250 kW储能飞轮变流器故障分析

飞轮储能作为一种新型储能技术，将能量以机械能的形式储存在高速旋转的飞轮转子中。相比传统储能方式，飞轮储能具有绿色环保、能量密度高、寿命长、易维护等优点，可广泛应用于不间断电源（UPS）、城市轨道交通、风电一次调频、电力调峰等领域。目前国内飞轮及其变流器控制等技术处于快速发展状态，但离大规模工业化还有一定距离。飞轮储能变流器作为飞轮的驱动装置，用于实现飞轮机械能与电能的转换控制，即储能飞轮的充放电控制，其运行的稳定可靠至关重要。本文针对储能变流器某次上电异常事件，详细分析储能变流器的故障原因，提出整改措施，并进行相应处理，以避免今后类似事件再次发生。1、250kW飞轮储能系统介绍如图1所示，250kW飞轮储能系统主要由储能变流器和飞轮本体组成，其中飞轮本体为核工业理化工程研究院自主开发，采用被动磁悬浮轴承技术，上下两组电机作为飞轮的驱动装置。由于飞轮负载的特殊性，市场上通用的电机变频器无法实现飞轮的驱动控制及频繁充放电控制，因此，核工业理化工程研究院进行了储能变流器的自主研发，专门用于飞轮的驱动控制。储能变流器主要由AC/DC、预充电回路、DC/AC、电抗器、输出接触器及直流泄放回路组成，各部分功能介绍如下：1）AC/DC：主要完成整流功能，提供直流电源。样机为二极管不控整流器，由输入接触器、二极管整流器、预充电回路组成。2）DC/AC：主要实现逆变功能。飞轮电机为双电机形式，因此DC/AC逆变器采用两组IGBT逆变桥，分别独立控制。主回路主要由两组IGBT逆变桥、输出电抗器、输出接触器、电流互感器等组成。3）直流负载泄放回路：直流负载泄放回路通过一路IGBT实现电子开关，根据直流电压及指令实现直流负载的通断，用于后期储能飞轮放电控制时作为模拟负载。4）控制系统：集成了IGBT底层驱动、DSP控制单元、电流电压采样、旋变信号采集，含有多路DI/DO信号。通过采集和数据运算输出PWM信号，驱动IGBT斩波。控制板集成485、SPI等通信接口，可通过操作面板对驱动器进行控制。2、上电异常事件简介飞轮储能系统搭建完成后，通过储能变流器进行了飞轮的各种调试，前期系统运行正常，已能够实现飞轮额定转速的驱动及其频繁充放电控制，达到了预期效果。在某次试验中，需要进行飞轮启动，试验人员按照试验步骤，首先合上交流接触器，接触器刚一吸合，还未按下启动按钮，就发现直流母线电压立即升至250V左右，后缓慢上升，且电机电流瞬间增大。该情况与正常上电情况不符，试验人员立即断开交流接触器，并进行变流器检查，未发现异常现象。再次上电，发现情况与前次相同，上电异常。试验人员立即断电，等待直流母线电压降至0V后，供电全部断开，进行故障排查分析。3、故障分析3.1

