CN109466334A - 一种高铁再生制动能量存储系统保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁再生能量存储系统保护方法。再生能量存储系统包括牵引供电系统、四象限变流器系统和双向DC/DC变换器及超级电容组系统。保护方法包括步骤：在各系统关键位置安装检测传感器；控制模块判定故障发生位置及类型；根据故障类型进行跳闸、重合闸及联跳保护动作。本发明的有益效果在于，在高铁再生制动能量存储系统关键位置布置检测传感器，通过控制模块统一管理，完成了对高铁再生制动能量存储系统的保护，填补了该系统保护方法的空缺；通过设计控制模块中故障检测及保护联跳逻辑，可以对高铁再生制动能量存储系统在不同运行情况下发生的不同类型故障进行及时准确的处理。

Description

一种高铁再生制动能量存储系统保护方法

技术领域

本发明涉及牵引供电系统领域，特别是一种高铁再生制动能量存储系统保护方法。

背景技术

高铁再生制动能量存储系统作为高速铁路电力机车再生能量的回收利用装置，可以实现电力机车制动时再生制动能量的存储，在电力机车牵引时再将存储的电能回馈到牵引网供机车牵引使用，同时还能抑制谐波、治理负序问题。但是，系统在运行过程中可能会出现过电流、过电压等故障，轻则导致再生制动能量存储系统失效，重则会影响牵引供电系统的正常运行。因此，设计高铁再生制动能量存储系统的故障保护方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铁再生制动能量存储系统保护方法，实现设备故障不影响牵引供电系统供电、牵引供电系统故障设备自保护的功能。

实现本发明目的的技术方法如下：

一种高铁再生制动能量存储系统保护方法，包括

步骤(1)，在高铁再生制动能量存储系统关键位置处设置检测传感器，在牵引供电系统与再生制动能量存储系统之间，再生制动能量存储系统各子系统之间，各级联变流器组之间及各级联超级电容组之间设置开关柜；所述关键位置包括：牵引供电系统馈电线出线口、桥臂连接降压变压器初级次级端口、四象限变流器输入输出端、四象限变流器IGBT元件、四象限变流器直流侧串联谐振电路元件、四象限变流器直流侧支撑电容、双向DC/DC变换器输入输出端、双向DC/DC变换器IGBT元件、超级电容模块输出端及单组超级电容端；所述再生制动能量存储系统子系统包括四象限变流器系统，双向DC/DC变换器及超级电容组系统；所述各开关柜通过控制模块统一控制管理；

步骤(2)，检测传感器采集实时电气量，控制模块对输入信号进行越限判断，确定系统的运行状态和故障信息；

步骤(3)，对于系统不同的故障类型、故障位置及故障发生时系统的运行状态，控制模块发出告警信号或跳闸信号，若不同系统同时产生故障，则按照牵引供电系统>四象限变流器系统>双向DC/DC变换器及超级电容组系统的优先级顺序进行保护动作；若有跳闸信号产生，则控制系统根据系统运行状态选择是否进行联跳动作；设定重合闸优先级为牵引供电系统与再生制动能量存储系统连接开关柜>子系统间连接开关柜>各多重化模组间连接开关柜，断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行；其中多重化变流器、多重化超级电容投入方式为逐级投入，若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

进一步地，步骤(2)检测传感器所采集的实时检测量包括：牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流、四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压、双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、超级电容组端电压，单组超级电容端电压；

牵引供电系统故障的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自牵引供电系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号进行越限判断，任一信号越限都将判定为故障状态；故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制本系统与再生能量存储系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳再生能量存储系统各子系统间连接开关柜，控制相应开关柜中低压断路器断开，实现子系统自保护功能；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；

四象限变流器系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自四象限变流器系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号；当本系统发生可容错运行故障时，控制模块控制与故障变流器组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜；当本系统发生不可容错运行故障时，控制模块控制本系统与牵引供电系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜，断开其中的低压断路器，实现与牵引供电系统的隔离；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；

双向DC/DC变换器及超级电容组系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自双向DC/DC变换器及超级电容组系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、超级电容组端电压，单组超级电容端电压；

(2)控制模块检测系统运行状态并对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号；当本系统发生可容错运行故障时，控制模块控制与故障变流器组或超级电容组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜；当本系统发生不可容错运行故障时，控制模块控制本系统与四象限变流器系统间连接开关柜中低压断路器断开，同时根据本系统的运行状态选择是否联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

