CN114977112A - 基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法 - Google Patents

基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，应用于地铁牵引供电双向变流装置的短路保护；短路保护装置内设置三相晶闸管整流桥电路；三相晶闸管整流桥电路的输入端连接至双向变流装置的直流侧，输出端连接至与双向变流装置输出端相连的电感器的输出端；主控制根据接收到的逆变模块的直流侧的电压电流信号判断是否发生该逆变模块的短路即近端短路、非该逆变模块短路的远端短路；本发明通过在逆变模块并联三相晶闸管整流桥电路，当逆变模块发生短路时，开晶闸管回路开通，能够可靠的保护双向变流装置的功率单元。

Description

基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电***故障保护技术领域，具体涉及一种基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法。
背景技术
近年来，城市轨道交通已经逐渐成为城市居民生活出行的日常选择，其中城市轨道交通牵引供电***主要为轨道交通车辆及其他负载等提供直流电源。随着城市轨道交通路网规模的不断扩大、发车密度越来越高、列车制动频繁，产生的能量持续增加，约占牵引供电***能量的20～40％。
目前轨道交通***配置的整流机组为24脉波不控整流，通过整流变压器及整流模块，将35kV交流电转换为DC1500V等级的直流电，为直流牵引接触网上的负载提供电源。地铁牵引供电双向变流装置可以实现直流牵引接触网和交流电网之间能量的双向流动，不仅可以为直流牵引接触网提供能量，支撑稳定直流牵引接触网的电压，同时可以吸收列车制动时多余的再生制动能量，回馈至交流电网，提高牵引供电***的能量利用率。
与此同时，就要求地铁牵引供电双向变流装置必须具备直流侧短路保护和过载保护力，大约需要承受约10ms的装置额定电流20倍的短路电流，承受120ms的装置额定电流12倍的短路电流。当牵引直流接触网出现短路故障或者过载运行时，目前配置的牵引网1500V开关柜直流断路器、地铁牵引供电双向变流装置直流接触器等受分断能力和保护时间的限制，分断时间在20ms左右，在保护开关断开之前，地铁牵引供电双向变流装置功率模块三相IGBT模块的反并联二极管无法承受较大的续流电流，同时交流***也通过三相不控整流电路向直流侧故障点不断提供电流，超过地铁牵引供电双向变流装置的功率模块的耐受电流导致损坏，装置无法正常运行。
由此可知，需要有效的避免地铁牵引供电双向变流装置直流侧的短路故障、过载等造成的损坏，确保牵引供电双向变流装置在故障时可以快速的退出运行，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路电流及过载电流对装置的影响。
另外，地铁车辆通过接触网(正极)取电运行，在加速、减速的过程中会产生较大的电流，为了不引起馈线开关上保护装置频繁的误动作，馈线开关上的保护装置过流动作门槛往往较高。这样，当发生接触网(正极)经大电阻接地短路故障时，流经馈线开关上的故障电流依然可能达不到过流动作门槛，使得保护装置无法动作。与此同时，配置于牵引变电所负极母线上的接地电阻因流经故障电流，使得地和牵引变电所负极母线之间产生较大的电位差，引起多个牵引变电所内用于防止设备绝缘损坏的电压型框架泄漏保护同时动作，造成牵引供电***的大面积停电。
目前对于双向变流地铁牵引***直流侧短路保护，现有技术有以下三种：
现有技术一：公开号为CN102707190A的专利文献公开的地铁牵引供电***直流侧短路故障测距装置及方法：各个变电所同时采集其两边上下行接触网的电流电压，根据电流大小判断是否出现短路故障，并将出现短路故障时的电流电压信号无线传输给上位机，上位机根据接收的电流电压信号进一步计算短路故障所在的位置。该方法种提出的短路检测依据是电流，只能判断近端短路，无法检测到远端短路保护。
现有技术二：公开号为CN112398103A的专利文献公开的直流牵引供电***的保护方法及装置，提供了一种直流牵引供电***的保护方法及***，保护装置根据所获取到的牵引供电区段两端的正、负馈线电流及直流牵引供电段对端正、负馈线电流计算出牵引供电区段内的和电流，当保护装置检测到牵引供电区段内的和电流大于设定阈值，判断牵引供电区段内发生接触网接地故障，跳开牵引供电区段内的和相邻的正馈线开关。该方法种提出的短路检测方法同样存在只能判断近端短路，无法检测到远端短路保护的问题。
