林克文，肖 飛，揭貴生，范學鑫，謝 楨

?

直流區(qū)域配電三相逆變器過流保護策略

林克文，肖 飛，揭貴生，范學鑫，謝 楨

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

直流區(qū)域配電系統(tǒng)中三相逆變器的過流分為過載過流和短路過流兩種情況。區(qū)配系統(tǒng)要求逆變器具備在不同過載情況下維持運行一定時間以及短路過流時限制電流為兩倍額定電流并維持0.5 s的能力。因此針對過載能力要求，通過擬合過載反時限曲線實現(xiàn)保護；針對短路保護要求，通過限定電流環(huán)參考值實現(xiàn)短路保護。實驗結果證明了逆變器過流保護策略的有效性。

直流區(qū)域配電 逆變器 過流保護

0 引言

未來艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展方向是綜合電力系統(tǒng)[1]。直流區(qū)域配電系統(tǒng)是艦船綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分之一，為船上不同電壓等級的低壓負荷提供電能。區(qū)配系統(tǒng)中逆變器實現(xiàn)直流到交流電能的單向變換，為艦船低壓交流網(wǎng)絡供電[2]。艦船低壓交流網(wǎng)絡保護中逆變器的輸出過流保護是一個主要問題[3]。

逆變器輸出過流分為輸出過載和輸出短路。過載保護一般分為定時限保護和反時限保護。定時限保護的動作時間是固定的，與過載電流的大小無關；反時限保護的動作時間隨過載電流的增大而減小，更適合負載故障特性，在很多場合具有更優(yōu)越的保護性能[4]。短路是危及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的常見故障，其對電力系統(tǒng)危害程度取決于短路電流大小[5]，因此短路限流對于艦船電力系統(tǒng)十分重要[6]。文獻[7]將反時限保護用于三重化三電平直流變換器中，文獻[8]將反時限保護應用于發(fā)電機，在保障安全的前提下充分發(fā)揮了機組承受異常工況的能力。文獻[9]和[10]在配電網(wǎng)與微網(wǎng)中應用反時限保護，在不同的系統(tǒng)運行狀態(tài)下具有優(yōu)良的保護性能。文獻[11]和[12]研究了電力電子設備短路限流技術，有效抑制了短路電流對功率器件與電力系統(tǒng)的沖擊。

對于直流區(qū)域配電系統(tǒng)中逆變器由于輸出過載和輸出短路引起的過流，本文采用曲線擬合方法實現(xiàn)過載反時限保護，采用限定電流環(huán)參考值實現(xiàn)輸出短路保護，通過實驗驗證了過流保護策略正確性。

1 直流區(qū)域配電三相逆變器

直流區(qū)域配電系統(tǒng)中三相逆變器采用電力電子器件實現(xiàn)直流到交流電能的單向變換，它將前級變流器輸出的710 V直流電逆變?yōu)?90 V交流電為船上低壓交流負荷提供交流電能。

圖1 三相逆變器主電路結構圖

直流710 V經(jīng)逆變器輸入側的直流熔斷器FUSE和直流進線斷路器K1后為逆變器供電，C為直流支撐電容，直流電經(jīng)過三相半橋逆變單元后逆變成390 V/50 Hz的交流電，經(jīng)由交流電抗器和電容器組成的交流濾波器濾波，最終經(jīng)過交流斷路器K2輸出向低壓交流配電網(wǎng)絡供電，保證各設備的用電需求。

直流區(qū)域配電系統(tǒng)中，低壓交流網(wǎng)絡存在電力電子裝置與下級網(wǎng)絡的保護協(xié)調問題[3]，因此三相逆變器作為低壓交流網(wǎng)絡的變電模塊，針對具體的過流保護指標，需要設計相應的過流保護策略。

2 輸出過流保護策略

2.1 過載保護

直流區(qū)域配電三相逆變器過載能力要求為：（1）110%負載（功率因數(shù)0.8），連續(xù)運行時間大于等于2min；（2）120%負載（功率因數(shù)0.8），連續(xù)運行時間大于等于40 s；（3）150%負載（功率因數(shù)0.8），連續(xù)運行時間大于等于2 s。