原因判断试验人员记录了上电异常时的试验波形，主要包含直流母线及电机侧三相电流波形，如图2所示，示波记录仪品牌为恒河，示波器下半部分为上半部分白色框的放大示意图，其中曲线1为直流母线电压，曲线2、曲线3和曲线4分别为电机侧三相电流波形，即逆变器输出电流波形。正常情况下，上电之前，直流母线及电机电流全部为0。当交流接触器吸合后，三相交流电网输入电压通过二极管整流器（AC/DC）及后级的预充电回路，向后级直流电容充电，直流母线电压缓慢上升至设定值，防止上电瞬间电容侧电压突变，造成充电电流过大，损坏二极管整流器。然后通过控制器控制预充电回路继电器K1，将其充电电阻R短接，直流母线电压基本稳定在540V左右（根据当时电网情况有小幅波动）。由于后级逆变器IGBT驱动全部封锁，电机侧电流应该为0。在异常故障发生时，由图2可以看出，上电瞬间直流母线电压立即上升至约240V，电机侧电流瞬间增大，且三相电流全部为负值，三相电流之和远不等于0。根据故障发生时试验波形，首先直流电压瞬间异常升高，初步判断预充电回路可能异常，试验人员经过检测预充电控制信号及充电电阻等，发现预充电继电器瞬间接收短接信号，说明软件或硬件受干扰造成该信号误触发；其次，从上电瞬间电流异常增大且全部为负看，初步判断可能后级电机出现瞬间短路现象，后经过试验人员对飞轮电机进行绝缘测试，发现电机三相输出对地短路，绝缘电阻为0，经过拆解，发现电机输出端子处绝缘击穿，有烧煳发黑，如图3所示。经过飞轮设计人员确认，飞轮电机输出端子侧工艺有欠缺，即安装空间狭窄及走线弯路太大，很容易造成绝缘不好，需对其设计及加工工艺进行改进优化。至此，变流器上电异常的原因找到：首先由于电机侧输出端子绝缘不好，造成电机瞬间对地短路，而电机控制板与驱动板又与大地有关联，一旦电机侧瞬间对地短路，就会对电机驱动板、控制板等造成干扰，从量变到质变，当短路发生的次数累计到一定程度后，驱动板甚至会发生损坏。3.2

电流异常分析为了更加直观地分析上电瞬间电流异常现象，对储能变流器主回路进行简化，如图4所示，以单电机为例，分析电机输出端瞬间对地短路对电机侧电流的影响。其中Ls为电机等效电感，Rs为电机等效定子电阻，Ls=900μH，Rs=100mΩ，L1为电抗器电感，R1为电抗器等效电阻，充电电阻R=10Ω。根据实测数据，上电瞬间接触器K1误动作，发生短接。假设电网电压为380V，N为电网中性点，则电网U、V、W三相对N的相电压为E=220V，该交流电压经过二极管整流器向后级电容充电，直流电压波形为6脉动波，每个脉动波头占约20/6ms（约3.33ms）。正常情况下，逆变器驱动信号全部为禁止，IGBT全部关断，电机侧为悬空，此时即使电机输出对地短路，由于没有通路，电机电流仍为0，不会有任何影响。但是实际中，电机三相电流瞬间很大，说明IGBT驱动信号有异常。按照逆变器下桥臂全部导通、上桥臂全部截止分析，假设电机C相对地短路，发生短路位置在M点，上电瞬间接触器K1闭合，则各部分电流走向如图5所示。对于二极管整流器下桥臂而言，当U、V、W各相对于N点为负半周时，整流器下桥臂三个二极管依次导通，且每个二极管导通时间为6.66ms；对于整流器上桥臂，按照正向电压相电压最大支路对应的二极管最先导通原理，依次进行导通。由于二极管整流器上桥臂的顺序导通只影响直流电压，不对电机电流造成影响，因此这里暂不考虑上桥臂。由图5可以看出，当电机C相对地短路，则M点电位为0V，当U相电压最低时，二极管D1导通，且电位为负，此时M点电位最高，则电机端电流ia、ib、ic全部通过D1汇入电网，当V相电压最低时，电机端电流全部通过D2汇入电网，当W相电压最低时，电机端电流全部通过D3汇入电网，D1、D2、D3依次导通，每个导通时间为1/3个工频周期（约6.66ms），经过计算电机每相电流分别为：，，。可以看出短路瞬间，C相电流最大，A、B两相电流相等，且电流波形呈现120°脉动包络线，这与图2所测电流波形基本吻合。A、B相电流出现小幅不同，主要是由等效电阻的细微差别造成的。理论分析与实际波形吻合，因此考虑逆变器驱动板存在干扰异常可能。4、整改措施根据上述分析，找到变流器上电瞬间异常的原因所在，主要是电机输出端子侧绝缘不好，随着试验电压的不断升高，该位置的绝缘问题逐渐暴露，进而导致控制板、驱动板受干扰，激化了短路现象的发生。据此制定了整改措施：首先更换变流器驱动板、控制板，同时检测确认变流器IGBT逆变器、直流继电器及充电电阻是否正常；其次，优化飞轮电机生产工艺，尤其是电机输出端子与电机定子线圈部分，加强电