现有技术三：公开号为CN 113644629A的专利文献公开的轨道交通牵引供电双向变流***短路保护装置及其控制方法，通过控制模块获取双向变流装置直流侧的直流电流值，判断所述直流电流值是否大于或等于所述控制模块预设的直流侧过流值，如所述直流电流值大于或等于所述直流侧过流保护值，则封锁开关模块的脉冲信号和功率模块的脉冲信号，使所述双向变流***停止运行，并将短路电流泄放至隔离变压器的低压绕组，以保护所述双向变流***的功率模块。该方法种提出的短路检测方法同样存在只能判断近端短路，无法检测到远端短路保护的问题，因为远端短路往往直流电流触发不到过流保护值。
上述三种牵引***直流侧短路保护方案中，都同时存在着的缺点：远端短路往往直流电流触发不到过流保护值，从而无法检测到远端短路故障，无法实现双向变流装置可靠的短路保护。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，当直流侧短路时，能够快速的检测到近端短路故障、远端短路故障，立即封锁功率单元的脉冲信号，双向变流***停止运行，同时开通晶闸管回路，从而可靠的保护双向变流装置的功率单元，联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
2.技术方案：
基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，应用于地铁牵引供电双向变流装置的短路保护；其特征在于：所述双向变流装置包括两组逆变模块；每组逆变模块的直流侧与交流侧均并联短路保护装置；每组逆变模块包括多个逆变模块；所述短路保护装置内设置三相晶闸管整流桥电路；所述三相晶闸管整流桥电路的输入端连接至双向变流装置的直流侧，输出端连接至与双向变流装置输出端相连的电感器的输出端；每个逆变模块的底层控制器通过光纤实现与双向变流装置的主控制器通信相连；所述主控制根据接收到的逆变模块的直流侧的电压电流信号进行判断是否发生该逆变模块的短路即近端短路、非该逆变模块短路的远端短路；
短路保护方法为主控制器通过采样电路获得的该双向变流装置的所有逆变模块的直流侧电压与直流侧电流并判断是否发生短路；如果发生短路，立即通过高速光纤向发生短路的逆变模块对应的各个底层控制器输入端发出PWM脉冲封锁信号，同时主控制器的FPGA处理器GPIO口输出信号，再经过光耦继电器输出驱动信号到三相晶闸管整流桥电路驱动端门级，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥，同时主控制器控制该逆变模块的断路器或者/和隔离刀分断，从而保护该逆变模块，同时联跳交直流开关柜中相应的断路器。
进一步地，所述通过采样电路获得的双向变流装置的直流侧电压与直流侧电流判断是否发生短路为：包括以下步骤：
步骤一：根据变压器额定容量Sn、变压器低压侧额定电压Un，计算双向变流装置变压器低压侧额定电流Ik；如下式(1)：
Figure BDA0003673685060000031
步骤二：根据短路阻抗Uk、变压器低压侧额定电流Ik，计算近端低压侧最大短路电流In；如下式(2)：
Figure BDA0003673685060000032
步骤三：根据三相整流电路直流电流Id与交流电流对应关系In，计算短路时直流侧最大电流Idmax，如下式(3)：
Figure BDA0003673685060000033
步骤四：根据功率器件可承受I2 t能力计算短路保护时间t,即得到需要在t时间内检测到短路故障；
步骤五：发生短路故障时立即封锁功率单元的脉冲信号，对应的逆变模块停止运行，同时开通晶闸管回路旁路短路电流，保护双向变流装置的功率单元、联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
进一步地，其中步骤三具体包括以下步骤：
S31:检测近端短路故障：如果直流侧电流Id大于预设的直流电流短路保护阈值Ithr，同时直流电压Ud小于预设的直流电压短路保护阈值Uthr，即判断发生近端短路故障；
S32:检测远端短路故障：检测直流侧电流增量△I及对应的时间△t，计算电流变化率
Figure BDA0003673685060000041
是否大于预设的直流电流变化率保护阈值△Ithr；如果大于，即判断发生远端短路故障；并将远端发生短路故障的信息发送至上位机，上位机发送指令至其下控的所有双向变流装置进行短路故障的排查，直至发现发生短路故障对应的逆变模块；
S33:如果判断发生短路故障，主控制器FPGA通过硬件信号触发短路对应的驱动晶闸管门级信号，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥。
3.有益效果：
