250 kW儲能飛輪變流器故障分析

摘 要：針對250 kW儲能飛輪變流器的某次上電異常事件，通過事件發生時試驗波形的數據分析，判斷故障原因分別是變流器驅動板受干擾及電機輸出側對地短路，根據事件原因進行相應處理和整改。

關鍵詞：飛輪；變流器；對地短路

中圖分類號：TM407" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0020-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.005

0" " 引言

飛輪儲能作為一種新型儲能技術，將能量以機械能的形式儲存在高速旋轉的飛輪轉子中。相比傳統儲能方式，飛輪儲能具有綠色環保、能量密度高、壽命長、易維護等優點，可廣泛應用于不間斷電源（UPS）、城市軌道交通、風電一次調頻、電力調峰等領域。目前國內飛輪及其變流器控制等技術處于快速發展狀態，但離大規模工業化還有一定距離[1-3]。

飛輪儲能變流器作為飛輪的驅動裝置，用于實現飛輪機械能與電能的轉換控制，即儲能飛輪的充放電控制，其運行的穩定可靠至關重要。本文針對儲能變流器某次上電異常事件，詳細分析儲能變流器的故障原因，提出整改措施，并進行相應處理，以避免今后類似事件再次發生。

1" " 250 kW飛輪儲能系統介紹

如圖1所示，250 kW飛輪儲能系統主要由儲能變流器和飛輪本體組成，其中飛輪本體為核工業理化工程研究院自主開發，采用被動磁懸浮軸承技術，上下兩組電機作為飛輪的驅動裝置。由于飛輪負載的特殊性，市場上通用的電機變頻器無法實現飛輪的驅動控制及頻繁充放電控制，因此，核工業理化工程研究院進行了儲能變流器的自主研發，專門用于飛輪的驅動控制。

儲能變流器主要由AC/DC、預充電回路、DC/AC、電抗器、輸出接觸器及直流泄放回路組成，各部分功能介紹如下：

1）AC/DC：主要完成整流功能，提供直流電源。樣機為二極管不控整流器，由輸入接觸器、二極管整流器、預充電回路組成。

2）DC/AC：主要實現逆變功能。飛輪電機為雙電機形式，因此DC/AC逆變器采用兩組IGBT逆變橋，分別獨立控制。主回路主要由兩組IGBT逆變橋、輸出電抗器、輸出接觸器、電流互感器等組成。

3）直流負載泄放回路：直流負載泄放回路通過一路IGBT實現電子開關，根據直流電壓及指令實現直流負載的通斷，用于后期儲能飛輪放電控制時作為模擬負載。

4）控制系統：集成了IGBT底層驅動、DSP控制單元、電流電壓采樣、旋變信號采集，含有多路DI/DO信號。通過采集和數據運算輸出PWM信號，驅動IGBT斬波?？刂瓢寮?85、SPI等通信接口，可通過操作面板對驅動器進行控制。

2" " 上電異常事件簡介

飛輪儲能系統搭建完成后，通過儲能變流器進行了飛輪的各種調試，前期系統運行正常，已能夠實現飛輪額定轉速的驅動及其頻繁充放電控制，達到了預期效果。

在某次試驗中，需要進行飛輪啟動，試驗人員按照試驗步驟，首先合上交流接觸器，接觸器剛一吸合，還未按下啟動按鈕，就發現直流母線電壓立即升至250 V左右，后緩慢上升，且電機電流瞬間增大。該情況與正常上電情況不符，試驗人員立即斷開交流接觸器，并進行變流器檢查，未發現異常現象。再次上電，發現情況與前次相同，上電異常。試驗人員立即斷電，等待直流母線電壓降至0 V后，供電全部斷開，進行故障排查分析。

3" " 故障分析

3.1" " 原因判斷

試驗人員記錄了上電異常時的試驗波形，主要包含直流母線及電機側三相電流波形，如圖2所示，示波記錄儀品牌為恒河，示波器下半部分為上半部分白色框的放大示意圖，其中曲線1為直流母線電壓，曲線2、曲線3和曲線4分別為電機側三相電流波形，即逆變器輸出電流波形。

正常情況下，上電之前，直流母線及電機電流全部為0。當交流接觸器吸合后，三相交流電網輸入電壓通過二極管整流器（AC/DC）及后級的預充電回路，向后級直流電容充電，直流母線電壓緩慢上升至設定值，防止上電瞬間電容側電壓突變，造成充電電流過大，損壞二極管整流器。然后通過控制器控制預充電回路繼電器K1，將其充電電阻R短接，直流母線電壓基本穩定在540 V左右（根據當時電網情況有小幅波動）。由于后級逆變器IGBT驅動全部封鎖，電機側電流應該為0。

在異常故障發生時，由圖2可以看出，上電瞬間直流母線電壓立即上升至約240 V，電機側電流瞬間增大，且三相電流全部為負值，三相電流之和遠不等于0。根據故障發生時試驗波形，首先直流電壓瞬間異常升高，初步判斷預充電回路可能異常，試驗人員經過檢測預充電控制信號及充電電阻等，發現預充電繼電器瞬間接收短接信號，說明軟件或硬件受干擾造成該信號誤觸發；其次，從上電瞬間電流異常增大且全部為負看，初步判斷可能后級電機出現瞬間短路現象，后經過試驗人員對飛輪電機進行絕緣測試，發現電機三相輸出對地短路，絕緣電阻為0，經過拆解，發現電機輸出端子處絕緣擊穿，有燒煳發黑，如圖3所示。

