CN111064200B - 一种铁路净化电源装置及其故障退出保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路净化电源装置，由单相逆变单元、输出滤波器、双反并联晶闸管、补偿变压器、控制器、晶闸管触发板组成，还公开了其故障退出保护方法，当铁路净化电源装置发生一级故障需要退出时，控制器发送晶闸管导通指令，若控制器失效，电网电流通过补偿变压器原边和单相逆变单元二极管向负载直流母线灌流引起母线电压泵升，当母线电压测量单元检测的数值超过晶闸管触发板内部的电压阈值时，晶闸管触发板发送触发信号触发反并联晶闸管导通，从而将电力电子变换单元从系统中旁路，起到保护装置本身的目的。

Description

一种铁路净化电源装置及其故障退出保护方法
技术领域
本发明属于电力电子变流技术领域，具体涉及一种铁路净化电源装置及故障退出保护方法，用于铁路牵引变电所动态电压补偿、电能质量调节等高压大容量电力电子变流领域。
背景技术
铁路牵引变电所生产、生活设施需要稳定的10kV供电网络。在我国西北、西南等铁路欠发达地区，地方电网铺设难度大，成本高，当前常用的技术方案是从铁路接触网取一路（或两路）牵引网电压，受制于接触网电压波动范围大，特殊次高次谐波含量大，通常通过电力电子变换装置转换为三相稳定10kV电力供应。此类电力电子变换装置通常称为“铁路净化电源”。
当前铁路净化电源的技术路线主要有两大类，一类为沿袭“高低高”电力电子主电路拓扑，通过“交—直—交”变换网络，输出符合行业标准的电能质量，此类路线的特点是全功率变换，变换器的功率取决于负载功率；另一类典型代表为动态补偿型功率变换结构，它将净化电源串联在电网与负载之间，当电网电压发生跌落时，净化电源输出相应的补偿电压，使负载端电压始终维持正常稳定，从而消除电网电压跌落对负载产生不良影响。
动态补偿型净化电源的显著特点是可以大大减小变换器的容量，它只需要补偿电网的动态电压跌落及低次谐波，净化电源的容量比全功率变换要小很多，兼具成本及体积上的优势；但另一方面，补偿型净化电源正常运行时，为受控的电压源及不受控的电流源，当净化电源故障时，需要将其完全切除出去，通常做法是在变换器的输出侧并联双向反并联晶闸管，当装置故障时，由控制系统向反并联晶闸管发送合闸信号，净化电源输出侧串联变压器运行在电流互感器工作模式下，此时补偿型净化电源可完全退出故障态，净化电源切换为旁路运行。
动态补偿型净化电源一个潜在风险点在于当净化电源装置故障时，控制系统本身发生故障，无法触发反并联晶闸管时，此时由于串联变压器工作于电流互感器状态，串联变压器二次侧的感应电流通过变换器的二极管及支撑电容续流，势必引起变换器直流母线电压泵升，若此时控制器由于本身故障而不能正确发出反并联晶闸管触发信号，母线电压泵升的最终结果将导致电容过压失效，进而引起灾难性事故。
发明内容
本发明提出了一种解决动态补偿型净化电源控制器失效状态下，净化电源如何安全退出的本质问题。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铁路净化电源装置，用于串联在电网与负载之间，包括用于连接负载的单相逆变单元和用于串接铁路三相10kV供电网络的补偿变压器，补偿变压器用于补偿三相10kV供电网络的电压跌落、骤升、谐波，所述的单相逆变单元上并联有母线电压测量单元，用于检测功率单元的母线电压，单相逆变单元的输出端并接双反并联晶闸管，所述补偿变压器的高压侧串接在供电网络中，补偿变压器的原边连接输出滤波器之后与双反并联晶闸管连接，单相逆变单元输出的补偿电压经输出滤波器滤波后输出至补偿变压器的原边，所述的双反并联晶闸管由两个二极管反向并联构成，所述的两个二极管分别连接晶闸管触发板，用于触发反并联晶闸管导通，晶闸管触发板与母线电压测量单元连接，所述的晶闸管触发板上还连接有控制器，用于发送晶闸管触发光脉冲，控制铁路净化电源装置的安全运行，晶闸管触发板存在两路触发条件；接收母线电压测量单元传送的二次电压信号及控制器发送的晶闸管导通信号；二次电压信号超过预设过压阈值或接收到控制器发送的晶闸管触发光脉冲两个条件满足其中之一时，晶闸管触发板发送晶闸管导通信号。