(1)本发明中通过在逆变模块并联三相晶闸管整流桥电路，当逆变模块发生短路时，开晶闸管回路开通，能够可靠的保护双向变流装置的功率单元。
(2)本发明中，为了实现对双向变流装置的功率单元可靠保护，将影响因素IGBT自身反并联二极管的短路耐受能力，通过短路故障检测及保护要尽可能的快的方式实现，通过分析直流侧电流增量Delta I及时间t的比值来进行故障判断。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为具体实施例中的直流侧电流过流硬件检测电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
如附图1所示，基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，应用于地铁牵引供电双向变流装置的短路保护；其特征在于：所述双向变流装置包括两组逆变模块；每组逆变模块的直流侧与交流侧均并联短路保护装置；每组逆变模块包括多个逆变模块；所述短路保护装置内设置三相晶闸管整流桥电路；所述三相晶闸管整流桥电路的输入端连接至双向变流装置的直流侧，输出端连接至与双向变流装置输出端相连的电感器的输出端；每个逆变模块的底层控制器通过光纤实现与双向变流装置的主控制器通信相连；所述主控制根据接收到的逆变模块的直流侧的电压电流信号进行判断是否发生该逆变模块的短路即近端短路、非该逆变模块短路的远端短路。
短路保护方法为主控制器通过采样电路获得的该双向变流装置的所有逆变模块的直流侧电压与直流侧电流并判断是否发生短路；如果发生短路，立即通过高速光纤向发生短路的逆变模块对应的各个底层控制器输入端发出PWM脉冲封锁信号，同时主控制器的FPGA处理器GPIO口输出信号，再经过光耦继电器输出驱动信号到三相晶闸管整流桥电路驱动端门级，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥，同时主控制器控制该逆变模块的断路器或者/和隔离刀分断，从而保护该逆变模块，同时联跳交直流开关柜中相应的断路器。
进一步地，所述通过采样电路获得的双向变流装置的直流侧电压与直流侧电流判断是否发生短路为：包括以下步骤：
步骤一：根据变压器额定容量Sn、变压器低压侧额定电压Un，计算双向变流装置变压器低压侧额定电流Ik；如下式(1)：
Figure BDA0003673685060000051
步骤二：根据短路阻抗Uk、变压器低压侧额定电流Ik，计算近端低压侧最大短路电流In；如下式(2)：
Figure BDA0003673685060000052
步骤三：根据三相整流电路直流电流Id与交流电流对应关系In，计算短路时直流侧最大电流Idmax，如下式(3)：
Figure BDA0003673685060000053
步骤四：根据功率器件可承受I2 t能力计算短路保护时间t,即得到需要在t时间内检测到短路故障。
步骤五：发生短路故障时立即封锁功率单元的脉冲信号，对应的逆变模块停止运行，同时开通晶闸管回路旁路短路电流，保护双向变流装置的功率单元、联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
进一步地，其中步骤三具体包括以下步骤：
S31:检测近端短路故障：如果直流侧电流Id大于预设的直流电流短路保护阈值Ithr，同时直流电压Ud小于预设的直流电压短路保护阈值Uthr，即判断发生近端短路故障；
S32:检测远端短路故障：检测直流侧电流增量△I及对应的时间△t，计算电流变化率
Figure BDA0003673685060000061
是否大于预设的直流电流变化率保护阈值△Ithr；如果大于，即判断发生远端短路故障；并将远端发生短路故障的信息发送至上位机，上位机发送指令至其下控的所有双向变流装置进行短路故障的排查，直至发现发生短路故障对应的逆变模块；
S33:如果判断发生短路故障，主控制器FPGA通过硬件信号触发短路对应的驱动晶闸管门级信号，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥。
具体实施例：
本实施例以额定容量2200kVA，电压35kV，短路阻抗为6.7％(全穿越阻抗)；副方两绕组，额定线电压950V为例，原边最大短路电流为541.8A，折算到副边的短路电流为20kA。根据三相不控整流电路直流电流与交流对应关系，系数为0.816，则直流侧电流Id为24.5kA。
Figure BDA0003673685060000062
为了对双向变流装置的功率单元可靠保护，影响因素为IGBT自身反并联二极管的短路耐受能力(I2t)，因此短路故障检测及保护要尽可能的快，直流侧短路电流Id大于预设的直流电流短路保护阈值Ithr，同时直流电压Ud小于预设的直流电压短路保护阈值Uthr，即发生近端短路故障，另外还需要检测远端短路故障。
