CN108957217A - 交直交供电系统控制与保护方法 - Google Patents

交直交供电系统控制与保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交直交供电系统，特别涉及用于机车、动车、风电的交直交供电系统，具体为交直交供电系统控制与保护方法。解决现有交直交供电系统缺少可用于算法及控制的信号线错接判定方法的问题。本发明通过对输入电流进行正负偏差累计检测可实现故障保护报警，降低变流器在运行过程中出现故障的风险，降低因人为疏忽或工艺引起的启动过电流，提高模块承受风险的能力。本发明所述的判定方法适用于机车、动车的交直交供电系统；也适用于风电交直交系统回路中，或其它交直交供电系统，用以提高系统的可靠性，降低因工艺、布线引发的不必要的故障。

Description

交直交供电系统控制与保护方法
技术领域
本发明涉及交直交供电系统，特别涉及用于机车、动车、风电的交直交供电系统，具体为交直交供电系统控制与保护方法。
背景技术
机车、动车等交直交供电系统主回路由受电工、牵引变压器、牵引变流器、电机等几大部件组成，而位于牵引变流器内部的器件包括预充电回路、单相PWM整流单元、直流电容、三相逆变电路、冷却系统、信号采集等组成，对于电机和变流器的控制所用到的传感器，位于变流器内部的有整流输入传感器，直流母线电压传感器、逆变输出电流传感器、接地电压传感器，而与风电、光伏变频器相不同的是，检测网侧电压装置因系统的特殊性并不在牵引变流柜内安置，且牵引变流器和网侧电压检测装置由不同的厂家提供，导致在系统集成时可能造成信号线接线错误，引起变流器启动过电流，甚至模块故障。
当牵引变流柜在进行例行试验和地面联调试验时，也可能因外接网压检测装置送入变流器的信号线接反或者变流器内部整流侧电流传感器接反引起启动故障，现在现场实验可以通过实际的预充电电流来判断信号线是否有反接，但对于经验不足的调试人员依然存在风险，所以需要发明一种可以通过程序自检控制功能，自动报出信号线是否反接这一故障，或通过软件处理来规避接线的错误。
在风电等交直交应用的系统回路中，也可能因外接网压检测装置送入变流器的信号线接反或者变流器内部整流侧电流传感器接反引起启动故障，因此，也需要一种交直交供电系统防信号线反接的判定方法，用以提高系统的可靠性，降低因工艺、布线引发的不必要的故障，甚至导致模块的损坏。
总之，在机车、动车、风电等交直交供电系统的回路中，传感器采集模拟信号送入控制单元用于算法实现及牵引控制，控制单元对传感器采集的信号是有正负、相位要求的，但在实际操作中不可避免的存在传感器安装接反，信号线引入控制单元接反等误操作，这些失误都会引起控制的错乱、甚至模块的损坏，因此不可避免的需要发明一种可以检测这种信号线反接的方法，用于判断信号线是否反接，自动提示反接故障，降低这种人为因素引起的故障，提高设备的运行可靠性。
发明内容
本发明解决现有交直交供电系统缺少可用于算法及控制的信号线错接判定方法的问题，提供一种交直交供电系统控制与保护方法，用于交直交供电系统，网侧整流单元的电压传感器、电流传感器安装接反，电压或电流传感器信号线接反的判定及保护。
本发明是采用如下技术方案实现的：交直交供电系统控制与保护方法
交直交供电系统包括可控PWM整流单元和可控PWM逆变单元，PWM整流单元实现对网压侧电压的单位功率因数控制和稳定直流母线的目的，PWM逆变单元实现对输出电压的变压变频控制，其中PWM整流单元在实现功能时需要用到网压传感器或网压集成检测仪实现对网压信号的检测，需要用电流传感器检测网侧输入电流，且对传感器的方向和信号线正反接法有严格要求，以实现对电网信号的锁定及跟踪；
网侧供电回路主要由网侧主断路器、预充电接触器和工作接触器组成，检测回路由位于主断路器前的网压互感器和位于变流器中的输入端电流互感器组成，在满足闭合主断的条件后，主断路器先闭合，然后预充电接触器再闭合，当母线电压达到要求的值之后，工作接触器闭合，确认工作接触器闭合后，最后断开预充电接触器，预充电过程结束，信号线反接保护在这个过程中进行反接保护判断，预充电接触闭合与否会有一个反馈信号，工作接触器闭合与否也会有一个反馈信号，反馈信号为1表示接触器闭合，为0表示接触器断开；
因需要对网压信号进行相位跟踪，所以整流回路控制单元都有锁相环存在，用于采集网压信号的相位信息，电流传感器检测网侧电流瞬时值；
在预充电接触器闭合，工作接触器断开期间，对电流采样值按相位要求进行正向累加处理和负向累加处理；
在预充电接触器断开、工作接触器闭合期间，对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量；
