一种变频器保护装置

技术领域

本发明提供了一种变频器保护装置，属于变频保护技术领域。

背景技术

变频器的Crowbar组件属于变频器的保护装置(也叫低穿组件)，实时检测变频器电网侧电压，电网电压出现跌落时，低穿组件投入工作，通过大功率电阻卸载多余能量，保证变频器在电网电压跌落时不脱网运行。但是随着风机的运行年限逐渐增加，其故障率和损坏率也在不断上升。

另外随着新能源快速发展，电网侧增加的变频器数量越来越多，谐波也越来越大，造成Crowbar低穿组件受到的冲击次数也在逐年增加，如果波动相对频繁，那么低穿组件内部卸荷电阻温度上升很快，并且没有散热措施，只依靠自然散热，很容易超温，造成风机停机，需要等到电阻温度降下来以后才能复位运行，影响风机的工作效率。这个主要是由于结构设计紧凑，散热不良造成，同时造成拆装时非常不方便。

目前，很多风场采用将Crowbar低穿组件屏蔽的方式来处理，这样降低了变频器抗冲击能力，给风机安全运行带来隐患。

随着近年国家电网要求，现在要求越来越多的变频器具有高穿功能(要求电网电压上扬时，保护变频器不脱网运行)，目前多数变频器只有Crowbar低穿组件，不具备高穿功能，需要另外加装一套高穿设备，增加运维成本。

发明内容

本发明为了解决现有变频仅具有低穿组件且故障率高及不具备高穿功能的问题，提出了一种变频器保护装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种变频器保护装置，包括装置壳体，所述装置壳体固定在变频柜柜体外部，所述装置壳体内部分区安装有高低压部分电路，其中低压的电源板、控制板、接口板放置在低压区域，高压的IGBT、整流二极管放置在高压区域；

所述电源板与控制板双向通信，所述控制板与接口板双向通信，所述装置壳体内部还设置有双路输出驱动板，分别实现对电网电压高穿驱动及低穿驱动，划分为第一驱动电路和第二驱动电路；所述接口板的输入端连接变频器直流母线电压和电网侧电压互感器的交流电压，所述接口板的输出端将变频器直流母线电压和电网侧电压互感器的交流电压信号输入控制板，如果超出限值，控制板输出驱动脉冲信号至第一驱动电路；发电机并网运行时，发电机转子电压经过整流电路进入电源板，电源板将采集到的直流电压信号发送至控制板，控制板经过计算，如果超过限值，控制板输出驱动信号至第二驱动电路；

所述装置壳体外侧还设置有散热风扇和功率电阻箱，第一驱动电路和第二驱动电路分别通过第一IGBT、第二IGBT将多余能量输入功率电阻箱。

所述电源板的输入电压范围为0-1400VDC。

所述电源板上设置有温控控制电路，电源板CPU通过温控控制电路驱动散热风扇，所述电源板CPU还通过故障触发继电器输出故障信号，并将故障信号反馈至控制板。

所述功率电阻箱内设置有温度反馈电路，将功率电阻箱内的温度信号通过接口板反馈至控制板。

第一IGBT接入功率电阻箱的线路上设置有第一电流互感器，第二IGBT接入功率电阻箱的线路上设置有第二电流互感器，两个电流互感器将两个IGBT的电流信号通过接口板反馈至控制板上。

所述控制板还连接有CRT显示器，显示保护装置的故障并记录。

所述故障触发继电器具体采用固态继电器。

所述控制板上的CPU内置有低穿、高穿控制算法，所述低穿、高穿控制算法通过PID调节算法对采集的发电机转子电压、电网电压和变频器直流母线电压进行实时调节，在电网电压上升时通过控制第一驱动电路驱动第一IGBT，在电网电压跌落时通过控制第二驱动电路驱动第二IGBT。

