CN107070251B - 一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法 - Google Patents

一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子系统控制的技术领域，尤其涉及一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法；解决的技术问题为：提供一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法，使铁路净化电源装置能够在不改变现有继电保护规则的前提下，只改变继电保护的动作时限即可顺利、可靠地投入和运行；采用的技术方案为：所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器、电压支撑及滤波电容、放电回路、输出隔离变压器、母线连接断路器、27.5kV降压型的多抽头整流变压器和多电平级联变换器，所述系统包括：特性斜率控制模块、单相接地故障控制模块、大电流短路故障控制模块和硬关断防冲击控制模块；本发明适用于电力系统控制领域。

Description

一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法
技术领域
本发明属于电力电子系统控制的技术领域，尤其涉及一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法。
背景技术
铁路是关系国计民生的重要保障，铁路的高效、可靠、稳定运行，关系到国家战略资源、经济资源以及人力资源的配置，是关乎国民经济发展的重要大动脉。众所周知，电力是保证铁路稳定、可靠运行的重要支撑，而铁路场站、电力贯通线、自闭线的电力供应等，又是铁路信号、行车、调度、防灾预警、现场人员正常生产生活的保障。通常，铁路贯通线、自闭线由铁路沿线公用电网接入，但是铁路行至西藏、新疆、青海等高寒高海拔地区时，常通过几百公里的无人区，该类地区无公用电网建设项目，导致电力贯通线、自闭线等无电源保障。
常规解决措施是从几十甚至上百公里外建设一条电力线路，供给铁路沿线电力贯通、自闭线路，该种方案投资大、成本高、维护难，同时还需要一系列补偿措施保证电压的稳定；从接触网27.5kV利用绕组变压器进行降压使用的方法，由于接触网电压质量不理想，存在机车重载和取流造成的电压波动，导致降压后电压不稳定使电力负荷不能可靠运行甚至不运行。铁路净化电源装置能够实现从接触网27.5kV隔离变换后提供适合电力贯通线、自闭线使用的10kV或35kV电压，但是在实际应用过程中尚缺乏与线路继电保护的协调控制方法。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法，使铁路净化电源装置能够在不改变现有继电保护规则的前提下，只改变继电保护的动作时限即可顺利、可靠地投入和运行，只在最小范围内影响现有继电保护的运行。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种铁路净化电源装置的协同控制系统，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器、电压支撑及滤波电容、交流接触器、放电回路、输出隔离变压器、母线连接断路器、27.5kV降压型的多抽头整流变压器和主要由功率单元组成的多电平级联变换器，所述的协同控制系统包括：特性斜率控制模块：用于当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN；单相接地故障控制模块：用于当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出；大电流短路故障控制模块：用于当铁路净化电源装置的线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出；硬关断防冲击控制模块：用于当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
优选地，所述特性斜率控制模块包括：设定单元)：用于当铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定ku、ko的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于koUN时认定发生低电压告警；计算单元：用于计算公式使tn<tL，若tn>tL，则重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数；输出单元：用于使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
优选地，所述单相接地故障控制模块包括：第一检测单元：用于检测铁路净化电源装置是否发生单相接地故障；第一封锁单元：用于当铁路净化电源装置发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出；第一延时重启单元：用于延时Δt1时间后，重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；第一判断单元：用于判断铁路净化电源装置的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；第二判断单元：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则继续封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出后进入第一延时重启单元，否则，不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压到额定值UN，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；计时单元：用于对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时；第三判断单元：用于判断重启次数等于n后铁路净化电源装置是否运行2个小时，如是，则使铁路净化电源装置停止输出，母线连接断路器跳闸，等待人工重启，否则，使铁路净化电源装置持续输出，若遇人工停机则停止输出。
优选地，所述大电流短路故障控制模块包括：第二检测单元：用于检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置的负荷线路是否发生短路故障；第二封锁单元：用于当铁路净化电源装置发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出；第二延时重启单元：用于延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；第四判断单元：用于判断铁路净化电源装置的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；第五判断单元：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则继续封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出后进入第二延时重启单元，否则，使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；第六判断单元：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直至达到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