当电流正负向偏差增量是一个负值且小于设定保护值时，判定网压传感器或网压集成检测仪、电流传感器安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定为信号线反接；电流正负向偏差增量是一个正值，判定网压传感器或网压集成检测仪、电流传感器安装方向及信号线接线方向正确。
进一步地，在网侧电压的0.1—3.1的相位区间，对电流采样值进行正向累加处理(即在网侧电压的0.1—3.1的相位区间，对多次电流瞬时采样值相加)；在网侧电压的3.14—6的相位区间，对电流采样值进行负向累加处理(即在网侧电压的3.14—6的相位区间，对多次电流瞬时采样值相加)。
同时，当判定为出现信号线反接，报出故障后，可通过对网压信号在控制系统中进行取反处理，即对采样得到的信号乘以‐1。取反处理后，控制系统再通过以上操作重新判断，如果判断后没有故障，那么系统就可以正常运行。
为了避免控制系统在控制电源掉电后信息丢失，控制系统丢失了对网压信号取反的处理，开辟出了一块掉电信息不丢失的存储空间，将取反变量Reverse_flag存入其中。当控制系统中对网压信号进行取反处理，Reverse_flag＝‐1，当软件中没有对网压信号进行取反处理Reverse_flag＝1。将Reverse_flag的值存在该掉电信息不丢失的存储空间中。每次控制系统启动时，先从该空间中调出Reverse_flag的值，将其与采样得到的网压信号相乘。
本发明通过对输入电流进行正负偏差累计检测可实现故障保护报警，降低变流器在运行过程中出现故障的风险，降低因人为疏忽或工艺引起的启动过电流，提高模块承受风险的能力。本发明所述的判定方法适用于机车、动车的交直交供电系统；也适用于风电交直交系统回路中，或其它交直交供电系统，用以提高系统的可靠性，降低因工艺、布线引发的不必要的故障。
附图说明
图1所示为电力机车交直交供电系统的主回路电路原理图；
图2所示为电力机车交直交供电系统的牵引控制单元的接线图；
图3所示为电力机车四象限控制原理图；
图4所示为风电交直交供电系统的主回路原理图。
具体实施方式
实施例1：电力机车交直交供电系统控制与保护方法及电力机车四象限控制，
电力机车四象限控制系统及保护功能通过DSP芯片中的控制软件来实现。电力机车四象限控制及该保护方法所对应的防反接保护软件在同一个中断程序中运行，中断频率与开关频率一致。
电力机车四象限控制及防接反保护软件中的基本功能有采样功能、信号线接反检测与保护功能，四象限控制算法功能和PWM调制功能。
四象限控制算法功能(如图3所示)包括：对电网电压幅值和相位进行跟踪的锁相环PLL；直流母线电压控制器PI；交流侧电流控制器PR。图3为控制功能的基本框图。
PWM调制功能中，由于整流器单元交流端输出电压为两桥臂输出电压之差，因此进行PWM调制时，只要a、b两个桥臂的参考电压之差等于所需的参考电压即可，而对两个桥臂各自的参考电压没有特殊要求。可以使a、b桥臂的参考电压关于调制波的中值对称，对两桥臂分别调制，得到两个桥臂各自的参考电压如下：
按照这种方式，对PWM脉冲进行调制。
PWM的开关频率可以随着工况的不同而变化，当电力机车带载运行时，四象限部分电流较大，因散热条件的限制，这时开关频率较低，假设这时开关频率为a(Hz)；当电力机车空载运行时，四象限部分电流较小，这时如开关频率较低则电流谐波较大，因此这时可以提升四象限的开关频率至b(Hz)，b>a。由于开关频率的变化，这时中断周期由1/a(s)变为1/b(s)。PWM的开关频率会随着负载的变化而变化，以降低系统的电流谐波。
PWM的开关频率的变化时刻要在电流过零点时进行，避免有较大的冲击。但过零点的检测并不会很准确，因此当电流值小于绝对值|c|，就可以进行开关频率的变化，C是一个接近零的数值，可根据需要任意选取。
如上所说，采样功能、信号线接反检测与保护功能，四象限控制算法功能和PWM调制功能全部在同一个中断程序中进行，PWM的开关频率的变化使得中断周期发生变化，从而会对其他的环节产生影响，因此采样功能要调整采样的滤波系数，信号线接反检测与保护功能要调整判断故障的阈值(设定保护值)，四象限控制算法需要调整PI参数、滤波系数以及PR调节器参数。
相关参数应对PWM开关频率的变化而发生的调整，可以通过查表法或公式法进行。查表法原理如下：因为PWM开关频率的变化范围并不大，通过建立不同开关频率下相关控制参数(采样的滤波系数，信号线接反检测与保护功能要调整判断故障的阈值，四象限控制算法需要调整PI参数、滤波系数以及PR调节器参数)的表格，在PWM开关频率发生变化时查表就可以了。
图1是电力机车交直交供电系统的主回路电路原理图，机车通过两个高压断路器QS1、QS2的断开与否选择用受电弓AP1还是受电弓AP2获取电能，原边侧的高压电流互感器GTA1用于保护。主变流器器内部的输入电流传感器ACTA1检测网侧输入电流用于牵引控制，预充电接触器AK1和工作接触器KI，都有辅助触点信号送入牵引控制单元TCU，用于检测接触器的闭合状态。
