CN113002333B - 全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器，适用于存在输入变压器、输出变压器将电网和接触网隔离的系统方案，一种常见的拓扑结构包括输入变压器、交直交多电平变流器和输出变压器，在全贯通式柔性交流牵引供电系统的变流器环节发生接地故障时，如果接触网上有不止一个在运行的牵引变流站，本发明选择的接地方法能有效抑制各元件的过流和过压情况，几乎不影响接触网的供电电压，同时可以被保护系统快速、准确识别并清除。

Description

全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法

技术领域

本发明涉及轨道交通牵引供电技术领域，特别是涉及全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法。

背景技术

传统铁路牵引供电方式中的电分相环节严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，同时还会给外部电网带来日益突出的负序、谐波等电能质量问题。

全贯通式柔性交流牵引供电技术通过多电平变流器技术，实现了供电网与接触网完全解耦，可使全线彻底取消电分相，提高接触网供电品质、供电可靠性和供电能力以及供电系统故障穿越能力，便于储能和新型绿色能源的接入，具有很好的发展前景，是未来轨道交通供电系统的发展趋势。接地方式直接影响全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器的内部接地故障的故障特性。因此需要对全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方案进行研究，尤其是结构复杂的变流器环节的接地方式。牵引供电系统和电力系统的中压网络电压等级相近，有接地和不接地两种选择。如果选择不接地方式，发生接地故障时虽然可以带故障继续运行，但是弧光重燃过电压会危及绝缘薄弱的设备，这就需要装置整体的绝缘水平较高，所以一般要求装置接地。

全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器的接地为整个系统提供了参考电位，有利于绝缘水平的设计。接地方式包括直接接地、经电阻或经消弧线圈接地，其中，经电阻或经消弧线圈接地都可以有效抑制故障电流，经消弧线圈接地还可以对分布电容电流进行过补偿，但是分布电容参数在设计阶段不准确且难以获得，所以消弧线圈的参数常常需要根据现场实际情况进行调整。因此本发明主要分析直接接地和经电阻接地这两种方案。

因此希望有一种全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方案，从直接接地和经电阻接地两种方式实现全贯通式柔性交流牵引供电技术，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了一种全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法，适用于存在输入变压器、输出变压器将电网和接触网隔离的系统方案，所述全贯通式柔性交流牵引供电系统一种常见的拓扑结构包括输入变压器、交直交多电平变流器和输出变压器，其特征在于，电网侧的输入变压器原边和接触网侧的输出变压器副边直接接地，输入变压器副边与输出变压器原边之间的变流器环节有且仅有一点接地，接地方式为经电阻小电流接地，接地位置位于变流器的背靠背阀组，接地点两侧的级联回路中各设置有1个电感，使得故障电流在开关器件的最大安全阈值内，背靠背阀组单元的数量为N，N为偶数，当接地点位于所述N个阀组的第N/2和第N/2+1个阀组级联侧之间时，变流器阀组的电位和绝缘特性对称，当2个电感和电阻相邻、以“T”字型接地时，电感对最多的故障点起到限流作用。

优选地，所述电感的最小值满足：在所述N个阀组闭锁之前，所述故障电流峰值小于所述开关器件的最大安全阈值；设输出变压器原边电压为U_s＝U_msinωt，逆变侧电流初值为I₀，开关器件可持续电流的最大安全阈值为I_max，从发生故障到阀组闭锁的时间为T_BLK，所述电感的最小值为公式(1)：

优选地,所述电阻的阻值确定方法包括：

设U_s(t)＝U_msinωt为接触网侧的正弦电压，I(t)为变流器逆变侧电流，R为接地电阻，L为对地电抗，C为故障回路等效电容，N为背靠背阀组单元的数量，U_R(t)、U_L(t)、U_C(t)分别是R、L、C上的电压，Δt为计算步长，I_{L_History}和I_{C_History}分别为根据梯形积分法离散化的电感电容等效电流源，R_L、R_C分别为根据梯形积分法离散化的电感电容Dommel电阻，设闭锁时刻阀组电容电压初值为U_Cd0，设电容电压最大安全阈值为U_Cdmax，设系统的输入输出断路器分闸时间为T_trip，从t＝Δt开始计算程序；