优选地，所述硬关断防冲击控制模块包括：第三检测单元：用于检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态；第三封锁单元：用于当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出；第七判断单元：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则给母线连接断路器发送闭合信号，否则，一直等待人工重启；第八判断单元：用于判断母线连接断路器是否闭合，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN，否则，一直等待母线连接断路器闭合。
相应地，一种铁路净化电源装置的协同控制方法，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器、电压支撑及滤波电容、交流接触器、放电回路、输出隔离变压器、母线连接断路器、27.5kV降压型的多抽头整流变压器和主要由功率单元组成的多电平级联变换器，所述的协同控制方法包括：当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN；当铁路净化电源装置发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出；当铁路净化电源装置的线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出；当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
优选地，所述当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN，具体包括以下步骤：S101、当铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定ku、kO的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于kOUN时认定发生低电压告警；S102、计算公式使tn<tL，若tn>tL，则返回步骤S101重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数；S103、使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
优选地，所述当铁路净化电源装置发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出，具体包括以下步骤：S201、检测铁路净化电源装置的负荷线路是否发生单相接地故障；S202、当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出；S203、延时Δt1时间后，重启PWM脉冲；S204、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；S205、判断铁路净化电源装置的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S207；S206、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；S207、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；S208、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S202，否则，执行步骤S209，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；S209、不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；S210、对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时；S211、判断铁路净化电源装置在重启次数n下是否运行满2个小时，如是，则停止运行，执行步骤S212，否则持续运行,如遇人工停机则人工停止。S212、使铁路净化电源装置自身封锁PWM脉冲，不再执行输出，母线连接断路器跳闸。
优选地，所述当铁路净化电源装置的线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出，具体包括以下步骤：S301、检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置的负荷线路是否发生短路故障；S302、当铁路净化电源装置发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出；S303、延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲；S304、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；S305、判断铁路净化电源装置的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S307；S306、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；S307、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；S308、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S302，否则，执行步骤S309；S309、使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；S310、判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
优选地，所述当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，具体包括以下步骤：S401、检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态；S402、当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出；S403、判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则执行步骤S404，否则，一直等待人工重启；S404、给母线连接断路器发送闭合信号；S405、判断母线连接断路器是否闭合，如是，则执行步骤S406，否则，一直等待母线连接断路器闭合；S406、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法，具有控制难度低，技术方案易于实现的优点。将本发明应用到电气化铁道电力供应系统中，可使铁路净化电源装置与线路继电保护协同配合，但不限定继电保护的使用。由于IGBT的动作速度远远快于传统断路器的开关速度，因此在线路故障情况下铁路净化电源装置封锁PWM关断IGBT会先于传统继电保护器动作，即使铁路净化电源装置与线路保护同时检测到故障、同时发出指令，铁路净化电源装置也会先于断路器完成关断。通过本发明的成功应用，可以使铁路净化电源装置实现与继电保护相协同控制，特别是双电源互为主备为线路供电时，保证铁路净化电源装置投入后不影响现有继电保护的使用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统中铁路净化电源装置的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统中铁路净化电源装置的功率单元的结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中特性斜率控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中特性斜率控制方法的原理图；