图2是一种机车用电压、电流信号采集示意图，网压信号通过高压电压互感器GTV1检测，GTV1变比一般为35000/100，送入牵引变流器后再经过降压变压器TR1降压送入牵引控制单元TCU，TR1变比可为100/5，这种一路信号经过多级对接转换后才用于整流控制，易于发生信号线接错的故障。
可逆PWM整流控制能实现网侧单位功率因数运行，因此需要对网压信号进行相位跟踪，一般整流回路控制单元都有锁相环存在，机车为单相供电，应用于机车控制的单相锁相环有多种实现方案，任何锁相环都会输出一个相位信息PLL_Theta，范围为0到6.28，输入电流传感器检测网侧电流瞬时值Ia。
在预充电接触器AK1闭合Flag_Precharge＝1，工作接触器K1断开Flag_WorkContact＝0期间，对网侧电流瞬时值Ia进行正向累加处理，即在相位信息PLL_Theta从0.1到3.1之间时，使得电流正向累加值Ia_Sum_Positve为网侧电流瞬时值Ia的多周期采样值累加之和,这样会得到一个数值为正的累加量用于判断。
在预充电接触器AK1闭合Flag_Precharge＝1，工作接触器K1断开Flag_WorkContact＝0期间，对网侧电流瞬时值Ia进行负向累加处理，即在相位信息PLL_Theta在3.14到6之间时，使得电流负向累加值Ia_Sum_Negive为网侧电流瞬时值Ia的多周期采样值累加之和,这样会得到一个数值为负的累加量用于判断。
在预充电接触器AK1断开Flag_Precharge＝0，工作接触器K1闭合Flag_WorkContact＝1期间，对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量Ia_Sum_Biase，用这个偏差增量来做判断，Ia_Sum_Biase是电流正向累加值与电流负向累加值之差。
当检测到电流正负向偏差增量Ia_Sum_Biase是一个负值，且小于设定保护值Ia_Sum_Set时，判定电压互感器GTV1、电流传感器ACTA1采样单元安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定为出现信号线反接。
设定保护值Ia_Sum_Set与PWM开关频率有关，PWM开关频率越高，采样次数越高，因此设定保护值Ia_Sum_Set的绝对值越大，设定保护值Ia_Sum_Set的绝对值与PWM开关频率成正比关系。作为一个实例，当开关频率为450时，设定保护值Ia_Sum_Set为‐180。通过查表法可以根据开关频率得到保护值Ia_Sum_Set的值。
当判定为出现信号线反接，报出故障后，可通过对网压信号在控制系统中进行取反处理，即对采样得到的信号乘以‐1。取反处理后，控制系统再通过以上操作重新判断，如果判断后没有故障，那么四象限就可以正常运行。
为了避免控制系统在控制电源掉电后信息丢失，控制系统丢失了对网压信号取反的处理，开辟出了一块掉电信息不丢失的存储空间，将取反变量Reverse_flag存入其中。当控制系统中对网压信号进行取反处理，Reverse_flag＝‐1，当软件中没有对网压信号进行取反处理Reverse_flag＝1。将Reverse_flag的值存在该掉电信息不丢失的存储空间中。每次控制系统启动时，先从该空间中调出Reverse_flag的值，将其与采样得到的网压信号相乘。
实施例2：风电交直交供电系统控制与保护方法
图4是风电交直交供电系统主回路原理图，工作接触器KM1和预充电接触器KM2，都有辅助触点信号送入控制单元，用于检测接触器的闭合状态。电压传感器TV1、TV2和电流传感器TA1、TA2用于检测网侧电压和电流，完成整流控制，电流传感器安装时要穿过铜排进行测量，安装方向要与电流流向相同。
风电变频器为U、V、W三相供电系统，整流侧预充电回路不采用三相同时预充电，而采用单相预充电，这样做可以减少预充电电阻的数量，降低设计成本。最好在预充电所选的回路安装电流传感器，可以使得任何一个电流传感器都能用于信号线反接保护。本实施例用v相为例子进行测试。
风电变频器为U、V、W三相供电系统，电压传感器检测的网压为网侧线电压，需将网侧线电压经过变换，变成三相相电压用于三相锁相环计算，其锁相环也会输出一个相位信息PLL_Theta，范围为0到6.28，输入电流传感器检测网侧相电流瞬时值IV。
若电流传感器接在U相、V相上，则采用IU、IV相电流进行判断，这时用到的相位信息分别为PLL_Theta_U、PLL_Theta_V，PLL_Theta_U的相位信息同锁相环的输出一样，是PLL_Theta，而PLL_Theta_V这个相位信息则需要对锁相环的输出PLL_Theta经过120移相后，再进行2π归一化处理，才能用于保护判断。如果电流传感器接在W相，则原理与上面一样。
