，并估计其幅值，以此实现对电网异常类型的辨识，在预报出电网异常后系统进入故障处理程序；

步骤4，数字信号处理器发出的过流预报信号，通过IGBT驱动板驱动IGBT快速关断起到保护作用，同时发出关断相应回路的进线断路器的指令。

快速跟踪微分器的传递函数为

                （1）

其中、为惯性环节的时间常数。为了便于数字信号处理器（DSP）计算，将式（1）等价状态变量时域方程离散化成为：

               （2）

式（2）中，为输入信号；为积分步长；为函数在时刻的值；为跟踪信号，为微分信号，可近似为输入信号的微分信号。通过仿真分析，小积分步长对噪声抑制作用是很明显的，但越小，跟踪信号相位损失就越严重，为达到噪声抑制和跟踪速度间的平衡，用跟踪微分器的微分输出信号对进行相位超前补偿的离散化方程如式（3）所示：

       （3）

其中，是对输入信号进行相位补偿后的信号，为相位调整参数，为输出幅值调整参数，具体参数可以根据实际检测效果进行选取。图5中的（a）为带有原始噪声的电网电压信号，（b）为经快速跟踪微分器滤波后的电网电压信号，可见滤波效果显著并能保留电网较大波动信号。

基于小波变换的信号辨识算法以Mallat算法为主。Mallat算法是离散小波变换在多分辨多分析的基础上提出的快速算法。本发明中采用Mallat算法由小波滤波器、和、对信号分别进行分解和重构。经跟踪微分器滤波后的电网信号进行小波变换的Mallat算法如式（4）所示。

                         （4）

式中，为离散时间序列号，；为输入信号；为层数；、为时域中的小波系数；为信号在第层的近似部分（即低频部分）的小波系数；为信号在第层的细节部分（即高频部分）的小波系数。

基于小波系数对电网信号进行重构，若重构后的信号波形很好的逼近输入信号，则反映出小波变换的正确性，本发明对小波变换进行重构的算法如式（5）所示。

          （5）

式中，为分解的层数，若分解的最高层即分解的深度为，则；、为时域中的小波重构系数。小波重构后的波形如图5中的（h）所示，对比（b）和（h）可见小波重构的波形与跟踪微分器输出的波形逼近度很高，所以本发明应用的小波变换能够很好的反映电网信息。

利用式（4）中的小波系数的大小来动态监测电网信号的波动情况。例如在图5中（c）为低频小波系数的波形A5，反映电网信号的基波，即50Hz信号；（d）、（e）、（f）、（g）分别反映高频小波系数D1、D2、D3、D4的数值大小，由图可见在0.04s ~ 0.05s期间，电网电压波形发生跳变，根据高频小波系数的变化能很好表征出波动的时刻和幅值情况，以此系数作为故障评判的标准，能够较为准确地预报电网信号的异常状态点，为判断由此可能导致的逆变颠覆过流提供可靠依据。

Claims (2)

1. 一种防止逆变颠覆的智能过流保护装置，该装置包括用于处理信号的数字信号处理器、用于采集电路电压信号的电压传感器、用于采集电路电流信号的电流传感器、用于将所述电压、电流传感器发出的信号转换至数字信号处理器可识别范围的信号隔离变换电路、功率部分和IGBT驱动板；

其中，所述电压传感器、电流传感器和功率部分通过所述信号隔离变换电路与所述数字信号处理器连接，所述数字信号处理器与所述IGBT驱动板控制连接，所述IGBT驱动板与所述功率部分控制连接，其特征在于，该装置的所述功率部分包括用于直流母线电流双向流动的功率二极管D1、D2、D3和D4、用于控制直流母线电流导通或关断的IGBT器件Q1和用于吸收电压尖峰及IRPU关断期间将大量回馈能量转换成热量被消耗的压敏电阻R1；

所述IGBT器件Q1与压敏电阻R1并联后与D1、D2、D3和D4组成桥式电路，以实现IGBT器件对整流和逆变电流的双向监控。

2.一种如权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在整流/回馈装置和逆变装置上电后智能过流保护装置上电，智能过流保护装置进行阈值设定、参数自检，并判断是否打开内部IGBT；否，则继续判断；是，则执行步骤2；

步骤2，数字信号处理器根据电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号与设定阈值做对比，如果达到阈值则进行步骤4，如没达到则执行步骤3；

步骤3，数字信号处理器对电流传感器和电压传感器采集发回电压和电流信号经快速跟踪微分器滤波进行小波变换，从小波变换后的系数中，提取扰动的全局分形指数和局部分形指数作为动态电网及直流母线电能质量扰动的特征，通过计算小波变换后系数的模极大值判断是否具有畸变点，同时利用Mallat算法准确定位电压下陷、瞬时中断和振荡出现的时刻，并估计其幅值，以此实现对电网异常类型的辨识，在预报出电网异常后系统进入故障处理程序；

步骤4，数字信号处理器发出的过流预报信号，通过IGBT驱动板驱动IGBT快速关断起到保护作用，同时发出关断相应回路的进线断路器的指令。