图6为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中单相接地故障控制方法的流程示意图；
图7为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中大电流短路故障控制方法的流程示意图；
图8为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中硬关断防冲击控制方法的流程示意图；
图中：1为输出平波电抗器，2为电压支撑及滤波电容，3为交流接触器，4为放电回路，5为输出隔离变压器，6为母线连接断路器，7为多抽头整流变压器，8为功率单元，81为单相不控H桥，82为多组并联型储能平波电容，83为单相全控H桥，101为特性斜率控制模块，102为单相接地故障控制模块，103为大电流短路故障控制模块，104为硬关断防冲击控制模块，1011为设定单元，1012为计算单元，1013为输出单元，1021为第一检测单元，1022为第一封锁单元，1023为第一延时重启单元，1024为第一判断单元，1025为第二判断单元，1026为计时单元，1027为第三判断单元，1031为第二检测单元，1032为第二封锁单元，1033为第二延时重启单元，1034为第四判断单元，1035为第五判断单元，1036为第六判断单元，1041为第三检测单元，1042为第三封锁单元，1043为第七判断单元，1044为第八判断单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统中铁路净化电源装置的结构示意图，如图1、图2所示：一种铁路净化电源装置的协同控制系统，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器1、电压支撑及滤波电容2、交流接触器3、放电回路4、输出隔离变压器5、母线连接断路器6、27.5kV降压型的多抽头整流变压器7以及主要由功率单元8组成的多电平级联变换器，所述的协同控制系统包括：特性斜率控制模块101、单相接地故障控制模块102、大电流短路故障控制模块103和硬关断防冲击控制模块104。
由于变压器空投或者停电检修恢复供电时，会产生可高达6～10倍额定电流的励磁电流，为此，提出采用特性斜率控制抑制励磁涌流的方法，因此，所述特性斜率控制模块101用于：当铁路净化电源装置启动或输出重启时，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
具体地，所述特性斜率控制模块101可包括：
设定单元1011：用于当铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定ku、kO的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于kOUN时认定发生低电压告警。
计算单元1012：用于计算公式使tn<tL，若tn>tL，则重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数。
输出单元1013：用于使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
10kV或35kV属于中性点不接地系统或中性点小电流接地系统，当发生单相接地故障时，电力系统允许带一个接地点持续运行1～2小时，因此，所述单相接地故障控制模块102用于：当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出。
具体地，所述单相接地故障控制模块102可包括：
第一检测单元1021：用于检测铁路净化电源装置负荷线路是否发生单相接地故障。
第一封锁单元1022：用于当铁路净化电源装置负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出。
第一延时重启单元1023：用于延时Δt1时间后，重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
第一判断单元1024：用于判断铁路净化电源装置的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1。
第二判断单元1025：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n，如是，则继续封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出后进入第一延时重启单元1023，否则，不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压到额定值UN，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值。
计时单元1026：用于对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时。
第三判断单元1027：用于判断重启次数等于n后铁路净化电源装置是否运行2个小时，如是，则使铁路净化电源装置停止输出，母线连接断路器跳闸，等待人工重启，否则，使铁路净化电源装置持续输出，若遇人工停机则停止输出。
进一步地，对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时后，系统等待人工将铁路净化电源装置停机，人工停机后，断路器跳闸，根据线路保护的告警，线路维护人员到达接地故障现场进行处理，处理完成后再进行人工重启PWM脉冲。
为保护铁路净化电源装置的安全以及实现与线路保护的配合，假设铁路净化电源装置的模拟重合闸次数设定为n，当线路发生两相相间短路、两相接地短路或三相短路时，大电流短路故障控制模块103用于：当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出。
具体地，所述大电流短路故障控制模块103可包括：
第二检测单元1031：用于检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置负荷线路是否发生短路故障。
第二封锁单元1032：用于当铁路净化电源装置负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出。
第二延时重启单元1033：用于延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
第四判断单元1034：用于判断铁路净化电源装置负荷线路的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1。
第五判断单元1035：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则继续封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出后进入第二延时重启单元1033，否则，使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值。