本发明的有益效果在于，

(1)在高铁再生制动能量存储系统关键位置布置检测传感器，通过控制模块统一管理，完成了对高铁再生制动能量存储系统的保护，填补了该系统保护方法的空缺；

(2)通过设计控制模块中故障检测及保护联跳逻辑，可以对高铁再生制动能量存储系统在不同运行情况下发生的不同类型故障进行及时准确的处理。

附图说明

图1为高铁再生能量存储系统电气拓扑结构示意图；

图2为牵引供电系统故障检测流程图；

图3为四象限变流器系统故障检测流程图；

图4为四象限变流器系统保护模式选择框图；

图5为双向DC/DC变换器及超级电容组系统故障检测流程图；

图6为双向DC/DC变换器及超级电容组系统保护模式选择框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

图1所示为高铁再生能量存储系统电气拓扑结构示意图。该系统主要由交流开关柜，桥臂连接降压变压器以及储能集装箱组成，其中储能集装箱包括四象限变流器、双向DC/DC变换器及储能介质。该系统主要功能为：1)在列车制动时将过多的再生制动能量存储到超级电容中；2)在列车牵引时将超级电容中存储的电能回馈到牵引网供给列车牵引所需；3)当两供电臂分别在制动和牵引状态，且负荷功率相差比较大时，将负荷从功率大的桥臂向功率小的桥臂转移，实现两个供电臂负荷平衡，治理负序电流；4)进行无功补偿和谐波治理。

上述高铁再生能量存储系统保护方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在高铁再生制动能量存储系统关键位置处设置检测传感器，在牵引供电系统与再生制动能量存储系统之间，再生制动能量存储系统各子系统之间，各级联变流器组之间及各级联超级电容组之间设置开关柜，其中，检测传感器采用电压/电流互感器，原边连接系统关键位置，副边连接控制模块信号输入端，各信号并行输入。如图1所示，所述关键位置包括：牵引供电系统馈电线出线口、桥臂连接降压变压器初级次级端口、四象限变流器输入输出端、四象限变流器IGBT元件、四象限变流器直流侧串联谐振电路元件、四象限变流器直流侧支撑电容、双向DC/DC变换器输入输出端、双向DC/DC变换器IGBT元件、超级电容模块输出端及单组超级电容端。所述再生制动能量存储系统子系统包括四象限变流器系统，双向DC/DC变换器及超级电容组系统。各所述开关柜通过控制模块统一控制管理；

步骤(2)，检测传感器采集实时牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流、四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压、双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、储能介质(超级电容组)端电压，单组超级电容端电压，控制模块判断系统的运行状态和故障信息。其中，判断过程为，首先检测传感器将检测电气量转换为电信号上传给控制模块，控制模块进行A/D转换并对检测量输入信号进行信号处理以消除干扰量，然后控制模块对测量值信号进行越限判断，如果在两个周波的检测时限内测量值信号都越限，则判定系统发生故障；

步骤(3)，对于系统不同的故障类型、故障位置及故障发生时系统的运行状态，控制模块发出告警信号或跳闸信号，若不同系统同时产生故障，则按照牵引供电系统>四象限变流器系统>双向DC/DC变换器及超级电容组系统的优先级顺序进行保护动作。当牵引供电系统出现故障时，连接本系统与再生能量存储系统的开关柜中高压断路器断开，同时联跳再生制动能量存储系统各子系统间连接开关柜；当在四象限变流器系统出现故障时，控制模块会根据故障时能否容错运行进行跳闸或容错运行告警的选择；双向DC/DC变换器及储能装置系统的运行状态有工作状态和备用状态两种，当故障出现在双向DC/DC变换器及超级电容组系统时，控制模块会根据该子系统的运行状态及故障位置与故障类型进行跳闸或容错运行告警的选择；不同系统同时产生故障时，按照牵引供电系统>四象限变流器系统>双向DC/DC变换器及超级电容组系统的优先级顺序进行保护动作。设置重合闸优先级为牵引供电系统与再生制动能量存储系统连接开关柜>子系统间连接开关柜>各多重化模组间连接开关柜，断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行，其中多重化变流器、多重化超级电容投入方式为逐级投入；若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

图2为牵引供电系统故障检测流程图，牵引供电系统故障的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自牵引供电系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号进行越限判断，任一信号越限都将判定为故障状态。故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制本系统与再生能量存储系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳再生能量存储系统各子系统间连接开关柜，控制相应开关柜中低压断路器断开，实现子系统自保护功能。

(3)断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

图3为四象限变流器系统故障检测流程图，四象限变流器系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自四象限变流器系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号。如图4所示，若单组变流器发生故障但不影响系统运行，控制模块控制与故障变流器组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜；若变流器功能性故障或发生其他故障，控制模块控制本系统与牵引供电系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜，断开其中的低压断路器，实现与牵引供电系统的隔离；

(3)断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

图5为双向DC/DC变换器及超级电容组系统故障检测流程图，双向DC/DC变换器及超级电容组系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自双向DC/DC变换器及超级电容组系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、储能介质(超级电容组)端电压，单组超级电容端电压；

