CN106159899A - 地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置及方法，采用通用LCL型并网变流器，每个环路均设置两级传感器，即对于电流采样，设置传感器TA1、TA2，分别测量网侧电感和变流器电感的电流值；对于电压采样，同样设置两级电压采样传感器TV1、TV2，分别测量直流滤波电感前后的电压值。分别将直流滤波电感的电压值和LCL滤波器的电容上的电流值与电压比较阈值和电流比较阈值相比对。当两个值中的任一值大于其比较阈值时，所述内部控制单元立即关闭设备，即进入故障停机状态，同时报相应的传感器故障；当两个值均小于其比较阈值时，传感器正常工作。本发明对故障的传感器进行监测并进行相应保护可以进一步提高设备运行可靠性的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，具体涉及一种地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置及方法。
背景技术
地铁运营中存在列车频繁进站制动，当列车在进行电制动过程中列车的电机会工作在发电机状态，此时列车的动能会转化为电能使得直流牵引网的直流电压上升危及列车用电设备的安全，再生制动能量逆变回馈装置通过检测牵引网的直流电压，判断是否有列车处于进站电制动状态，当检测到直流电压超过设定阈值，则启动并网变流器即主电路将直流侧电能回馈到中压电网中，供给地铁其他用电负荷消纳，达到吸收制动能量同时节能的目的。
地铁能量回馈装置包括主电路、检测部分、控制部分；检测部分包括传感器，主电路的关键是开关元件IGBT，本部分的作用为完成电力的转换，将再生制动时产生的电能转换为交流电能并回馈至中压电网。检测部分主要由传感器组成，其主要作用为检测交流电网的电压、电流、相位，检测直流侧的电压、电流，并将检测到的物理信号转换为弱电信号，将其送入控制单元。控制单元的作用为根据传感器输入的信号和外部输入的信号做出判断，输出PWM信号控制IGBT动作，使其完成电能的转换；控制单元还具有输入输出的接口，接受外部指令信号，并将本系统的状态传给相关的系统。
一般变流器的交流输出滤波器常用形式包括单L滤波器，LC滤波器以及LCL三阶滤波器，由于LCL三阶滤波器相对前两种，具有滤波效果好，滤波器体积小等优点，因此在并网变流器中应用较为广泛。
同时，地铁能量回馈装置的直流侧即输入端与牵引网相连，为了滤除牵引网中的高频纹波，在直流进线端增加了一级直流滤波电感。
能量回馈装置变流器大都采用电压电流双闭环的控制方案，即通过电压传感器采集直流侧电压作外环，电流传感器采集输出的交流电流作内环，其中内环的采集位置可以是网侧电感也可以是变流器侧电感。变流器的输出系统保护一般采用硬件或软件过流的形式来实现，即通过采集传感器信号与保护阈值相比较，当输出超过保护值时设备即封锁脉冲停止工作。然而当电压/电流传感器出现故障时，（包括传感器失效、接线接触不良、断线等故障），硬件及软件保护就起不到应有的保护功能，从而造成设备输出异常，无法实现正确控制，最终导致设备出现IGBT爆炸等严重问题。该问题既造成了设备严重的经济损失，又给厂家声誉带来恶劣影响。目前除了采用可靠性的传感器、连接器外，对该问题暂没有较好的处理方法。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
本发明提供一种在能量回馈装置中，当电压、电流信号传感器故障情况下，如何对故障的传感器进行监测并进行相应保护，从而进一步提高设备运行可靠性的控制方法。
2、技术方案：
为了解决上述技术问题，本发明采取了以下措施。
一种地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置，所述地铁能量回馈装置包括主电
路、检测部分、控制部分；检测部分包括传感器，直流电网输入端与交流电网输出端；其特征在于：所述直流电网输入端设置两级电压传感器，交流电网输出端设置两级电流传感器，所述电压传感器和电流传感器通过数字控制器DSP与主电路控制单元相连接。