第六判断单元1036：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直至达到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
定义运维人员带负荷拉闸、线路继电保护误跳闸、线路继电保护误重合闸等非净化电源装置控制的母线连接断路器分闸情况为硬关断状态。因此，硬关断防冲击控制模块104用于：当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
具体地，所述硬关断防冲击控制模块104可包括：
第三检测单元(1041)：用于检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态；
第三封锁单元1042：用于当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出；
第七判断单元1043：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则给母线连接断路器发送闭合信号，否则，一直等待人工重启；
第八判断单元1044：用于判断母线连接断路器是否闭合，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN，否则，一直等待母线连接断路器闭合。
由于本实施例利用电力电子器件将接触网27.5kV电压隔离变换为稳定的适用于站内、电力贯通线、自闭线等高压电力线路使用的10kV或35kV电压，通过特性斜率控制、单相接地故障控制、大电流短路故障控制、硬关断防冲击控制实现与继电保护的协调配合为电力线路提供完整、可靠的配置方法，解决了铁路净化电源装置在实际投运过程中与继电保护配合问题。本实施例从控制实现的难易程度、逻辑动作方式的合理性等方面具有明显的优势。
图3为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制系统中铁路净化电源装置的功率单元的结构示意图，具体地，所述功率单元8主要由单相不控H桥81、多组并联型储能平波电容82、单相全控H桥83组成。
相应地，一种铁路净化电源装置的协同控制方法，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器1、电压支撑及滤波电容2、交流接触器3、放电回路4、输出隔离变压器5、母线连接断路器6、27.5kV降压型的多抽头整流变压器7和主要由功率单元8组成的多电平级联变换器，所述的协同控制方法包括：
特性斜率控制方法：当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
单相接地故障控制方法：当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出；
大电流短路故障控制方法：用于当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出；
硬关断防冲击控制方法：当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
图4为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中特性斜率控制方法的流程示意图，图5为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中特性斜率控制方法的原理图，如图4、图5所示，所述当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN，具体包括以下步骤：
S101、当铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定ku、kO的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于kOUN时认定发生低电压告警。
S102、计算公式使tn<tL，若tn>tL，则返回步骤S101重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数。
S103、使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
图6为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中单相接地故障控制方法的流程示意图，如图6所示，所述当铁路净化电源装置负荷侧发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出，具体包括以下步骤：
S201、检测铁路净化电源装置负荷线路是否发生单相接地故障。
S202、当铁路净化电源装置负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出。
S203、延时Δt1时间后，重启PWM脉冲。
S204、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
S205、判断铁路净化电源装置负荷线路的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S207。
S206、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN。
S207、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1。
S208、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S202，否则，执行步骤S209，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值。
S209、不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN。
S210、对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时。
S211、判断铁路净化电源装置在重启次数n下是否运行满2个小时，如是，则停止运行，执行步骤S212，否则持续运行,如遇人工停机则人工停止。
S212、使铁路净化电源装置自身封锁PWM脉冲，不再执行输出，母线连接断路器跳闸。
图7为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中大电流短路故障控制方法的流程示意图，如图7所示，所述当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出，具体包括以下步骤：
S301、检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置的负荷线路是否发生短路故障。
S302、当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出。
S303、延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲。
S304、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
S305、判断铁路净化电源装置负荷线路的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S307。
S306、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN。
S307、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1。
