CN112731192A - 一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法 - Google Patents

一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力机车牵引传动系统领域，具体为一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法。本发明是一种不需要现有牵引变流器增加部件，在控制算法中增加中输入有功功率和输出有功功率的计算，判断输入输出有功功率的变化，从而实现保护的方法，用于检测中间回路的故障。本发明还提供了一种试验验证方法，在中间回路通过增加功率电阻或者减小功率电阻的方法来判断中间电路电阻值变化，再进行牵引变流器的联调试验验证。

Description

一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法
技术领域
本发明属于电力机车牵引传动系统领域，具体为一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法。
背景技术
机车牵引变流器稳定运行时，如果发生中间直流回路虚短、接地电阻异常等情况，不一定会触发过压、过流等故障保护，在该工况下长时间运行，会导致故障进一步扩大，严重时损坏器件甚至发生火灾。
发明内容
本发明根据牵引变流器稳定运行时有功功率平衡，提出功率闭环的保护方法，并给出了试验验证的方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，保护方法包括以下步骤：
步骤1：记录整流器一个周期内的输入电压和电流值，计算得到整流器输入的有功功率P1；
步骤2：记录中间直流回路一个周期内的电压值，计算得到中间直流回路电阻平均功率P2；
步骤3：计算逆变器输出相电压，记录逆变器一个周期内电流值，计算得到逆变器输出有功功率P3；
步骤4：计算得到牵引变流器的输入输出有功功率差P差， P差＝P1-P2-P3，当P下限≤P差≤P上限时，无故障，当P差<P下限或 P差>P上限时，有功功率不平衡故障，其中P上限和P下限为故障保护的阈值，当输入输出有功功率差P差超出有功功率故障保护阈值时报故障；未超出有功功率故障保护阈值时，重复步骤1-4。
上述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，试验验证方法包括以下步骤：
步骤1：在开始试验前，将中间直流回路等效慢放电阻R1更换为可调电阻R4，初始电阻值R4＝R1；
步骤2：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐增加R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤3：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐减小R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤4：测试完成。
上述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，整流器输入有功功率P1的计算过程为：
Figure RE-GDA0002956174390000021
其中T1为整流器输入电压的周期，V1(t)为输入电压；I1(t)为输入电流值。
上述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，电阻平均功率P2的计算过程为：
Figure RE-GDA0002956174390000022
V2(t)为中间直流电压，R2和R3为接地电阻，T2为中间直流回路电压的周期。
上述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，逆变器输出相电压计算过程为：
Figure RE-GDA0002956174390000023
其中sA、sB、sC分别为上桥臂开关管的占空比。
上述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，逆变器输出有功功率P3的计算过程为：
Figure RE-GDA0002956174390000024
I2(t)为逆变器U 相输出电流，T3为逆变器输出电压的周期。
本发明是一种不需要现有牵引变流器增加部件，在控制算法中增加中输入有功功率和输出有功功率的计算，判断输入输出有功功率的变化，从而实现保护的方法，用于检测中间回路的故障。本发明还提供了一种试验验证方法，在中间回路通过增加功率电阻或者减小功率电阻的方法来判断中间电路电阻值变化，再进行牵引变流器的联调试验验证。
附图说明
图1为牵引变流器主电路拓扑图。
图2为试验接线图。
图3为本发明保护方法流程图。
具体实施方式
图1是典型的电力机车牵引变流器拓扑结构，包括整流器、中间直流回路、逆变器三个部分；中间直流回路中包括等效慢放电阻R1、接地电阻R2和R3，等效慢放电阻R1连接在整流器的正负输出端之间，接地电阻R2和R3串接后连接在整流器的正负输出端之间，接地电阻R2和R3之间的连接点接地。牵引变流器主电路还包括：网压互感器TV1,实时采集输入电压为V1(t)；输入电流传感器TA1，实时采集的输入电流值为I1(t)；中间直流电压传感器TV2，实时采集的电压值为V2(t)。逆变器U相输出电流传感器TA2，实时采集的电流为I2(t)。牵引变流器在稳定运行时，整个变流器的有功功率平衡。其中，整流器输入有功功率为：
Figure RE-GDA0002956174390000031
其中T1为整流器输入电压的周期。
中间直流回路电阻消耗的平均功率：
Figure RE-GDA0002956174390000032
其中T2为中间直流回路电压的周期，一般取100Hz。
逆变器输出相电压可以通过PWM电压重构计算得到，计算公式(3)：
Figure RE-GDA0002956174390000033
其中sA、sB、sC分别为上桥臂开关管的占空比。
逆变器稳定运行时，输出有功功率：
Figure RE-GDA0002956174390000034
其中T3为逆变器输出电压的周期。
另外，整流器IGBT损耗记作P整流器，逆变器IGBT损耗计算P逆变器。
在牵引变流器稳定运行时，根据有功功率守恒可得：
P1＝P整流器+P逆变器+P2+P3 (5)
牵引变流器在实际工作过程中，输入输出的效率能达到98％以上，其中整流器和逆变器IGBT变流器效率都能达到98％以上，因此整流器损耗P整流器、逆变器损耗P逆变器占比很小，可以将上式简化为：
P1≈P2+P3 (6)
所以可以根据公式(6)，定义P差＝P1-P2-P3，提出牵引变流器有功功率的保护逻辑：
Figure RE-GDA0002956174390000041
其中P上限和P下限为故障保护的阈值。
在牵引变流器中增加该保护策略，还需要进一步试验验证。在进行牵引变流器试验时，如图2，将中间直流的R1电阻用可调电阻R4替代，通过调节R4 阻值测试该项保护。
保护策略的软件实现过程：
步骤1：记录整流器一个周期内的输入电压和电流值，根据公式(1)计算得到整流器输入的有功功率P1；
步骤2：记录中间直流回路一个周期内电压值，依据公式(2)计算中间直流回路得到电阻平均功率P2；
步骤3：依据公式(3)计算逆变器输出相电压，记录逆变器一个周期内的相电压和电流值，依据公式(4)得到逆变器输出有功功率P3。
步骤4：依据公式(6)计算得到牵引变流器的输入输出有功功率差P差，根据公式(7)判断，超出有功功率故障保护阈值时报故障；未超出有功功率故障保护阈值时，重复步骤1-4；
软件实现流程如下：
试验测试步骤：
步骤1：在开始试验前，将中间直流回路等效慢放电阻R1更换为可调电阻 R4，初始电阻值R4＝R1；
步骤2：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐增加R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤3：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐减小R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤4：测试完成。