相对于传统控制策略中每个环路只设置一级传感器的方法，本发明对于通用LCL型并网变流器，每个环路均设置两级传感器，即对于电流采样，设置电流传感器TA1、TA2，分别测量网侧电感和变流器电感的电流值；对于电压采样，同样设置两级电压传感器TV1、TV2，分别测量直流滤波电感前后的电压值。
第一级电压传感器安装在直流电网侧测量直流电网电压，第二级电压传感器安装在变流器装置侧测量变流器电压，第一级第二级电压传感器之间设置直流滤波电感；所述交流输出端为LCL滤波器输出，第一级电流传感器安装在变流器侧电感上，第二电流传感器安装在电网侧电感上。
所述主电路控制单元为IGBT功率器件开关。
将以上四组传感器对应的交流电流、直流电压二次信号送入数字控制器DSP的A/D采样通道，并通过DSP的软件处理，将以上各模拟量的瞬时值转换为相对应的数字量。其中，双闭环控制策略中，可采用TV1或TV2的值作电压外环的控制量；采用TA1或TA2作电流内环的控制量。在软件中，分别对两组电流量量、电压量的瞬时值作差，并对差值取绝对值，然后分别与各自的比较阈值相比对。当两组差值中的任一值大于其比较阈值时，设备立即封锁IGBT脉冲，进入故障停机状态，同时报相应的传感器故障。从而保证了设备的自身安全稳定。当两组差值均小于其比较阈值时，设备按其正常工作流程运行，实现传感器故障完整的保护。
一种地铁能量回馈装置的传感器故障监测及保护方法，包括以下的步骤：
实时测量所述直流滤波电感的电压值，即输入端两级电压传感器的电压差的绝对值；
实时测量LCL滤波器的电容上的电流值，即输出端两级电流传感器的电流差的绝对值；
分别将直流滤波电感的电压值和LCL滤波器的电容上的电流值与电压比较阈值和电流比较阈值相比对。当两个值中的任一值大于其比较阈值时，所述主电路控制单元立即关闭设备，即进入故障停机状态，同时报相应的传感器故障；当两个值均小于其比较阈值时，传感器正常工作。
电压比较阈值的设定：能量回馈装置直流滤波电感Ld的值通常设计比较小（一般几十至几百微亨），因此在设备启动后，TV1和TV2的数值差别不大，不超过100V，可据此来设定直流侧的比较阈值Uth。
电流比较阈值的设定：TA1，TA2两个电流传感器的电流之差为交流滤波电容电流值Icm，滤波电容电流Icm取决于其端电压Un和电容值Cf，其关系式为：，其中为角频率，由于变流器输出端口电压基本上为固定值，同时系统电感Ls较小，因此电容电压Un基本上保持不变。由于电容值可看作稳定不变，因此电容Ic也基本上保持固定值不变，可据此来设定交流电流阈值It。
3、有益效果：
采用本方案后，基本上可以避免设备由于传感器而出现的炸机情况。首先，只要两组传感器中有一组正常，设备就可根据两者的差值作出正确的保护逻辑。由于传感器本身可靠性较高，假定所采用传感器的可靠性均为P,(P满足条件:0<P<1)，对应的故障率为1-P。
假设在某一时刻闭环电流量TA2传感器出现故障，在传统控制方案下，设备基本上都会出现电流继续增大，软件、硬件保护均失效导致的IGBT爆炸等严重故障。在增加一级传感器TA1后，当TA2故障、TA1正常时，设备会立即封锁脉冲保护，从而确保了设备安全。仅在TA1与TA2同时故障时设备才会出现炸机等严重故障，由于两个传感器相互独立，因此设备的故障率由1-P变为（1-P）2，即故障率变为原来的(1-P)。TV1和TV2的分析与此相同。
举例说明：假定器件的可靠性P为0.99，则安装一级传感器的故障率为1%，采用安装两级及本发明中的控制方法后，传感器故障概率降为原来的1-P，故障率降低至万分之一。可见增加一级传感器后，设备因传感器故障造成的设备炸机等严重问题会大大降低。
附图说明
图1地铁能量回馈装置的电压电流双闭环控制框图
图2基于LCL型地铁能量回馈装置电路图
图3传感器故障监测保护流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示为地铁能量回馈装置的电压电流双闭环控制框图，其中，直流电压参考值为目标控制值，直流电压采样值为进网点电压传感器TV1的采样值，直流电压为作为外环，经电压控制器后的指令为内环电流环的参考，输出电流信号为输出并网电流TA2的采样值。经电流控制器后，作用在被控对象IGBT功率器件上，经滤波后，输出并网电流，实现了电压电流的双闭环。如果直流电压采样传感器或输出电流传感器异常而不进行保护，则外环控制器或内环电流控制器会继续累加，输出不断增大，最终就会造成输出电流过大导致的IGBT炸机问题。