所述高穿控制算法的控制过程如下：

S1.1装置上电自检进入待机状态，读取电网电压采样值；

S1.2：控制板判断采集的电网电压是否在标称电压的1.1-1.3倍范围内，当电网电压采样值处于标称电压的1.1-1.3倍范围内时，启动PID调节，计算触发时间，输出驱动信号触发第一IGBT释能；

S1.3：之后重新判断电网电压是否在标称值范围内，若电网电压处于标称值范围内，则装置进入待机状态，若电网电压不处于标称值范围内，则判断卸荷电阻温度是否在标称值范围内，若卸荷电阻温度处于标称值范围内，则进入步骤S1.2进行新一轮的判断；

S1.4：若卸荷电阻温度超出标称值范围，则说明冲击能量超出装置卸荷能力，触发故障输出信号，经过光纤接口发送至变频器，做出脱网动作。

所述低穿控制算法的控制过程如下：

S2.1装置上电自检进入待机状态，读取电网电压采样值；

S2.2：控制板判断采集的电网电压是否在标称电压的0.2-0.9倍范围内，当电网电压采样值处于标称电压的0.2-0.9倍范围内时，启动PID调节，计算触发时间，输出驱动信号触发第二IGBT释能；

S2.3：之后重新判断电网电压是否在标称值范围内，若电网电压处于标称值范围内，则装置进入待机状态，若电网电压不处于标称值范围内，则判断卸荷电阻温度是否在标称值范围内，若卸荷电阻温度处于标称值范围内，则进入步骤S2.2进行新一轮的判断；

S1.4：若卸荷电阻温度超出标称值范围，则说明冲击能量超出装置卸荷能力，触发故障输出信号，经过光纤接口发送至变频器，做出脱网动作。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的变频器保护装置同时兼备低穿、高穿功能，这样不仅能够改善原低穿组件故障率高问题，同时还能解决变频器不具备高穿功能的缺陷。一举两得，真正能够实现降本增效，保障风机安全、高效运行。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明装置内部的整体电气原理图；

图3为本发明控制板上CPU的电路原理图；

图4为本发明控制板上驱动脉冲的输出电路原理图；

图5为本发明控制板上电源部分及信号反馈的电路原理图；

图6为本发明电源板的电路原理图；

图7为本发明接口板上信号检测及光纤接口的电路原理图；

图8为本发明接口板上功率电阻箱信号反馈的电路原理图；

图9为本发明驱动板上驱动模块的模式选择电路原理图；

图10为风电机组故障电压穿越曲线；

图11为本发明高穿控制算法的流程图；

图12为本发明低穿控制算法的流程图；

图13为本发明装置的整体结构示意图；

图14为本发明装置内部的结构示意图；

图15为PID调节的原理图；

图中：1为装置壳体、2为发电机转子侧接口、3为变频器直流母线接口、4为低压区域、5为接口板、6为控制板、7为电源板、8为散热风扇、9为功率电阻箱、10为驱动板。

具体实施方式

如图1至图15所示，本发明提供了一种变频器保护装置，包括装置壳体1，所述装置壳体1固定在变频柜柜体外部，所述装置壳体1内部分区安装有高低压部分电路，其中低压的电源板7、控制板6、接口板5放置在低压区域4，高压的IGBT、整流二极管放置在高压区域；

所述电源板7与控制板6双向通信，所述控制板6与接口板5双向通信，所述装置壳体1内部还设置有双路输出驱动板，分别实现对电网电压高穿驱动及低穿驱动，划分为第一驱动电路和第二驱动电路；所述接口板5的输入端通过变频器直流母线接口3连接变频器直流母线电压和电网侧电压互感器的交流电压，所述接口板5的输出端将变频器直流母线电压和电网侧电压互感器的交流电压信号输入控制板，如果超出限值，控制板4输出驱动脉冲信号至第一驱动电路；发电机并网运行时，发电机转子电压通过发电机转子侧接口2接入，并经过整流电路进入电源板7，电源板7将采集到的直流电压信号发送至控制板6，控制板6经过计算，如果超过限值，控制板6输出驱动信号至第二驱动电路；