經過飛輪設計人員確認，飛輪電機輸出端子側工藝有欠缺，即安裝空間狹窄及走線彎路太大，很容易造成絕緣不好，需對其設計及加工工藝進行改進優化。至此，變流器上電異常的原因找到：首先由于電機側輸出端子絕緣不好，造成電機瞬間對地短路，而電機控制板與驅動板又與大地有關聯，一旦電機側瞬間對地短路，就會對電機驅動板、控制板等造成干擾，從量變到質變，當短路發生的次數累計到一定程度后，驅動板甚至會發生損壞。

3.2" " 電流異常分析

為了更加直觀地分析上電瞬間電流異?，F象，對儲能變流器主回路進行簡化，如圖4所示，以單電機為例，分析電機輸出端瞬間對地短路對電機側電流的影響。其中Ls為電機等效電感，Rs為電機等效定子電阻，Ls=900 μH，Rs=100 mΩ，L1為電抗器電感，R1為電抗器等效電阻，充電電阻R=10 Ω。根據實測數據，上電瞬間接觸器K1誤動作，發生短接。

假設電網電壓為380 V，N為電網中性點，則電網U、V、W三相對N的相電壓為E=220 V，該交流電壓經過二極管整流器向后級電容充電，直流電壓波形為6脈動波，每個脈動波頭占約20/6 ms（約3.33 ms）。正常情況下，逆變器驅動信號全部為禁止，IGBT全部關斷，電機側為懸空，此時即使電機輸出對地短路，由于沒有通路，電機電流仍為0，不會有任何影響。但是實際中，電機三相電流瞬間很大，說明IGBT驅動信號有異常。

按照逆變器下橋臂全部導通、上橋臂全部截止分析，假設電機C相對地短路，發生短路位置在M點，上電瞬間接觸器K1閉合，則各部分電流走向如圖5所示。對于二極管整流器下橋臂而言，當U、V、W各相對于N點為負半周時，整流器下橋臂三個二極管依次導通，且每個二極管導通時間為6.66 ms；對于整流器上橋臂，按照正向電壓相電壓最大支路對應的二極管最先導通原理，依次進行導通。由于二極管整流器上橋臂的順序導通只影響直流電壓，不對電機電流造成影響，因此這里暫不考慮上橋臂。

由圖5可以看出，當電機C相對地短路，則M點電位為0 V，當U相電壓最低時，二極管D1導通，且電位為負，此時M點電位最高，則電機端電流ia、ib、ic全部通過D1匯入電網，當V相電壓最低時，電機端電流全部通過D2匯入電網，當W相電壓最低時，電機端電流全部通過D3匯入電網，D1、D2、D3依次導通，每個導通時間為1/3個工頻周期（約6.66 ms），經過計算電機每相電流分別為：。可以看出短路瞬間，C相電流最大，A、B兩相電流相等，且電流波形呈現120°脈動包絡線，這與圖2所測電流波形基本吻合。A、B相電流出現小幅不同，主要是由等效電阻的細微差別造成的。理論分析與實際波形吻合，因此考慮逆變器驅動板存在干擾異?？赡?。

4" " 整改措施

根據上述分析，找到變流器上電瞬間異常的原因所在，主要是電機輸出端子側絕緣不好，隨著試驗電壓的不斷升高，該位置的絕緣問題逐漸暴露，進而導致控制板、驅動板受干擾，激化了短路現象的發生。據此制定了整改措施：首先更換變流器驅動板、控制板，同時檢測確認變流器IGBT逆變器、直流繼電器及充電電阻是否正常；其次，優化飛輪電機生產工藝，尤其是電機輸出端子與電機定子線圈部分，加強電機絕緣等級，避免今后類似事件再次發生。整改措施實施后，變流器恢復正常。

5" " 結束語

儲能變流器作為飛輪的驅動裝置，對于實現飛輪的頻繁充放電控制和能量的可靠轉換至關重要。本文根據儲能變流器的某次上電異?，F象，結合事件發生瞬間直流電壓、電機電流波形，找到了事故原因，并進行故障分析，最后給出了整改措施，以避免今后類似事件再次發生。

[參考文獻]

[1] 李樹勝，付永領，劉平，等.磁懸浮飛輪儲能系統中電機干擾特性分析及監測方法研究[J].儲能科學與技術，2018，7（5）：794-802.

[2] 李樹勝，付永領，劉平，等.磁懸浮飛輪儲能UPS系統集成應用及充放電控制方法研究[J].中國電機工程學報，2017，37（增刊1）：170-176.

[3] 畢文駿.基于飛輪儲能的地鐵再生制動能量利用研究[D].成都：西南交通大學，2016.

收稿日期：2024-12-04

作者簡介：趙武玲（1980—），女，河北人，碩士，高級工程師，研究方向：儲能飛輪電氣控制。