魏 昕，韓正慶

0 引言

隨著國內(nèi)高速、重載鐵路的快速發(fā)展，現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)在諧波、無功、負(fù)序和“過分相”等方面的問題日益突出，降低了供電的效率與質(zhì)量，嚴(yán)重影響了鐵路運營的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。同相牽引供電系統(tǒng)的提出為從根本上解決上述問題提供了有效途徑，是未來高速、重載鐵路的一個重要研究方向。

潮流控制器（下文簡稱PFC）作為同相供電設(shè)備的一個重要組成部分，它涵蓋了有源濾波器（下文簡稱APF）的功能并具有傳遞有功功率等作用，能夠完成濾除諧波、補償無功與平衡變換的任務(wù)。同相牽引供電系統(tǒng)中各種暫態(tài)過程，特別是系統(tǒng)發(fā)生故障時將對PFC 產(chǎn)生巨大的影響，嚴(yán)重時將危及裝置自身的安全，關(guān)系到PFC 是否能夠在系統(tǒng)中長期安全運行。

本文在介紹同相供電系統(tǒng)和PFC 的結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，分析了PFC 在外部以及內(nèi)部發(fā)生故障時的狀態(tài)變化及其機(jī)理，并針對故障特征提出保護(hù)方案。

1 同相供電系統(tǒng)

1.1 同相牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同相供電系統(tǒng)是指線路上不同變電所供電的區(qū)段接觸網(wǎng)電壓相位相同、線路上無電分相環(huán)節(jié)的牽引供電方式。本文主要研究文獻(xiàn)[1]中提出的同相牽引供電系統(tǒng)方案，在現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，引入了YN，vd 平衡變壓器和PFC，變電所2 個供電臂通過PFC 合并為一條饋線向牽引網(wǎng)供電，使得各個變電所輸出相位相同的電壓，在變電所饋線處取消電分相，如圖1 所示。

圖1 同相牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 PFC 結(jié)構(gòu)及工作原理

為簡化分析，將平衡變壓器的2 個輸出端口用電壓源表示，如圖2 所示的PFC 等效電路。它由2個單相的四象限變流器“背靠背”地連接在一起，開關(guān)元件采用IGBT，通過直流環(huán)節(jié)的解耦實現(xiàn)它們的獨立控制。正常工作情況下，網(wǎng)側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)，負(fù)荷側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，其基本控制原理是利用中間直流耦合電容作為能量交換環(huán)節(jié)，在2 個端口之間實現(xiàn)有功功率的交換，同時，負(fù)荷側(cè)變流器補償無功、濾除主要諧波。由于平衡變壓器副邊電壓為27.5 kV，為了與電力電子器件的發(fā)展水平相適應(yīng)，采用了變比為k∶1 的隔離變壓器B1和B2。由于單相系統(tǒng)的直流側(cè)電壓本身存在幅度較大的100 Hz 波動分量，為此在直流側(cè)引入LC 調(diào)諧濾波環(huán)節(jié)，用以濾去二倍頻諧波，保證直流電壓的平穩(wěn)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖2 PFC 等效電路圖

下面分析PFC 輸出的補償電流及功率，設(shè)PFC的2 個端口電壓與負(fù)載電流分別為

式中，h(t)為負(fù)載電流中的諧波成分。

欲實現(xiàn)平衡變換的目的，電壓源要求輸出幅值相等且與各自電壓同相位的純有功電流，則端口電流期望值為[2]

式中，I1p= I1cosφ1。

根據(jù)圖2 中的電流關(guān)系，PFC 的2 個輸出端口的補償電流期望值為

式中，I1q= I1sinφ1。

即α端口需要輸出一半的負(fù)載有功電流，并補償負(fù)載的無功電流與諧波電流；β端口則需要輸入與負(fù)載一半有功功率相對應(yīng)的電流?？梢姡泄β实膫鬟f具有方向性，從網(wǎng)側(cè)流向負(fù)荷側(cè)。

2 外部故障

外部故障對PFC 的影響可通過2 種方式進(jìn)行，即PFC 接入點處電壓變化和PFC 檢測到的負(fù)載電流發(fā)生變化。下面就故障分別發(fā)生在饋線及母線時，對PFC 運行狀態(tài)的影響進(jìn)行分析。

2.1 饋線故障

如圖3 所示，a 處發(fā)生短路故障時，饋線電流突然增大，根據(jù)PFC 補償電流機(jī)理，PFC 檢測到的饋線電流增大，由此計算得到的補償電流參考值也增大，從而使變流器輸出電流迅速增加。

圖3 PFC 故障情況示意圖

PFC 本身帶有脈沖封鎖保護(hù)，通過檢測補償電流，一旦補償電流超過限定值，便立即封鎖所有IGBT 的觸發(fā)脈沖，限制補償電流繼續(xù)增加，一旦條件允許即恢復(fù)裝置的運行。饋線發(fā)生故障時，封鎖脈沖，PFC 停止工作；饋線保護(hù)動作，切除故障后，裝置過一段時間后能夠自動解鎖脈沖，重新投入運行。此時，根據(jù)繼電保護(hù)選擇性的要求，1QF、2QF 不應(yīng)誤動作。