所述装置壳体1外侧还设置有散热风扇8和功率电阻箱9，第一驱动电路和第二驱动电路分别通过第一IGBT、第二IGBT将多余能量输入功率电阻箱9。

所述电源板7的输入电压范围为0-1400VDC。

所述电源板7上设置有温控控制电路，电源板CPU通过温控控制电路驱动散热风扇8，所述电源板CPU还通过故障触发继电器输出故障信号，并将故障信号反馈至控制板。

所述功率电阻箱9内设置有温度反馈电路，将功率电阻箱9内的温度信号通过接口板5反馈至控制板6。

第一IGBT接入功率电阻箱9的线路上设置有第一电流互感器，第二IGBT接入功率电阻箱的线路上设置有第二电流互感器，两个电流互感器将两个IGBT的电流信号通过接口板5反馈至控制板6上。

所述控制板6还连接有CRT显示器，显示保护装置的故障并记录。

所述故障触发继电器具体采用固态继电器。

所述控制板6上的CPU内置有低穿、高穿控制算法，所述低穿、高穿控制算法通过PID调节算法对采集的发电机转子电压、电网电压和变频器直流母线电压进行实时调节，在电网电压上升时通过控制第一驱动电路驱动第一IGBT，在电网电压跌落时通过控制第二驱动电路驱动第二IGBT。

所述高穿控制算法的控制过程如下：

S1.1装置上电自检进入待机状态，读取电网电压采样值；

S1.2：控制板判断采集的电网电压是否在标称电压的1.1-1.3倍范围内，当电网电压采样值处于标称电压的1.1-1.3倍范围内时，启动PID调节，计算触发时间，输出驱动信号触发第一IGBT释能；

S1.3：之后重新判断电网电压是否在标称值范围内，若电网电压处于标称值范围内，则装置进入待机状态，若电网电压不处于标称值范围内，则判断卸荷电阻温度是否在标称值范围内，若卸荷电阻温度处于标称值范围内，则进入步骤S1.2进行新一轮的判断；

S1.4：若卸荷电阻温度超出标称值范围，则说明冲击能量超出装置卸荷能力，触发故障输出信号，经过光纤接口发送至变频器，做出脱网动作。

所述低穿控制算法的控制过程如下：

S2.1装置上电自检进入待机状态，读取电网电压采样值；

S2.2：控制板判断采集的电网电压是否在标称电压的0.2-0.9倍范围内，当电网电压采样值处于标称电压的0.2-0.9倍范围内时，启动PID调节，计算触发时间，输出驱动信号触发第二IGBT释能；

S2.3：之后重新判断电网电压是否在标称值范围内，若电网电压处于标称值范围内，则装置进入待机状态，若电网电压不处于标称值范围内，则判断卸荷电阻温度是否在标称值范围内，若卸荷电阻温度处于标称值范围内，则进入步骤S2.2进行新一轮的判断；

S2.4：若卸荷电阻温度超出标称值范围，则说明冲击能量超出装置卸荷能力，触发故障输出信号，经过光纤接口发送至变频器，做出脱网动作。

本发明提出的新的保护装置，不仅实时监测电网电压，同时监测变频器直流母线电压，只要有一方的电压超过变频器设定值，保护装置投入工作，通过IGBT+卸荷电阻的方式来卸载多余能量，同时具有低穿、高穿功能，保证变频器的安全运行。

下面根据附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示为本发明保护装置的整体结构示意图，其中装置壳体1内部放置有接口板5、控制板6、双路输出驱动板10、电源板7、两个IGBT以及整流电路，在装置外部安装散热风扇8，加快热量循环，显著提升装置散热能力。功率电阻箱9也放置在装置壳体1外侧，通过接口及导线连接两个IGBT，用于当电网电压跌落或上扬时释放能量。且本发明保护装置内部的电路板、母排、IGBT、整流桥等部件进行高、低压区域划分，降低相互之间的干扰，实现机械和电气的双重隔离。同时，本装置能同时监测发电机转子电压、电网电压和变频器直流母线电压，能同时实现低穿或高穿功能，且能够更精确实现电压控制。

