中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头车辆段 内蒙古包头 014010
摘要：目前单逆都是采用斩波升压后逆变，通过工频变压器隔离输出的方式，导致系统体积笨重。我们利用移相全桥和LLC谐振电路各自的长处，在移相全桥电路中串入饱和电感，实现软开关，开发高频逆变电源。在控制方式上采用全数字化控制，由于DSP具有超强的数据处理能力，配合高性能的AD转换器，实时读取逆变器的输出，并实时的计算出输出PWM值，从而使单逆的输出波形时刻满足要求。
关键词：DC600V；旅客列车；车下电源；单相逆变器；滤波电容；故障分析
1.系统硬件设计
1.1系统组成
单逆主要由输入电路、升压电路、逆变电路、控制电路等组成.输入电路：主要由熔断器、滤波器、接触器、预充电电阻、滤波电容等组成，主要功能是对输入电源进行滤波，控制电源的通断和保护；升压电路：主要是通过串联谐振全桥变换器将蓄电池提供的DC110V升压DC360V；逆变电路：主要是通过IPM（智能功率管理单元）和LC滤波电路将DC360V转换成AC230V/50Hz交流电压；控制电路：主要由辅助电源、采样电路、控制部分组成，对单逆进行检测控制和故障保护。
1.2系统描述
1.2.1升压电路
升压电路由开关管Q1-Q4，电感Ls，电容Cb，变压器T1、整流二极管D1、D2，滤波电容等组成。工作原理分析：Q1、Q4导通，原边电流经过Q1、电感Ls、变压器原边、Cb和Q4，给阻断电容Cb充电，其电压升高。原边电流在输入电压作用下线性增加，副边工作在整流状态，为负载输出能量。Q1关断，由于电容C1的存在，Q1关断电压缓慢上升，为零电压关断，由于原边有电感Ls的存在，电流不能突变，给电容C1充电，电容C3放电.由于变压器原边电压方向不变，副边二极管仍然处于整流状态。电容C3放电结束后，C3端电压为0，Q3两端并联的二极管自然导通。然后开通Q3，Q3为零电压开通。此时电容Cb上电压为左正右负，原边电流在该电压作用下减小。减小到0后，原边电压开始反向，副边开始工作在续流状态。在原边电流下降至0的时候关断Q4，则Q4为零电流关断，然后开通Q2。此时两个桥臂之间的电压为-Vc，此时能量不能立即传送到副边，因为该过程包括了饱和电感由阻断到饱和导通，即电容Cb反向充电完成两个过程，需要一定时间，当原边电流较小时，副边仍工作在续流状态。具体反映出来的就是副边的占空比丢失。直到电感饱和，原边电流上升到足够大时，副边二极管才会恢复整流状态，完成半个周期切换过程。
1.2.2逆变电路
逆变电路为了保证系统的可靠性，选用了智能功率模块IPM，该模块内部集成了功率管V1-V4，驱动电路，过流检测等电路，输出SPWM波通过LC滤波电路后输出为纯正正弦波。工作原理分析：V1-V4组成了全桥逆变器的两组桥臂，V1、V4导通，V2、V3关断，负载电压为正，V1、V4关断，V2、V3导通时，负载电压为负，通过这样的变换把直流电变成了交流电。调整两组开关管切换的频率即可用改变输出交流电的频率。
1.3逆变器故障特征分析
分布式并网系统见图1，主要包括：分布式电源（DG）､三相桥式逆变器､LCL滤波器和系统等｡其中三相正弦脉宽调制（SPWM）电压型逆变器应用十分广泛｡
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图1结构示例图
逆变器常见故障可以分为3类：①逆变器内部功率开关元件发生单管短路（如VT1）､一相短路（如VT1和VT2）；②功率开关元件发生单管断路（如VT1）､一相断路（如VT1和VT2）､同一半桥两管断路（如VT1和VT3）和交叉两管断路（如VT1和VT4）；③逆变器并网交流侧出口处发生单相接地､两相接地､两相短路和三相短路｡SPWM逆变器采用开关函数控制功率开关管的工作状态，设Sa，Sb，Sc分别为a，b，c桥臂的开关函数，由调制信号和载波信号共同决定｡可将Sa，Sb，Sc看成一组正弦函数，只考虑基波分量时为：
S1a=12+m2sin（ωt-θ）
S1b=12+m2sinωt-θ-23π
S1c=12+m2sinωt-θ+2
1.4软件控制
为了满足输出正弦波的稳定，采样输出电压和电流瞬时值构成双闭环反馈对单逆进行实时控制｡外环采用对输出电压的瞬时值进行采样，与软件提供的参考电压基准进行比较，电压调节器采用比例积分调节，内环采用负载电流的反馈信号与电压调节器进行比较，采用比较调节，PI算法全部通过DSP进行实现｡
2逆变器保护方案
现有逆变器保护按如下方案配置：直流侧装设过流保护､过压保护､欠压保护､过热保护；交流侧装设短路保护和防孤岛保护｡过流保护直流量判据为：
Idc≥KrelIm
式中：Krel为可靠系数，取1.1；Idc为直流侧电流；Im为正常工作时直流侧的最大工作电流｡直流量判据能反应于逆变器发生内部功率开关元件短路故障和逆变器交流侧出口处发生的两相故障｡本文利用附录A中的光伏发电并网系统对逆变器内部发生的故障进行了仿真研究｡
１）逆变器0.2s发生单管断路（F3）､同一桥臂两管断路（F5）和交叉两管断路（F6）故障时的直流侧电流见图2｡
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图2F3，F5和F6故障时的电流
２）按式得到过流保护整定值为1.26kA，而3种断路故障情况下的直流侧电流均小于10kA，保护无法动作｡直流侧此时含有明显的基波成分，采用差分全波傅里叶算法提取基波幅值，其值均大于6.2kA｡由于正常时直流侧无基波分量，因此设置基波保护可以灵敏快速地反应于逆变器功率开关的同类型断路故障｡
３）逆变器0.2s发生功率开关管一相断路（F4）故障时，直流侧电流值小于3.5kA，过流保护无法动作｡当逆变器0.2s发生交流侧出口单相接地（F7）故障时直流分量小于整定值12.6kA，过流保护无法动作｡发生F4故障时，直流侧含有明显的二次谐波成分，采用差分全波傅里叶算法提取二次谐波幅值为6.75kA；发生F7故障时，二次谐波幅值为1.2kA｡
４）所以设置二次谐波保护可灵敏､快速地反应于此类故障｡依据逆变器发生的故障类型，其直流侧电流会出现直流量､基波和二次谐波｡为了更好地利用故障特征灵敏､快速地反应于所有故障类型，可在逆变器现有保护的基础上加入基波过流保护和二次谐波过流保护，其动作判据为：式中：I1为基波电流幅值；I2为二次谐波电流幅值；Iop.1和Iop.2均按正常工作时直流侧最大工作电流的5%整定｡
3.结语
现有的逆变器保护无法反应于开关管的断路故障｡为此本文提出在现有逆变器保护的基础上，增加能够有效区分逆变器故障类型的基波过流保护和二次谐波过流保护，为实现逆变器的智能故障诊断奠定了基础｡
参考文献：
[1]武小梅，徐新，聂一雄.基于开关函数的三相电压源型逆变器的新型仿真模型[J].电力系统保护与控制，2019，37（11）：74-77.
[2]张兰红，胡育文，黄文新.三相变频驱动系统中逆变器的故障诊断与容错技术[J].电工技术学报，2017，19（12）：1-10.