步骤1：设置接地电阻值R，建议取较小的值。

步骤2：设置时变参数初始值：

U_R(0)＝0；

U_L(0)＝0；

U_C(0)＝(N/2+1)U_Cd0；

U_s(0)＝0；

步骤3：计算电压源U_s(t)，根据梯形积分法离散化的电感电容模型计算I_{L_History}(t)和I_{C_History}(t)；

步骤4：判断|U_s|>U_C(t)是否成立，如果|U_s|>U_C(t)则执行步骤5，否则执行步骤6；

步骤5：根据故障电路计算I(t)、U_L(t)和U_C(t)，然后执行步骤7；

步骤6：计算I(t)＝I(t-Δt)，U_L(t)＝U_L(t-Δt)、U_C(t)＝U_C(t-Δt)，然后执行步骤7；

步骤7：设置t＝t+Δt，判断t>T_trip是否成立，如果t>T_trip则执行步骤8，否则执行步骤3；

步骤8：判断U_C(t)/(N/2+1)<U_Cdmax是否成立，如果U_C(t)/(N/2+1)<U_Cdmax则结束，否则增大接地电阻R的值并执行步骤2。

本发明提出了一种全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方案，在全贯通式柔性交流牵引供电系统的变流器环节发生接地故障时，本发明选择的接地方法能有效抑制各元件的过流和过压情况，几乎不影响接触网的供电电压，同时可以被保护系统快速、准确识别并清除。

附图说明

图1为全贯通式柔性交流牵引供电系统大功率变流器的拓扑结构示意图。

图2为全贯通式柔性交流牵引供电系统大功率变流器线间故障电流通路示意图。

图3为全贯通式柔性交流牵引供电系统大功率变流器接地故障电流通路示意图。

图4为本发明中接地故障离散化等效电路示意图。

图5为全贯通式柔性交流牵引供电系统大功率变流器中接地电阻的计算流程图。

图6为本发明中应用接地方案后输出变压器原边线间短路故障电流波形图。

图7为本发明中应用接地方案后第一个阀组输入侧正极线接地短路故障电容电压波形图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。

全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器最常见的拓扑是基于变压器并联多重化和链式结构的多电平变流器，实现单相的交交变换，将牵引变压器副边相位不同的两个绕组电压变换为相位相同的电压。该变流器的电网侧先经过输入变压器，输入变压器有M个原边绕组和N个副边绕组，N个副边绕组与N个阀组的输入侧相连，形成相互隔离的并联结构，阀组由背靠背的全桥模块构成，阀组的输出侧级联后经单相变压器和接触网相连，电网侧的输入变压器原边和接触网侧的输出变压器副边直接接地，输入变压器副边与输出变压器原边之间的变流器环节有且仅有一点接地，接地方式为经电阻小电流接地。

接地位置位于变流器的背靠背阀组。可选地，接地位置可以位于第0到第N个阀组中任意一个阀组的并联整流侧、直流环节或者级联的逆变侧。为了使得输出侧正极线阀组和负极线阀组的电位对称、绝缘水平相同，最优地，接地位置选择在N个阀组级联侧的中点处，即所述N个阀组的第N/2和第N/2+1个阀组级联侧之间。

接地故障是发生频率最高的故障类型，当接地故障发生在输入变压器副边和输出变压器原边之间时，会直接和接地点构成故障回路。故障回路的阻抗较小，故障电流很大且发展迅速，危害开关器件。同时，因为故障阀组的电位突降至0，闭锁之后阀组整流侧的部分二极管会始终导通，处于不控整流状态，在断路器完成跳闸之前，直流电容被持续充电，电容电压很快超过最大安全阈值。为限制故障电流和电容电压上升，需要在阀组中点经电阻接地。

线间短路故障会将不同阀组直接连接在一起，为限制故障电流不超过开关器件的最大安全阈值，接地点两侧的级联回路中各设置有1个电感起限流作用。可选地，在满足2个电感分布在接地点所在阀组的两侧时，电感可以位于阀组级联侧的任意位置。最优地，当2个电感和电阻相邻，也位于第N/2和第N/2+1个阀组级联侧之间，以“T”字型接地时，电感对最多的故障点起到限流作用。