S308、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S302，否则，执行步骤S309。
S309、使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值。
S310、判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
图8为本发明实施例一提供的一种铁路净化电源装置的协同控制方法中硬关断防冲击控制方法的流程示意图，如图8所示，所述当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，具体包括以下步骤：
S401、检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态。
S402、当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出。
S403、判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则执行步骤S404，否则，一直等待人工重启。
S404、给母线连接断路器发送闭合信号。
S405、判断母线连接断路器是否闭合，如是，则执行步骤S406，否则，一直等待母线连接断路器闭合。
S406、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN。
本发明一种铁路净化电源装置的协同控制系统及方法，具有控制难度低，技术方案易于实现的优点。将本发明应用到电气化铁道电力供应系统中，可使铁路净化电源装置与线路继电保护协同配合，但不限定继电保护的使用。由于IGBT的动作速度远远快于传统断路器的开关速度，因此在线路故障情况下铁路净化电源装置封锁PWM关断IGBT会先于传统继电保护器动作，即使铁路净化电源装置与线路保护同时检测到故障、同时发出指令，铁路净化电源装置也会先于断路器完成关断。通过本发明的成功应用，可以使铁路净化电源装置实现与继电保护相协同控制，特别是双电源互为主备为线路供电时，保证铁路净化电源装置投入后不影响现有继电保护的使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种铁路净化电源装置的协同控制系统，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器、电压支撑及滤波电容、交流接触器、放电回路、输出隔离变压器、母线连接断路器、27.5kV降压型的多抽头整流变压器和主要由功率单元组成的多电平级联变换器，其特征在于：所述的协同控制系统包括：
特性斜率控制模块(101)：用于当铁路净化电源装置启动或输出重启时，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN；
单相接地故障控制模块(102)：用于当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出；
大电流短路故障控制模块(103)：用于当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出；
硬关断防冲击控制模块(104)：用于当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种铁路净化电源装置的协同控制系统，其特征在于：所述特性斜率控制模块(101)包括：
设定单元(1011)：用于铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定kO、ku的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于kOUN时认定发生低电压告警；
计算单元(1012)：用于计算公式使tn<tL，若tn>tL，则重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置按照设定值实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数；
输出单元(1013)：用于使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
3.根据权利要求2所述的一种铁路净化电源装置的协同控制系统，其特征在于：所述单相接地故障控制模块(102)包括：
第一检测单元(1021)：用于检测铁路净化电源装置负荷线路是否发生单相接地故障；
第一封锁单元(1022)：用于当铁路净化电源装置负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出；
第一延时重启单元(1023)：用于延时Δt1时间后，重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；
第一判断单元(1024)：用于判断铁路净化电源装置的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；
第二判断单元(1025)：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n，如是，则继续封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出后进入第一延时重启单元(1023)，否则，不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压到额定值UN，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；
计时单元(1026)：用于对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时；
第三判断单元(1027)：用于判断重启次数等于n后铁路净化电源装置是否运行2个小时，如是，则使铁路净化电源装置停止输出，母线连接断路器跳闸，等待人工重启，否则，使铁路净化电源装置持续输出，若遇人工停机则停止输出。
4.根据权利要求2所述的一种铁路净化电源装置的协同控制系统，其特征在于：所述大电流短路故障控制模块(103)包括：
第二检测单元(1031)：用于检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置负荷线路是否发生短路故障；
第二封锁单元(1032)：用于当铁路净化电源装置负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出；
第二延时重启单元(1033)：用于延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；
第四判断单元(1034)：用于判断铁路净化电源装置负荷线路的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；
第五判断单元(1035)：用于当将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1后，判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则继续封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出后进入第二延时重启单元(1033)，否则，使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；