根據(jù)直流區(qū)域配電三相逆變器過載能力要求，擬合了過載電流與可持續(xù)運行時間滿足的數(shù)學關系式。

(1)

式中，pu為輸出電流標要值。

式(1)對應的過載電流與運行時間曲線如圖所示，圖中坐標(128,1.1)、(41.79,1.2)、(5.618,1.5)分別對應過載1.1倍、過載1.2倍和過載1.5倍工作點，可知運行時間滿足過載要求。

圖2 過載電流與可運行時間曲線圖

2.2 短路保護及恢復

直流區(qū)域配電三相逆變器需要具備短路限流的能力。逆變器正常工作時為恒壓源，額定輸出電壓390 V。當輸出側發(fā)生短路故障時，逆變器需要將短路電流限制在2倍額定電流，并維持運行0.5 s，為故障支路的斷路器提供短路電流和動作時間。短路故障時逆變器電流環(huán)參考值限制在2倍額定電流，相當于恒流源。若短路故障在0.5 s內切除，逆變器能夠自動恢復穩(wěn)定運行于恒壓源模式；若短路故障維持0.5 s后仍未切除，逆變器停機退出運行。

綜上，逆變器輸出過流保護策略如圖所示。

圖3 逆變器過流保護策略圖

2.3 過流保護軟件實現(xiàn)

逆變器采用數(shù)字芯片DSP進行控制，為了實現(xiàn)式(1)所示的反時限保護，軟件中采用計數(shù)器方法實現(xiàn)過載保護。具體流程如圖所示。

(2)

每次中斷用新的值減去值，當≤0時進行過載保護，輸出交流斷路器K2分斷，切除負載。

對于短路保護，發(fā)生短路時將逆變器電流環(huán)參考值限制為2倍額定電流。短路時間0.5 s的判斷與過載時間判斷類似。將短路計數(shù)器寄存器值初始化為0.5 Ts，每次進中斷計數(shù)器減1，當計數(shù)器值=0而短路故障仍存在時，執(zhí)行短路保護，逆變器停機。當計數(shù)器值>0而短路故障切除時，逆變器恢復供電。

圖4 逆變器過流保護流程圖

3 實驗驗證

逆變器額定輸出電壓390 V，額定輸出電流1850 A，開關頻率2850 Hz。

3.1 過載保護

圖至圖為三相逆變器過載保護實驗波形。圖中U為輸入直流電壓，I為輸入直流電流，ab為輸出ab線電壓，a為輸出a相電流，圖中僅給出三相逆變器輸出電壓電流中的一路線電壓和一相電流，其他兩路線電壓和兩相電流過載保護情況與圖中電壓電流相同。

圖為三相逆變器110%負載過載保護實驗波形。逆變器首先帶60%負載運行，此時輸出電流有效值為1075 A，4.56 s時突加50%負載至110%負載，此時輸出電流有效值為2035 A，逆變器進入過載反時限保護流程，2 min15 s時刻逆變器保護分斷交流斷路器，輸出電流為零，輸出電壓恢復為390 V，過載運行時間130.44 s，大于1.1倍過載能力指標120 s。

圖5 110%負載過載保護實驗波形

圖為三相逆變器120%負載過載保護實驗波形。逆變器首先帶65%負載運行，此時輸出電流有效值為1210 A，5.45 s時突加55%負載至120%負載，此時輸出電流有效值為2225 A，逆變器進入過載反時限保護流程，53.05 s時刻逆變器保護分斷交流斷路器，輸出電流為零，輸出電壓恢復為390 V，過載運行時間47.6 s，大于1.2倍過載能力指標要求的40 s。