下面以V相为例子进行保护的说明，在预充电接触器闭合Flag_Precharge＝1，工作接触器断开Flag_WorkContact＝0期间，对电流采样值进行正向累加处理，即在相位信息PLL_Theta_V从0.1到3.1之间时，使得电流正向累加值IV_Sum_Positve为网侧电流瞬时值IV的多周期采样值累加之和,这样会得到一个数值为正的累加量用于判断。
在预充电接触器闭合Flag_Precharge＝1，工作接触器断开Flag_WorkContact＝0期间，对电流采样值进行负向累加处理，即在相位信息PLL_Theta_V在3.14到6之间时，使得电流负向累加值IV_Sum_Negive为网侧电流瞬时值IV的多周期采样值累加之和,这样会得到一个数值为负的累加量用于判断。
在预充电接触器断开Flag_Precharge＝0，工作接触器闭合Flag_WorkContact＝1期间，对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量IV_Sum_Biase，用这个偏差增量来做判断，IV_Sum_Biase是电流正向累加值与电流负向累加值之差。
当检测到电流正负向偏差增量IV_Sum_Biase是一个负值，且小于设定保护值IV_Sum_Set时，判定电压传感器、电流传感器采样单元安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定信号线反接。作为一个实例设定保护值IV_Sum_Set为‐150。当检测到电流正负向偏差增量IV_Sum_Biase是一个正值，判定电压传感器、电流传感器采样单元安装方向及信号线接线方向正确。

Claims (10)

1.一种交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，
用网压传感器或网压集成检测仪对网压信号检测，用电流传感器检测网侧输入电流；
整流回路控制单元有锁相环存在，用于采集网压信号的相位信息，电流传感器检测网侧电流瞬时值；
对电流采样值按相位要求进行正向累加处理和负向累加处理；
对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量；
当电流正负向偏差增量是一个负值且小于设定保护值时，判定网压传感器或网压集成检测仪、电流传感器安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定为信号线反接。
2.根据权利要求1所述的交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，在网侧电压的0.1—3.1的相位区间，对电流采样值进行正向累加处理；在网侧电压的3.14—6的相位区间，对电流采样值进行负向累加处理。
3.一种电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，电流传感器ACTA1检测网侧输入电流用于牵引控制，预充电接触器AK1和工作接触器KI，都有辅助触点信号送入牵引控制单元TCU，用于检测接触器的闭合状态；
网压信号通过电压互感器GTV1检测；
整流回路控制单元都有锁相环存在，锁相环输出一个相位信息PLL_Theta，范围为0到6.28，输入电流传感器检测网侧电流瞬时值Ia；
在预充电接触器AK1闭合，工作接触器K1断开期间，对网侧电流瞬时值Ia进行正向累加处理，即在相位信息PLL_Theta从0.1到3.1之间时，使得电流正向累加值Ia_Sum_Positve为网侧电流瞬时值Ia的多周期采样值累加之和；
在预充电接触器AK1闭合，工作接触器K1断开期间，对网侧电流瞬时值Ia进行负向累加处理，即在相位信息PLL_Theta在3.14到6之间时，使得电流负向累加值Ia_Sum_Negive为网侧电流瞬时值Ia的多周期采样值累加之和；
在预充电接触器AK1，工作接触器K1闭合期间，对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量Ia_Sum_Biase；
当检测到电流正负向偏差增量Ia_Sum_Biase是一个负值，且小于设定保护值Ia_Sum_Set时，判定电压互感器GTV1、电流传感器ACTA1采样单元安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定为出现信号线反接。
4.根据权利要求3所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，设定保护值Ia_Sum_Set的绝对值与PWM开关频率成正比关系，通过查表法根据开关频率得到保护值Ia_Sum_Set的值。