第六判断单元(1036)：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直至达到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
5.根据权利要求2所述的一种铁路净化电源装置的协同控制系统，其特征在于：所述硬关断防冲击控制模块(104)包括：
第三检测单元(1041)：用于检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态；
第三封锁单元(1042)：用于当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出；
第七判断单元(1043)：用于判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则给母线连接断路器发送闭合信号，否则，一直等待人工重启；
第八判断单元(1044)：用于判断母线连接断路器是否闭合，如是，则使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN，否则，一直等待母线连接断路器闭合。
6.一种铁路净化电源装置的协同控制方法，所述铁路净化电源装置包括：输出平波电抗器、电压支撑及滤波电容、交流接触器、放电回路、输出隔离变压器、母线连接断路器、27.5kV降压型的多抽头整流变压器和主要由功率单元组成的多电平级联变换器，其特征在于：所述的协同控制方法包括：
当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN；
当铁路净化电源装置的负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出；
当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出；
当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压。
7.根据权利要求6所述的一种铁路净化电源装置的协同控制方法，其特征在于：所述当铁路净化电源装置启动或输出重启后，使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN，具体包括以下步骤：
S101、当铁路净化电源装置启动或输出重启前，设定kO、ku的值，其中，当铁路净化电源装置的输出电压低于kOUN时认定发生低电压告警；
S102、计算公式使tn<tL，若tn>tL，则返回步骤S101重新设定ku的值，其中，UO＜0.1UN，tn为铁路净化电源装置的输出电压从初始值UO输出到kOUN的时间，tL为铁路净化电源装置中线路低电压保护的动作时限，ku为铁路净化电源装置按照设定实际输出电压的斜率，其取值范围大于0，k0为继电保护装置低电压保护参数；
S103、使铁路净化电源装置的输出电压按照斜率ku，从初始值UO渐变上升到达额定值UN。
8.根据权利要求7所述的一种铁路净化电源装置的协同控制方法，其特征在于：所述当铁路净化电源装置负荷侧发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数等于设定值后非人工停机状态下再输出运行2小时为止或者单相接地故障消失继续持续输出，具体包括以下步骤：
S201、检测铁路净化电源装置负荷线路是否发生单相接地故障；
S202、当铁路净化电源装置负荷线路发生单相接地故障时，封锁多电平级联变换器的PWM脉冲，禁止输出；
S203、延时Δt1时间后，重启PWM脉冲；
S204、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；
S205、判断铁路净化电源装置负荷线路的单相接地故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S207；
S206、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；
S207、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；
S208、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S202，否则，执行步骤S209，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；
S209、不再封锁PWM脉冲，使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；
S210、对铁路净化电源装置的单相接地故障时间进行计时；
S211、判断铁路净化电源装置在重启次数n下是否运行满2个小时，如是，则停止运行，执行步骤S212，否则持续运行,如遇人工停机则人工停止；
S212、使铁路净化电源装置自身封锁PWM脉冲，不再执行输出，母线连接断路器跳闸。
9.根据权利要求7所述的一种铁路净化电源装置的协同控制方法，其特征在于：所述当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出一段时间再重启三相PWM脉冲，然后使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，直到重启次数大于设定值时停止输出或者短路故障消失持续输出，具体包括以下步骤：
S301、检测铁路净化电源装置的输出电流，判定铁路净化电源装置的负荷线路是否发生短路故障；
S302、当铁路净化电源装置的负荷线路发生短路故障时，封锁多电平级联变换器三相的PWM脉冲，禁止输出；
S303、延时Δt2时间后，重启三相PWM脉冲；
S304、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压；
S305、判断铁路净化电源装置负荷线路的短路故障是否消失，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常为线路供电，否则，执行步骤S307；
S306、使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN；
S307、将铁路净化电源装置的模拟重合闸次数加1；
S308、判断铁路净化电源装置的模拟重合闸次数是否小于n,如是，则返回步骤S302，否则，执行步骤S309；
S309、使铁路净化电源装置封锁PWM脉冲，母线连接断路器跳闸，其中，n为预先设定的铁路净化电源装置的模拟重合闸次数上限值；
S310、判断铁路净化电源装置是否被人工重启PWM脉冲，如是，则使铁路净化电源装置输出电压到额定值UN后正常运行，否则，一直等待人工重启。
10.根据权利要求7所述的一种铁路净化电源装置的协同控制方法，其特征在于：所述当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出，直到母线连接断路器闭合，使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压，具体包括以下步骤：
S401、检测母线连接断路器的状态，判定所有非铁路净化电源装置本身控制的母线连接断路器跳闸均为硬关断状态；
S402、当母线连接断路器的状态为硬关断状态时，封锁三相PWM脉冲，禁止输出；
S403、判断铁路净化电源装置是否被人工重启，如是，则执行步骤S404，否则，一直等待人工重启；
S404、给母线连接断路器发送闭合信号；
S405、判断母线连接断路器是否闭合，如是，则执行步骤S406，否则，一直等待母线连接断路器闭合；
S406、使铁路净化电源装置按特性斜率控制输出电压直至达到额定值UN。
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