圖6 120%負載過載保護實驗波形

圖為三相逆變器150%負載過載保護實驗波形。逆變器首先帶100%負載運行，此時輸出電流有效值為1858 A，8.69 s時突加55%負載至120%負載，此時輸出電流有效值為2782 A，逆變器進入過載反時限保護流程，14.27 s時刻逆變器保護分斷交流斷路器，輸出電流為零，由于150%負載突卸導致輸入電壓抬高大于逆變器輸入電壓保護值，逆變器保護停機，輸出電壓為0，整個過載運行時間5.58 s，大于1.5倍過載能力指標要求的2 s。

圖7 150%負載過載保護實驗波形

3.2 短路保護及恢復

圖為逆變器帶50%負載運行輸出短路實驗波形。逆變器首先帶50%負載運行，輸出電流有效值為918 A，7.23 s時負載相間短路，輸出電流有效值為3692 A，被限制在兩倍額定電流。短路維持0.5 s后未切除，逆變器停機，輸出電壓電流變?yōu)?。

圖8 帶50%負載運行輸出短路實驗波形

圖9 帶50%負載運行輸出短路恢復實驗波形

圖為逆變器帶50%負載運行輸出短路恢復實驗波形。逆變器帶50%負載運行，12.563 s時負載相間短路，輸出電流有效值為3692 A，被限制在兩倍額定電流。12.945 s時短路負載切除（短路狀態(tài)維持了0.382 s），逆變器輸出電壓恢復正常。

4 結束語

本文針對直流區(qū)域配電系統(tǒng)對逆變器輸出過載能力和輸出短路保護指標要求，提出了對應的過流保護策略。通過擬合過載電流和維持時間得到逆變器過載反時限曲線，實現(xiàn)過載保護；通過限定電流環(huán)參考值進行限流，實現(xiàn)負載短路保護。實驗結果表明所提過流保護策略滿足過載保護和短路保護相應指標。

[1] 馬偉明. 艦船綜合電力系統(tǒng)中的機電能量轉換技術[J]. 電氣工程學報, 2015, 10(4): 3-10.

[2] 肖晗, 葉志浩, 紀鋒等. 考慮電動機起動的艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)預防控制方法[J]. 電工技術學報, 2018, 33(2): 413-422.

[3] 王瑞田, 肖飛, 付立軍等. 直流區(qū)域配電低壓交流網(wǎng)絡協(xié)調保護試驗[J]. 電網(wǎng)技術, 2014, 38(5): 1264-1270.

[4] 韋嘉, 柏瑜, 熊蘭等. 反時限過流保護模型優(yōu)化與曲線交叉研究[J]. 電測與儀表, 2015, 52(9): 56-60.

[5] 江道灼, 敖志香, 盧旭日,等. 短路限流技術的研究與發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2007, 19(3): 8-19.

[6] 桂永勝, 唐劍飛. 艦船電力系統(tǒng)的限流保護技術[J]. 中國艦船研究, 2007, 2(2): 27-30.

[7] 楊國潤, 肖飛, 劉濤等. 大容量三重化三電平直流變換器過流保護[J]. 通信電源技術, 2017, 34(2): 1-3.

[8] 王育學, 尹項根. 基于能力曲線最優(yōu)擬合的大型發(fā)電機反時限保護研究[J]. 廣東電力, 2014(11): 71-76.

[9] 喻錕, 林湘寧, 李浩等. 考慮分布式電源穩(wěn)定助增效應的電壓修正反時限過電流保護方案[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(3).

[10] 黃文燾, 邰能靈, 楊霞. 微網(wǎng)反時限低阻抗保護方案[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(1): 105-114.

[11] 任永宏, 劉碩, 謝敏等. 一種適用于航空DC/DC變換器短路限流的控制策略[J]. 電源學報, 2017, 15(2): 24-30.

[12] 朱俊杰, 聶子玲, 張銀峰等. 一種軟硬件協(xié)同控制的短路限流保護方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(19).

Overcurrent Protection Strategy of Three Phase Inverter in DC Zonal Electric Distribution System

Lin Kewen, Xiao Fei, Jie Guisheng, Fan Xuexin, Xie Zhen

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM464

A

1003-4862（2019）01-0001-04

2018-07-30

國家自然科學基金項目(51507184)

林克文（1989-），男，博士生。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: kewenlin@163.com