本发明还提出了一种铁路净化电源装置的故障退出保护方法，运行步骤如下：当铁路净化电源装置发生过流、内部功率元器件过压等一级故障需要退出时，顶层控制器发送晶闸管导通指令；若顶层控制器控制单元失效，电网电流通过补偿变压器原边和单相逆变单元的二极管向负载直流母线灌流引起母线电压泵升，当母线电压测量单元检测的数值超过晶闸管触发板内部的电压阈值时，晶闸管触发板发送触发信号触发反并联晶闸管导通，从而将单相逆变单元从系统中旁路，从而起到保护装置本身的目的。
本发明的有益效果是：利用装置封锁脉冲后能量倒灌的特点，将母线电压超压作为晶闸管触发的终极保护条件，巧妙解决了控制器失去对装置控制能力的情况下系统能否可靠退出的难题；本发明阐述的故障退出保护方法安全性高，硬件投入成本低，有效降低装置的故障率，延长系统的使用寿命。
附图说明
图1所示为本发明应用于铁路净化电源装置变流器拓扑示意图；
图2所示为本发明应用于铁路净化电源装置故障保护流程示意图；
图3为适应故障退出保护方法所设计的晶闸管触发板原理图。
各附图标记为：1—单相逆变单元，2—输出滤波器，3—反并联晶闸管，4—串联变压器，5—控制器，6—晶闸管触发板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明应用于铁路净化电源装置变流器拓扑示意图。该拓扑为三相网络的单相等效示意图。该拓扑由单相逆变单元1、输出滤波器2、双反并联晶闸管3、补偿变压器4（即串联变压器）、控制器5、晶闸管触发板6组成。其中双反并联晶闸管3并接在单相逆变单元1的输出侧，单相逆变单元1输出的补偿电压经输出滤波器2滤波后输出至补偿变压器4的原边，补偿变压器4的高压侧串接在10kV电网中。
图2所示为本发明应用于铁路净化电源装置故障保护流程示意图：当铁路净化电源装置发生一级故障需要退出时，控制器5发送晶闸管导通指令；若控制器5失效，电网电流通过补偿变压器4原边和单相逆变单元1的H桥中二极管向负载直流母线灌流引起母线电压泵升，当母线电压测量单元检测的数值超过晶闸管触发板6内部的电压阈值时，晶闸管触发板6发送触发信号触发反并联晶闸管3导通，从而将电力电子变换单元从系统中旁路，起到保护装置本身的目的。
图3为适应故障退出保护方法所设计的晶闸管触发板6原理图。脉冲生产由两个逻辑条件决定，一是由控制器5输入的光触发脉冲，另一个是由母线电压采样值是否超过预设阈值条件决定，二者进行逻辑或处理，两个条件满足其一就能使脉冲生成电路单元工作，继而产生晶闸管触发脉冲，使得净化电源旁路，从系统中可靠退出。
本发明利用装置封锁脉冲后能量倒灌的特点，将母线电压超压作为晶闸管触发的终极保护条件，巧妙解决了控制器失去对装置控制能力的情况下系统能否可靠退出的难题；本发明阐述的故障退出保护方法安全性高，硬件投入成本低，有效降低装置的故障率，延长系统的使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种铁路净化电源装置的故障退出保护方法，基于包括用于连接负载的单相逆变单元（1）和用于串接铁路三相10kV供电网络的补偿变压器（4），其特征在于，所述的单相逆变单元（1）上并联有母线电压测量单元，单相逆变单元（1）的输出端并接双反并联晶闸管（3），所述补偿变压器（4）的高压侧串接在供电网络中，补偿变压器（4）的原边连接输出滤波器（2）之后与双反并联晶闸管（3）连接，单相逆变单元（1）输出的补偿电压经输出滤波器（2）滤波后输出至补偿变压器（4）的原边，所述的双反并联晶闸管（3）由两个二极管（TT1、TT2）反向并联构成，所述的两个二极管（TT1、TT2）分别连接晶闸管触发板（6），用于触发反并联晶闸管（3）导通，晶闸管触发板（6）与母线电压测量单元连接，所述的晶闸管触发板（6）上还连接有控制器（5），晶闸管触发板（6）在满足以下条件之一时触发：接收到母线电压测量单元传送的二次电压信号及控制器（5）发送的晶闸管导通信号；二次电压信号超过预设过压阈值或接收到控制器（5）发送的晶闸管触发光脉冲；
运行步骤如下：
当铁路净化电源装置发生一级故障需要退出时，控制器（5）发送晶闸管导通指令；
若控制器（5）失效，电网电流通过补偿变压器（4）原边和单相逆变单元（1）的二极管向负载直流母线灌流引起母线电压泵升，当母线电压测量单元检测的数值超过晶闸管触发板（6）内部的电压阈值时，晶闸管触发板（6）发送触发信号触发反并联晶闸管（3）导通，从而将单相逆变单元（1）从系统中旁路，起到保护装置本身的目的。
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