2.2 母線故障

b 處發(fā)生短路故障時，α相母線失壓并直接影響PFC 的運行，此時PFC 流入短路點的電流可以被PFC 的控制回路測知，脈沖封鎖保護(hù)能夠有效控制短路電流的增加。牽引變壓器低壓側(cè)保護(hù)能夠反應(yīng)牽引母線的短路故障而動作，但其動作時限一般較長。因此，需要對牽引母線配置失壓保護(hù)，當(dāng)母線發(fā)生故障時，1QF、2QF 能及時動作。

3 內(nèi)部故障

PFC 內(nèi)部故障情況比較復(fù)雜，本文不考慮變流器內(nèi)部的故障情況，主要分析內(nèi)部短路故障和電流檢測元件故障2 種情況。

3.1 內(nèi)部短路故障

圖3 中，c 處發(fā)生短路故障時，PFC 檢測到的α側(cè)輸出電流即母線流入短路點的電流，而不是α側(cè)變流器實際輸出的補償電流。此時，α相母線流向短路點的電流很大且不受脈沖封鎖保護(hù)的影響?？赏ㄟ^在裝置兩側(cè)設(shè)置過電流保護(hù)來切除該故障。

隔離變壓器其實就是一臺容量很大的單相變壓器。對于隔離變壓器內(nèi)部故障，還可以配置專門的差動保護(hù)和非電量保護(hù)。

3.2 電流檢測元件故障

PFC 通過電流互感器，實時檢測負(fù)載電流和輸出補償電流的大小，從而實現(xiàn)對變流器的控制。電流檢測元件發(fā)生故障時，為便于分析，可認(rèn)為其檢測到的電流值為零。

負(fù)載電流檢測元件發(fā)生故障時，對PFC 而言，相當(dāng)于負(fù)載發(fā)生了突變，認(rèn)為其工作在空載狀態(tài)，2 臺變流器補償電流輸出均為零，從而使PFC 暫時失去補償效果，但不會對裝置本身造成影響。

補償電流檢測元件發(fā)生故障后，無論該側(cè)輸出多大電流，從控制器的角度來看，輸出電流總是小于參考電流，控制器認(rèn)為發(fā)生了欠補償情況，控制的結(jié)果使該側(cè)輸出電流迅速增大，出現(xiàn)嚴(yán)重的過流現(xiàn)象，并造成直流側(cè)電容電壓的劇烈變化，嚴(yán)重危及裝置的安全運行，應(yīng)立即停止工作。

4 保護(hù)

通過前面分析，裝置自帶的脈沖封鎖保護(hù)能夠有效防止PFC 的過流，但它無法正確區(qū)分內(nèi)外部故障，而且保護(hù)范圍較小，需要增加過電流保護(hù)和失壓保護(hù)的配合。

（1）將PFC 的脈沖封鎖保護(hù)分為2 個部分：IGBT 自身的安全保護(hù)措施和故障條件下的保護(hù)措施。當(dāng)IGBT 發(fā)生故障時，裝置將立即跳閘退出運行同時封鎖脈沖，需要檢修排除故障后才能重新啟動。而系統(tǒng)異常和故障條件下只封鎖脈沖，若只是瞬時性故障或外部故障，則PFC 過一段時間后能夠自動解鎖脈沖，重新投入運行；若是內(nèi)部永久性故障，則裝置重新投入失敗后，將跳閘退出運行。

（2）過電流保護(hù)?，F(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置在幾個毫秒的時間就能判斷出故障，通過檢測輸出補償電流，一旦判斷為故障過流，立即發(fā)出一個命令給PFC 控制回路，封鎖所有進(jìn)入驅(qū)動芯片的脈沖信號，同時經(jīng)過整定延時，兩側(cè)斷路器跳閘，PFC 裝置退出運行。過電流保護(hù)的整定時限應(yīng)大于饋線保護(hù)動作時間，以避免變壓器勵磁涌流的影響，增加2 次諧波閉鎖功能。

（3）失壓保護(hù)。要求PFC 兩側(cè)斷路器在合位，若牽引母線電壓低于整定值，失壓保護(hù)動作，兩側(cè)斷路器跳閘。

5 結(jié)束語

介紹了PFC 結(jié)構(gòu)及其功能實現(xiàn)，具體分析了PFC 在各種故障情況下的狀態(tài)變化，包括饋線故障、母線故障系統(tǒng)及內(nèi)部故障等。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生上述故障時，有可能出現(xiàn)PFC 輸出過流、母線失壓等現(xiàn)象，威脅到PFC 裝置的安全運行。對此，提出了相應(yīng)的保護(hù)方案，這為設(shè)計成套同相供電保護(hù)方案打下了基礎(chǔ)，但需要進(jìn)一步驗證和完善。

[1] 魏光，李群湛，等.新型同相牽引供電系統(tǒng)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（10）.

[2] 曾國宏，郝榮泰.基于有源濾波器和阻抗匹配平衡變壓器的同相供電系統(tǒng)[J].鐵道學(xué)報，2003，25（3）.

[3] 袁明旭，陳小川.牽引網(wǎng)過電流時的有源濾波器暫態(tài)過程分析與保護(hù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（1）.

[4] 陳瑋，王彤，曾繼倫.電網(wǎng)短路故障時并聯(lián)型電力有源濾波器的過流保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26（9）.