(2)控制模块检测系统运行状态并对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号。如图6所示，若超级电容组单个电容模块出现故障但不影响超级电容组整体功能或双向DC/DC变换器单模块出现故障但不影响整体功能或上述两种情况同时出现时，系统可容错运行，控制模块控制与故障变流器组或超级电容组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜。若超级电容组或双向DC/DC发生功能性故障以及系统发生过电压过电流等影响本系统正常运行的故障，当本系统运行工作状态时，控制模块控制本系统与四象限变流器系统间连接开关柜中低压断路器断开，同时联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜。断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行，若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；当系统运行在备用状态时，控制模块控制本系统与四象限变流器系统间连接开关柜中低压断路器断开，无需联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜，断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行，若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

Claims (2)

1.一种高铁再生制动能量存储系统保护方法，其特征在于，包括

步骤(1)，在高铁再生制动能量存储系统关键位置处设置检测传感器，在牵引供电系统与再生制动能量存储系统之间，再生制动能量存储系统各子系统之间，各级联变流器组之间及各级联超级电容组之间设置开关柜；所述关键位置包括：牵引供电系统馈电线出线口、桥臂连接降压变压器初级次级端口、四象限变流器输入输出端、四象限变流器IGBT元件、四象限变流器直流侧串联谐振电路元件、四象限变流器直流侧支撑电容、双向DC/DC变换器输入输出端、双向DC/DC变换器IGBT元件、超级电容模块输出端及单组超级电容端；所述再生制动能量存储系统子系统包括四象限变流器系统，双向DC/DC变换器及超级电容组系统；所述各开关柜通过控制模块统一控制管理；

步骤(2)，检测传感器采集实时电气量，控制模块对输入信号进行越限判断，确定系统的运行状态和故障信息；

步骤(3)，对于系统不同的故障类型、故障位置及故障发生时系统的运行状态，控制模块发出告警信号或跳闸信号，若不同系统同时产生故障，则按照牵引供电系统>四象限变流器系统>双向DC/DC变换器及超级电容组系统的优先级顺序进行保护动作；若有跳闸信号产生，则控制系统根据系统运行状态选择是否进行联跳动作；设定重合闸优先级为牵引供电系统与再生制动能量存储系统连接开关柜>子系统间连接开关柜>各多重化模组间连接开关柜，断路器断开后延时2.0秒进行一次重合闸，若合闸成功，则系统恢复正常运行；其中多重化变流器、多重化超级电容投入方式为逐级投入，若合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。

2.如权利要求1所述的一种高铁再生制动能量存储系统保护方法，其特征在于：步骤(2)检测传感器所采集的实时检测量包括：牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流、四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压、双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、超级电容组端电压，单组超级电容端电压；

牵引供电系统故障的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自牵引供电系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括牵引供电系统馈电线出口处电压电流、桥臂连接降压变压器初级与次级端口电压电流、牵引供电臂电压电流；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号进行越限判断，任一信号越限都将判定为故障状态；故障状态下控制模块产生跳闸信号，控制本系统与再生能量存储系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳再生能量存储系统各子系统间连接开关柜，控制相应开关柜中低压断路器断开，实现子系统自保护功能；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；

四象限变流器系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自四象限变流器系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括四象限变流器交流测电流电压、直流侧电流电压、IGBT元件端电压、支撑电容端电压、直流侧串联谐振电路元件电流与端电压；

(2)控制模块对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号；当本系统发生可容错运行故障时，控制模块控制与故障变流器组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜；当本系统发生不可容错运行故障时，控制模块控制本系统与牵引供电系统间连接开关柜中高压断路器断开，同时联跳本系统与双向DC/DC变换器及超级电容组系统间连接开关柜，断开其中的低压断路器，实现与牵引供电系统的隔离；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警；

双向DC/DC变换器及超级电容组系统的保护方法，包括以下步骤：

(1)控制模块接收来自双向DC/DC变换器及超级电容组系统关键位置检测传感器的实时检测电气量，其中，所检测电气量包括双向DC/DC变换器输入端电流电压、双向DC/DC变换器IGBT元件端电压、超级电容组端电压，单组超级电容端电压；

(2)控制模块检测系统运行状态并对接收到的电压电流信号值进行越限判断，根据故障状态下是否可容错运行发出不同控制信号；当本系统发生可容错运行故障时，控制模块控制与故障变流器组或超级电容组相连的开关柜中低压断路器断开并发出容错运行告警信号，无需联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜；当本系统发生不可容错运行故障时，控制模块控制本系统与四象限变流器系统间连接开关柜中低压断路器断开，同时根据本系统的运行状态选择是否联跳牵引供电系统与四象限变流器系统间连接开关柜；

(3)各断路器断开后延时2.0秒进行自动重合闸，若重合闸成功，则系统继续运行，若重合闸失败，则判定为永久性故障，控制模块发出二次告警。