级联型高压变频器过流保护的缺陷与优化策略研究

刘学军

（1.太原理工大学信息工程学院自动化系山西太原030024；

2.潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司山西忻州市宁武县036700）

摘要：本文分析了级联型高压变频器过流保护中存在的主要缺陷，阐述了增加芯片及软件保护的高压变频器改进方案，提出了级联型高压变频器过流保护优化方案及算法的选择，旨在通过硬件保护与软件保护双重作用，有效的保障高压变频器稳定运作，降低过流误操作造成的系统故障问题发生的几率，提高级联型高压变频器过流保护的可靠性及安全性。

关键词：级联型高压变频器过流保护；缺陷与优化策略

一、级联型高压变频器过流保护方案存在的缺陷

在变电系统运行中，变频器过流误动作引发的跳闸事故会影响电厂安全、稳定运行。数据显示，80%的高压变频器跳闸是过流引起的，过流误动作是造成变频器跳闸的主要原因。因此，电力系统过流保护方案是电力企业重点关注的问题。某电厂采用国产的级联型高压变频器，因过流保护误动作引发电厂凝结水泵变频器跳机事故。该变频器过流保护原理如图1所示，变频器出现及进线电流采样由电流霍尔元件完成，采样后的电流值会转化为电压值，经参考电压比较后进入可编程的逻辑器件（CPLD）进行判断，该保护原理简单，系统响应速度较快。但其缺陷在于电源模块提供的参考电压，在电源模块出现异常时，其准确性难以保障，造成过流保护的可靠性降低。该电厂事故发生的主要原因就是电源模块损毁，造成参考电压变为零而采样值大于零，产生变频器过流保护误动作。工程实践表明，新的级联型高压变频器过流保护可有效的提高级联型变频器运行的可靠性及稳定性。

图1原过流保护原理图

二、级联型高压变频器过流保护的改进方案

（一）过流保护方案

1.方案1：变原有硬件保护为软件保护

具体操作如下，先采集电流值及参考电压值，并将其送入AD芯片CH1、CH2通道中。将AD出口想信号送入FPGA相应端口，将参考电压采样值存入FlasROM中。通过比较电压值与参考电压值判断是否过流。变频器进线电流经常存在闪变现象，由于出线电流所含的谐波成分较大，过流保护中的动作参数是工频基波电流，因此，过流保护中将涉及重要的数字滤波算法。在具体的计算过程中要滤去非周期分量、除基波等以外的衰减性直流分量及高次谐波分量直流分量，同时躲开闪变电流。

2.方案2：在保留原有过流保护的基础上，增加一定的软件保护

具体操作如下。强化参考电压检测环节，在出现参考电压小于设定值的情况下，启用系统软件保护，高压变频器中的硬件保护及软件保护在准确的异或逻辑判断后，保护出口继电器运作。软件保护是否投入使用主要参考AD芯片CH1通道能否采集到参考电压值，着就有效的避免了电源设备损坏情况下造成的过流保护误动作产生。在软件判断准确成立的基础上，系统将电源损毁的情况及时的反馈至主控系统，系统通过中断函数完成报警，有效的保证了变频系统具有较高的自我诊断能力，避免系统误操作。电厂主要维修人员可在机组小修期间及时的通知厂家更换电源，保证过流保护具有一定的完备性。该方案的逻辑图如图2所示。

该方案具有显著的优势，在电源模块完整的情况下，保障了系统硬件保护的快速性。当电源模块损毁时，有效的消除了原过流保护中出现误操作的可能性。通过有效的电源在线检测手段，有效的提高了变频系统自我诊断的能力。该方案不用更换原有的主控板，通过增加一块电路板，就可实现主控板软件的升级，有效的降低了现场升级的难度。该方案增加了过流电流瞬间录波功能，为变频系统故障的诊断提供了准确的数据。鉴于方案2具有显著的优势，因此，将其作为过流保护的改进方案。

图2方案2逻辑示意图

（一）改进方案的效果分析

1.增加了AD芯片

上述改进方案1.2中的过流保护均需要增加1个AD芯片（ADS8361），该芯片具有速度快的优点，其抗电磁干扰的能力较强，可满足现场工作的需求。

1.系统软件及硬件均满足了过流保护的要求

经改进，高压变频系统过流保护拥有了完善的硬件及软件设施，系统中的软件逻辑判断主要由FPGA完成，该部件主要包括1各异或门及2各与门，具有一定的存储功能。经过测试发现，选用Cyclonell系列的EP2C8型FPGA可满足系统运行要求，软件编写过程中主要使用VerilogHDL语言，有效的使用了FPGA内部设备，发挥了硬件设备较好的执行速度。软件具有快速数字滤波算法、交流有效值快速计算及万象电流不平衡时的计算等，软件算法经过改进，采用全波傅里叶算法。在工程实践中可很好的满足过流保护快速性的要求。

（三）过流保护软件的算法选择

在高压变频调速系统中，铁磁元件具有非线性，受到进出线电缆的分布电容、补偿电容及电压互感器、电流互感器的二次暂态过程的影响，造成输入信号中含有大量的非周期分量及随机非整数倍频分量。过流保护中算法选择的关键在于保证计算的精度及速度。系统采集的电流及电压值是过流保护算法的基础，在数字滤波器滤波后，得出所需要的特征采样值，在系统分析、运算及判断的基础上，实现了过流保护的功能，数字滤波器在系统中尤为关键。现有的数字滤波算法主要有全波傅里叶算法、半波傅里叶算法、卡尔曼滤波算法及交流采样中的开平方算法等。改进后的方案中主要采用全波傅里叶算法，该算法稳定性较好，但是其需要1个周期的数据窗。为保证过流保护快速动作，应选择数据创窗较短的快速算法。通过几种算法的有效比较，最终选用一种改进型的全波傅里叶算法，该算法具有数据窗短、计算简单的优势，使用过程中不需要增加额外的采样点，其对基波分量的提取效果显著。

三、总结

综上所述，国产变变频器过流保护装置存在一定的缺陷，时常发生过流误操作引发的事故，通过不断的改进，在得到用户认可的基础上，通过早保留原有保护的基础上增加软件保护，有效的实现了过流保护快速性及准确性的要求。在软件算法的选择上，采用了满足高压变频系统要求的傅里叶全波算法。工程应用实践表明，新的算法及过流保护有效的提高了级联型高压变频器运行的可靠性及安全性。改进方案中的过流保护降低了级联型高压变频器误动的几率，保障了电力系统的稳定运行。

参考文献：

[1]任涛.级联型高压变频器过流保护的缺陷分析及改进措施[J].华电技术，2013，05：40-42+78.

[2]刘健.新型三电平高压变频调速关键技术及成套装备研发[D].华中科技大学，2008.