本发明装置整体如图13所示：整体分为两部分，左面部分是控制部分、右面是功率部分即功率电阻箱9；控制部分左侧预留发电机转子侧连接铜排即发电机转子侧接口2，控制部分右上部分预留变频器直流母线连接铜排即变频器直流母线接口3。

本发明装置内部结构如图14所示，虚线框区域为低压区域4；其他区域为高压部分(主要包括690VAC进线铜排、整流二极管、IGBT、直流母线铜排)；将这两部分在空间上进行分隔，避免相互影响。装置内部低压部分从上到下分别为：接口板5、控制板6、电源板7，右侧为驱动板10。

如图2为本发明装置整体的电气原理图，图中对各个电路板之间的线路连接、控制、信号反馈进行了详细说明，其中控制板中CPU作为中央控制器，能够对电源板、接口板、双路输出驱动板的信号进行控制，电网侧电压互感器的交流信号及变频器母线直流信号分别通过接口进入接口板，接口板对交流信号进行AD转换后输入控制板的CPU中，接口板对变频器直流母线信号进行电压转换后输入至控制板CPU中，且控制板连接通讯板上的光纤接口进行通讯；电源板上采用双电源模式，一路使用发电机转子侧三相电经过整流桥后的直流电压作为输入，提供DC±24V、+15V控制电；另一路使用AC220V交流电作为输入，也提供DC±24V、+15V控制电；这样保证控制回路不失电，避免控制回路失电造成保护装置功能失效；同时发电机转子三相690V交流电经过降压、运放处理、AD转换后经由电源板输入至控制板CPU中，发电机转子三相690V交流电还通过整流桥电路进入第二IGBT，作为IGBT的输入。

如图3为本发明控制板CPU部分的电源原理图，如图4为本发明控制板上驱动脉冲的输出电路原理图，控制板CPU具体采用TMS320F系列DSP处理器作为中央控制器，同时具备CAN接口及RS485接口。图5为本发明控制板上电源部分及信号反馈的电路原理图，控制板上的电源部分进行了滤波处理，同时可采集两个IGBT的门级驱动电压正常信号，还设置了IGBT故障反馈及驱动允许电路。

图6为本发明电源板的电路原理图，本发明的控制电源部分进行重新设计，采用双电源设计：一路仍采用直流电压作为输入，本设计的电源部分具有更宽的输入范围，原产品输入范围0-1210VDC，新装置电源输入范围是0-1400VDC，保证变频器运行中，电网出现波动以后，电源部分能够正常工作，使保护装置及时吸收电网冲击，保障变频器安全运行；另一路采用AC220V作为输入，一旦直流电异常时，保证控制电源部分不失电，使保护装置正常工作。另外，控制电源部分增加故障记录和显示功能，记录保护装置的故障信息，便于后续故障分析和故障处理，并且电源板实时显示故障信息。

控制电源板部分采用固态继电器，取代原先电磁继电器。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

图7为本发明接口板上信号检测及光纤接口的电路原理图，图8为本发明接口板上功率电阻箱信号反馈的电路原理图，接口板上实现了电网电压检测及功率电阻电流和温度信号的反馈，同时接口板上设置了光纤通讯电路。

图9为本发明驱动板上驱动模块的模式选择电路原理图，本发明采用2QD30A17K-I双通道IGBT栅极驱动器板。2QD30A17K-I是一款双通道驱动核，适用于所有电压等级为1700V及以下的IGBT模块，内部集成了DC-DC，可为次边的两通道提供驱动IGBT开关的±15V电源，实现电源和门极驱动电路的隔离。驱动核上的DC-DC电源变压器和用于信号传输隔离的脉冲变压器都符合EN50178的安全隔离标准，原边和副边满足II级防护等级。驱动核原边副边满足AC 4.5kV绝缘耐压，测试时间1min。其主要特点及功能如下：