全贯通式柔性交流牵引供电系统中变流器的接地可以确定为：输入变压器原边和输出变压器副边直接接地，输入变压器副边与输出变压器原边之间的变流器环节有且仅有一点接地，在阀组级联侧中点进行2个电感和1个电阻的“T”字型接地方案。

对地电感的最小值需要满足：在阀组闭锁之前，故障电流峰值小于开关器件的最大安全阈值。为了使得系统整体有良好的动态响应性能，对地电感的取值应该越小越好。

因为设置了2个对地电感，发生接地故障时故障回路中包含了其中1个对地电感，故障电流的大小被有效抑制。当接触网上没有其他电源设备时，识别出故障并闭锁之后，接触网立刻失去电压；当接触网仍有其他电源设备时，识别出故障并闭锁之后，串联在故障回路中的电容电压之和小于接触网电压峰值，阀组二极管成为不控整流桥，电容会被接触网充电升压。所以接地电阻的最小值选择需要满足：在接触网还有其他电源时，从阀组闭锁之后到断路器完成跳闸之前，直流电容电压上升不能超过最大安全阈值。接地电阻的阻值如果很大，发生接地故障时的入地电流很难被识别，所以接地电阻的最大值选择需要满足：发生接地故障时的入地电流大于电流互感器的最小分辨率。

如图1和2所示，适用全贯通式柔性交流牵引供电系统大功率变流器的接地拓扑结构，考虑最严重的情况，即在输出变压器原边发生线间短路故障。在阀组闭锁前的很小一段时间内，认为故障电流线性上升，设输出变压器原边电压为U_s，逆变侧电流初值为I₀，开关器件可持续电流的最大安全阈值为I_max，从发生故障到阀组闭锁的时间为T_BLK，所述电感的最小值为公式(1)：

接地故障可以发生在从正极线到负极线共N个阀组中任意一个阀组的整流侧、直流环节或者逆变侧。如图3-5所示，考虑电容充电最严重的情况，即第1个阀组逆变侧正极线或者第N个阀组逆变侧负极限发生接地故障，图3标出了该典型的故障点并画出了故障电流通路。装置闭锁之后，故障回路中剩余N/2+1个阀组的电容在被充电，这是一个正弦激励的二阶RLC电路，假设这些电容初值相同且充电过程均匀，设闭锁时刻阀组电容电压初值为U_Cd0。

对图3中的故障电流回路等效并离散化后如图4所示。U_s是接触网侧的正弦电压，R是接地电阻，L是对地电抗，C是故障回路等效电容，Δt是计算步长，R_L＝(2L)/Δt、R_C＝Δt/(2C)分别为根据梯形积分法离散化的电感电容Dommel电阻，I_{L_History}(t)＝I(t-Δt)+U_L(t-Δt)/R_L和I_{C_History}(t)＝-I(t-Δt)-U_C(t-Δt)/R_C分别为根据梯形积分法离散化的电感电容等效电流源。需要注意的是，在该实施例中，故障回路总的等效电容C只有一个，但是在其他故障点情况下，故障回路可能有所变化，串联在故障回路中的阀组电容可能会被等效成两个，可以根据逆变电流的正负极性来判断每个电容是否投入。

如果每个阀组的电容值为C_d，那么图3中的故障发生时C＝C_d/(N/2+1)。U_R(t)、U_L(t)、U_C(t)分别是R、L、C上的电压，已知对地电抗的阻抗远小于接地电阻，稳态时接地电阻上几乎没有电流，所以可以认为电压初值分别是U_R(0)＝0、U_L(0)＝0、U_C(0)＝(N/2+1)U_Cd0。由于故障回路中的二极管整流特性，电流总会衰减至0，所以每半个周波中，只有当|U_s|>U_C(t)时，才能形成故障回路，电容才会被充电。装置的输入输出断路器分闸时间为T_trip，电容电压最大安全阈值为U_Cdmax，接地电阻的计算方法示意图如图5所示。