本发明所针对的对象为地铁能量回馈装置，电路拓扑为通用LCL型并网变流器，其电路拓扑如图2所示。
能量回馈装置工作时，通过检测直流侧电网电压，发现电压值高于设备内部的启动阀值时，设备由待机模式转换为回馈模式，将直流侧电能，通过变流器控制，转换为交流电能经过并网升压变压器，送入交流电网，供其他列车或负载使用。
在本发明中如图2所示，TV1,TV2分别测量直流侧电网电压和变流器装置电压，两者之差为直流滤波电感Ld上的电压。交流输出端为LCL滤波器，TA1，TA2分别为安装在变流器侧和网侧电感La,Ls上的电流传感器。两者之差为滤波电容上的电流。通过升压变压器，将转换后的再生制动能量回馈到交流中压电网。
如图3所示为传感器故障监测保护流程图，其中，直流电压传感器1，直流电压传感器2分别为第一、二级电压传感器TV1，TV2，两者均送入控制器中，经采样调理转换后送入DSP的A/D转换单元，转换为数字信号。软件中，将采集到的TV1，TV2的瞬时值作差，并且进行绝对值运算。将该值与比较阈值Uth进行实时对比，如果该差值超过Uth，则可认为其中一路的电压采集量出现异常，从而设备封锁IGBT脉冲，进入故障停机流程；如果该差值小于Uth，则认为两路采样值均正常，设备安装原正常流程继续运行。
交流电流传感器的检测及保护流程与直流电压传感器的流程类似。同样分别采样送入DSP中进行瞬时值作差比较。该差值大于比较阈值Ith则认为其中一路电流采集量出现异常，进入故障停机流程。该差值小于Ith，则认为两路采样值均正常。
只有直流电压、交流电流两组传感器均正常的情况下，设备才解锁脉冲，从而进一步提高了设备运行的可靠性。
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 (5)
1.一种地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置，所述地铁能量回馈装置包括主电路、检测部分、控制部分；检测部分包括传感器，直流电网输入端与交流电网输出端；其特征在于：所述直流电网输入端设置两级电压传感器，交流电网输出端设置两级电流传感器，所述电压传感器和电流传感器通过数字控制器DSP与主电路控制单元相连接。
2.根据权利要求1所述的地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置，其特征在于：第一级电压传感器安装在直流电网侧测量直流电网电压，第二级电压传感器安装在变流器装置侧测量变流器电压，第一级第二级电压传感器之间设置直流滤波电感；所述交流输出端为LCL滤波器输出，第一级电流传感器安装在主电路侧电感上，第二电流传感器安装在电网侧电感上。
3.根据权利要求1所述的地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护装置，其特征在于：所述主电路控制单元为IGBT功率器件开关。
4.一种地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护方法，所述方法利用权利要求1-3任一权利要求所述的装置，其特征在于：包括以下的步骤：
实时测量所述直流滤波电感的电压值，即输入端两级电压传感器的电压差的绝对值；
实时测量LCL滤波器的电容上的电流值，即输出端两级电流传感器的电流差的绝对值；
分别将直流滤波电感的电压值和LCL滤波器的电容上的电流值与电压比较阈值和电流比较阈值相比对；
当两个值中的任一值大于其比较阈值时，所述主电路控制单元立即关闭设备，即进入故障停机状态，同时报相应的传感器故障；当两个值均小于其比较阈值时，传感器正常工作。
5.根据权利要求4所述的地铁能量回馈装置的传感器故障监测保护方法，其特征在于：所述电压比较阈值不超过100V。
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