Claims (6)

1.一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：保护方法包括以下步骤：
步骤1：记录整流器一个周期内的输入电压和电流值，计算得到整流器输入的有功功率P1；
步骤2：记录中间直流回路一个周期内的电压值，计算得到中间直流回路电阻平均功率P2；
步骤3：计算逆变器输出相电压，记录逆变器一个周期内电流值，计算得到逆变器输出有功功率P3；
步骤4：计算得到牵引变流器的输入输出有功功率差P差，P差＝P1-P2-P3，当P下限≤P差≤P上限时，无故障，当P差<P下限或P差>P上限时，有功功率不平衡故障，其中P上限和P下限为故障保护的阈值，当输入输出有功功率差P差超出有功功率故障保护阈值时报故障；未超出有功功率故障保护阈值时，重复步骤1-4。
2.根据权利要求1所述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：试验验证方法包括以下步骤：
步骤1：在开始试验前，将中间直流回路等效慢放电阻R1更换为可调电阻R4，初始电阻值R4＝R1；
步骤2：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐增加R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤3：启动牵引变流器工作在额定工况，逐渐减小R4阻值，直到报出牵引变流器有功功率不平衡故障；
步骤4：测试完成。
3.根据权利要求2所述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：整流器输入有功功率P1的计算过程为：
Figure FDA0002833273090000011
其中T1为整流器输入电压的周期，V1(t)为输入电压；I1(t)为输入电流值。
4.根据权利要求3所述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：电阻平均功率P2的计算过程为：
Figure FDA0002833273090000021
V2(t)为中间直流电压，R2和R3为接地电阻，T2为中间直流回路电压的周期。
5.根据权利要求4所述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：逆变器输出相电压计算过程为：
Figure FDA0002833273090000022
其中sA、sB、sC分别为上桥臂开关管的占空比。
6.根据权利要求5所述的一种机车牵引变流器有功功率的保护方法及试验验证方法，其特征在于：逆变器输出有功功率P3的计算过程为：
Figure FDA0002833273090000023
I2(t)为逆变器U相输出电流，T3为逆变器输出电压的周期。
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