在该具体实施例中，系统的关键参数如下表：

在1.2倍过载情况下，对地电感的取值范围是L>0.58mH。阀组直流电容电压纹波取7％，根据离散化的计算程序可得，接地电阻的取值范围是R>33Ω。考虑一定的裕量，并且为尽可能减小故障的暂态过程，最终选取对地电感L＝0.64mH，接地电阻R＝50Ω。在PSCAD仿真模型中验证该接地方案的可行性。

如图6所示，本发明中应用接地方案后输出变压器原边线间短路故障电流波形图。

如图7所示，本发明中应用接地方案后第一个阀组级联侧正极线接地短路故障电容电压波形图。

最后需要指出的是：以上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精神和范围。

Claims (3)

1.全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法，适用于存在输入变压器、输出变压器将电网和接触网隔离的系统，所述全贯通式柔性交流牵引供电系统包括输入变压器、交直交多电平变流器和输出变压器，其特征在于，电网侧的输入变压器原边和接触网侧的输出变压器副边直接接地，输入变压器副边与输出变压器原边之间的变流器环节有且仅有一点接地，接地方式为经电阻小电流接地，接地位置位于变流器的背靠背阀组，接地点两侧的级联回路中各设置有1个电感，使得故障电流在开关器件的最大安全阈值内，背靠背阀组单元的数量为N，N是偶数，当接地点位于N个阀组的第N/2和第N/2+1个阀组级联侧之间时，变流器阀组的电位和绝缘特性对称，当2个电感和电阻相邻、以“T”字型接地时，电感对最多的故障点起到限流作用。

2.根据权利要求1所述的全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法，其特征在于：所述电感的最小值满足：在所述N个阀组闭锁之前，所述故障电流的峰值小于所述开关器件的最大安全阈值；设输出变压器原边电压为U_s，逆变侧电流初值为I₀，所述开关器件可持续电流的最大安全阈值为I_max，从发生故障到所述N个阀组闭锁的时间为T_BLK，所述电感为公式(1)，计算时U_s和I₀均取最大值：

3.根据权利要求2所述的全贯通式柔性交流牵引供电系统的大功率变流器接地方法，其特征在于：所述电阻的阻值确定方法包括：

设U_s(t)＝U_msinωt为接触网侧的正弦电压，I(t)为变流器逆变侧电流，R为接地电阻，L为对地电抗，C为故障回路等效电容，N为背靠背阀组单元的数量，U_R(t)、U_L(t)、U_C(t)分别是R、L、C上的电压，Δt为计算步长，R_L、R_C分别为根据梯形积分法离散化的电感电容Dommel电阻，I_{L_History}(t)和I_{C_History}(t)分别为根据梯形积分法离散化的电感电容等效电流源，设闭锁时刻阀组电容电压初值为U_Cd0，设电容电压最大安全阈值为U_Cdmax，系统的输入输出断路器分闸时间为T_trip，从t＝Δt开始计算；

步骤1：设置接地电阻值R，R取较小值；

步骤2：设置时变参数初始值：

U_R(0)＝0；

U_L(0)＝0；

U_C(0)＝(N/2+1)U_Cd0；

U_s(0)＝0；

步骤3：计算电压源U_s(t)，根据梯形积分法离散化的电感电容模型计算I_{L_History}(t)和I_{C_History}(t)；

步骤4：判断|U_s|>U_C(t)是否成立，如果|U_s|>U_C(t)则执行步骤5，否则执行步骤6；

步骤5：根据故障电路计算I(t)、U_L(t)和U_C(t)，然后执行步骤7；

步骤6：计算I(t)＝I(t-Δt)，U_L(t)＝U_L(t-Δt)、U_C(t)＝U_C(t-Δt)，然后执行步骤7；

步骤7：设置t＝t+Δt，判断t>T_trip是否成立，如果t>T_trip则执行步骤8，否则执行步骤3；

步骤8：判断U_C(t)/(N/2+1)<U_Cdmax是否成立，如果U_C(t)/(N/2+1)<U_Cdmax则结束，否则增大接地电阻R的值并执行步骤2。

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