检测远端短路故障：检测直流侧电流增量及时间，计算电流变化率
Figure BDA0003673685060000063
大于预设的直流电流变化率保护阈值△Ithr，即判断发生远端短路故障。
发生短路故障时立即封锁功率单元的脉冲信号，双向变流***停止运行，同时开通晶闸管回路旁路短路电流，可靠的保护双向变流装置的功率单元、联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
在硬件电路上，如附图2所示，设计了直流侧电流过流硬件检测电路，OC_dc-为直流侧电流，Idc-_OC为硬件过流检测信号，直接输入FPGA的GPIO口，因此短路电流检测电路基本无延时。
在控制***的设计上，控制器采用FPGA芯片。当FPGA检测到短路故障时，则立即封锁IGBT脉冲，同时开通晶闸管回路，同时联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (3)

1.基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，应用于地铁牵引供电双向变流装置的短路保护；其特征在于：所述双向变流装置包括两组逆变模块；每组逆变模块的直流侧与交流侧均并联短路保护装置；每组逆变模块包括多个逆变模块；所述短路保护装置内设置三相晶闸管整流桥电路；所述三相晶闸管整流桥电路的输入端连接至双向变流装置的直流侧，输出端连接至与双向变流装置输出端相连的电感器的输出端；每个逆变模块的底层控制器通过光纤实现与双向变流装置的主控制器通信相连；所述主控制根据接收到的逆变模块的直流侧的电压电流信号进行判断是否发生该逆变模块的短路即近端短路、非该逆变模块短路的远端短路；
短路保护方法为主控制器通过采样电路获得的该双向变流装置的所有逆变模块的直流侧电压与直流侧电流并判断是否发生短路；如果发生短路，立即通过高速光纤向发生短路的逆变模块对应的各个底层控制器输入端发出PWM脉冲封锁信号，同时主控制器的FPGA处理器GPIO口输出信号，再经过光耦继电器输出驱动信号到三相晶闸管整流桥电路驱动端门级，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥，同时主控制器控制该逆变模块的断路器或者/和隔离刀分断，从而保护该逆变模块，同时联跳交直流开关柜中相应的断路器。
2.根据权利要求1所述的基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，其特征在于：所述通过采样电路获得的双向变流装置的直流侧电压与直流侧电流判断是否发生短路为：包括以下步骤：
步骤一：根据变压器额定容量Sn、变压器低压侧额定电压Un，计算双向变流装置变压器低压侧额定电流Ik；如下式(1)：
Figure FDA0003673685050000011
步骤二：根据短路阻抗Uk、变压器低压侧额定电流Ik，计算近端低压侧最大短路电流In；如下式(2)：
Figure FDA0003673685050000012
步骤三：根据三相整流电路直流电流Id与交流电流对应关系In，计算短路时直流侧最大电流Idmax，如下式(3)：
Figure FDA0003673685050000013
步骤四：根据功率器件可承受I2t能力计算短路保护时间t,即得到需要在t时间内检测到短路故障；
步骤五：发生短路故障时立即封锁功率单元的脉冲信号，对应的逆变模块停止运行，同时开通晶闸管回路旁路短路电流，保护双向变流装置的功率单元、联跳直流开关柜、交流开关柜，并报外部直流短路故障。
3.根据权利要求2所述的基于快速短路电流检测的双向变流器直流侧短路保护方法，其特征在于：其中步骤三具体包括以下步骤：
S31:检测近端短路故障：如果直流侧电流Id大于预设的直流电流短路保护阈值Ithr，同时直流电压Ud小于预设的直流电压短路保护阈值Uthr，即判断发生近端短路故障；
S32:检测远端短路故障：检测直流侧电流增量△I及对应的时间△t，计算电流变化率
Figure FDA0003673685050000021
是否大于预设的直流电流变化率保护阈值△Ithr；如果大于，即判断发生远端短路故障；并将远端发生短路故障的信息发送至上位机，上位机发送指令至其下控的所有双向变流装置进行短路故障的排查，直至发现发生短路故障对应的逆变模块；
S33:如果判断发生短路故障，主控制器FPGA通过硬件信号触发短路对应的驱动晶闸管门级信号，短路电流立即旁路至三相晶闸管整流桥。
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