1、双通道驱动；

2、完整的隔离DC/DC电源；

3、单通道4W输出功率，峰值电流为±30A；

4、欠压保护功能；

5、±15V驱动电压；

6、原副边4.5kV电气隔离；

7、退饱和检测短路保护功能。

同时本发明改变Crowbar低穿组件的安装位置。

原先Crowbar低穿组件都安装在变频器内部，空间有限，拆卸非常不方便，并且一旦出现炸机、烧损情况时，很容易波及到控制电路板和功率模块，造成故障面的扩大。

为了解决这个问题，本发明将保护装置安装到变频器顶部/背部(按照现场要求选择)。

首先将Crowbar低穿组件固定到定制的支架上，之后整体固定到柜体顶部/背部。

然后在顶部位置开孔，通过软连线与保护装置进行连接。

这样，即便保护装置出现炸机、过压过流放电等现象，也不会扩大故障面；同时也解决了拆卸不方便的问题，有效缩短拆装时间，提高工作效率。

本发明的保护装置与旧的低穿组件相比较，具有的技术优势如下表1所示：

表1本发明保护装置与现有低穿组件的对比表。

本发明的保护装置一方面提升了变频器低穿的性能，同时还增加了高穿功能，不仅针对电网跌落时对变频器的冲击，而且可以处理电网上扬时对变频器造成的伤害，提升了抗冲击能力；

另一方面，通过调整安装位置，将故障发生的波及面压缩至最小，同时也方便后续的拆卸，提高工作效率，值得广泛推广。

如图10为风电机组故障电压穿越曲线，当风电机组并网点电压处于图示曲线1及以上和曲线2及以下的中间区域时，要求风电机组不脱网连续运行；当风电机组并网点电压处于曲线1以下或曲线2以上区域时，风电机组可以从电网切出。因此本发明根据装置结构及风电机组故障电压穿越曲线，提出了本发明的高穿控制算法如图11所示，低穿控制算法如图12所示，通过本发明装置对电网电压进行实时采样，判断电网电压处于正常范围还是高穿范围或低穿范围，并通过控制板对电网电压进行调节，同时实现高穿、低穿的功能控制。

本发明的PID调节算法的原理如图15所示，其具体过程如下：

PID表示比例(proportional)一积分(intergral)一微分(differentia)，调节器的输出与输入之间为比例积分一微分的关系，即：

若以传递函数的形式表示：

其中：T

在计算机控制系统中使用的是数值PID调节器，就是对式(1)的离散化，离散化时令：

其中：T是采样周期。

显然，上述离散化过程中，采样周期T做到足够短，就可以保证有足够的精度。由式(1)和式(3)可得到：

式(4)即数字PID调节器的输出输入关系式。

依托DSP处理器强大的数据采集能力、数据处理能力，使采样周期足够短，保证电网出现波动时，及时释放过冲能量。

本发明的控制系统包括2个控制环：外环为电压有效值控制环，内环为输出电压瞬时值反馈环。外环进行数字滤波，得到输出电压的有效值；和输出有效值给定Vrms进行比较，其误差信号再经由PI控制器进行调节控制标准正弦波信号的给定值的幅值。逆变电源通过有效值外环控制，理论上可以做到输出电压有效值稳态无差，该控制环的目的是为了保证当负载变化、系统受干扰后维持输出电压有效值的稳态不变，即保证系统的输出电压稳态精度。内环为输出电压瞬时值反馈控制环，该环对输出电压的瞬时值进行控制，使得输出电压跟踪给定的正弦波，维持输出的良好正弦性，为了保证系统有足够的稳定裕度，该环的控制器多采用比例控制器，部分采用比例微分控制器。该环的主要作用是为了保证输出电压的正弦性，克服干扰对输出电压波形的影响，改善控制系统的动态性能和稳态性能。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。