5.根据权利要求3或4所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，所述方法通过DSP芯片中的软件控制来实现；电力机车四象限控制及该方法所对应的防反接保护软件在同一个中断程序中运行，中断频率与开关频率一致；电力机车四象限控制及防接反保护软件中的功能有采样功能、信号线接反检测与保护功能，四象限控制算法功能和PWM调制功能。
6.根据权利要求5所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，当判定为出现信号线反接，报出故障后，可通过对网压信号在控制系统中进行取反处理，即对采样得到的信号乘以‐1；取反处理后，控制系统再重新判断，如果判断后没有故障，那么四象限进行正常运行。
7.根据权利要求6所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，为了避免控制系统在控制电源掉电后信息丢失，控制系统丢失了对网压信号取反的处理，开辟出一块掉电信息不丢失的存储空间，将取反变量Reverse_flag存入其中；当控制系统中对网压信号进行取反处理，Reverse_flag＝‐1，当软件中没有对网压信号进行取反处理Reverse_flag＝1；将Reverse_flag的值存在该掉电信息不丢失的存储空间中，每次控制系统启动时，先从该空间中调出Reverse_flag的值，将其与采样得到的网压信号相乘。
8.根据权利要求7所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，PWM的开关频率随着工况的不同而变化，当电力机车带载运行时，这时开关频率较低，假设这时开关频率为a(Hz)；当电力机车空载运行时，四象限部分电流较小，这时如开关频率较低则电流谐波较大，因此这时可以提升四象限的开关频率至b(Hz)，b>a；由于开关频率的变化，这时中断周期由1/a(s)变为1/b(s)；PWM的开关频率会随着负载的变化而变化，以降低系统的电流谐波；PWM的开关频率的变化时刻要在电流过零点时进行，避免有较大的冲击；但过零点的检测并不会很准确，因此当电流值小于绝对值|c|，就可以进行开关频率的变化。
9.根据权利要求5所述的电力机车交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，采样功能、信号线接反检测与保护功能、四象限控制算法功能和PWM调制功能全部在同一个中断程序中进行，PWM的开关频率的变化使得中断周期发生变化，因此采样功能要调整采样的滤波系数，信号线接反检测与保护功能要调整判断故障的设定保护值，四象限控制算法需要调整PI参数、滤波系数以及PR调节器参数；
相关参数应对PWM开关频率的变化而发生的调整通过查表法进行；通过建立不同开关频率下采样的滤波系数，信号线接反检测与保护功能的设定保护值，四象限控制算法的PI参数、滤波系数以及PR调节器参数的表格，在PWM开关频率发生变化时通过查表得到相关控制参数的值。
10.一种风电交直交供电系统控制与保护方法，其特征在于，
电压传感器TV1、TV2和电流传感器TA1、TA2用于检测网侧电压和电流，工作接触器KM1和预充电接触器KM2，都有辅助触点信号送入控制单元；
风电变频器为U、V、W三相供电系统，整流侧预充电回路采用单相预充电，在预充电所选的回路安装电流传感器；
电压传感器检测的网压为网侧线电压，将网侧线电压变成相电压用于三相锁相环计算，锁相环输出一个相位信息PLL_Theta，范围为0到6.28，电流传感器检测网侧相电流瞬时值IV；
在预充电接触器KM2闭合，工作接触器KM1断开期间，对电流采样值进行正向累加处理，即在相位信息PLL_Theta_V从0.1到3.1之间时，使得电流正向累加值IV_Sum_Positve为网侧电流瞬时值IV的多周期采样值累加之和；
在预充电接触器KM2闭合，工作接触器KM1断开期间，对电流采样值进行负向累加处理，即在相位信息PLL_Theta_V在3.14到6之间时，使得电流负向累加值IV_Sum_Negive为网侧电流瞬时值IV的多周期采样值累加之和；
在预充电接触器KM2断开，工作接触器KM1闭合期间，对电流正负累加量进行差值计算，求取一个电流正负向偏差增量IV_Sum_Biase；
当检测到电流正负向偏差增量IV_Sum_Biase是一个负值，且小于设定保护值IV_Sum_Set时，判定电压传感器、电流传感器采样单元安装方向及信号线接线方向中的任何一个不正确，即判定信号线反接。
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