王磊

（中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京100190）

在城軌牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用PWM整流器后能夠?qū)⒘熊?chē)制動(dòng)能量回饋交流電網(wǎng)，且中壓網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)可調(diào)，具有較高應(yīng)用價(jià)值[1-2]。作為復(fù)雜的全控型電力電子變換器，PWM整流器與既有的二極管整流器在系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理、損傷及老化規(guī)律、故障診斷和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段等方面有很大區(qū)別。由于PWM整流器目前并未在地鐵牽引供電系統(tǒng)中得到大范圍應(yīng)用，因此對(duì)于其智能維護(hù)技術(shù)（損傷評(píng)估、短路保護(hù)、綜合監(jiān)控）方面尚無(wú)研究成果。

在PWM整流器關(guān)鍵部件的損傷評(píng)估方面，通過(guò)分析PWM整流器的可靠性模型不難發(fā)現(xiàn)，在其組成器件中，直流側(cè)起支撐作用的電容器（通常為大容量電解電容器）是影響整個(gè)裝置可靠性的薄弱點(diǎn)。因此，對(duì)于PWM整流器內(nèi)電解電容器的損傷和老化機(jī)理需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。目前，電解電容器的損傷評(píng)估方面已有了一些研究成果，文獻(xiàn)[3]中基于電解質(zhì)的散失程度完成電解電容壽命預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[4]中經(jīng)由電容等效串電阻（ESR）的變化規(guī)律和數(shù)值完成電容的損傷評(píng)估；文獻(xiàn)[5]中將機(jī)械領(lǐng)域的累積損傷原理應(yīng)用于電解電容的損傷分析中，經(jīng)由電解質(zhì)散失的累積情況辨識(shí)ESR。上述文獻(xiàn)中給出的ESR辨識(shí)方法應(yīng)用于PWM整流器以評(píng)估其直流支撐電解電容的疲勞損傷時(shí)，由于PWM整流器裝置容量大、負(fù)載波動(dòng)劇烈從而ESR辨識(shí)效能并不理想。

在PWM整流器的短路保護(hù)方面，文獻(xiàn)[6-8]給出了既有的牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配置架構(gòu)。既有的牽引供電系統(tǒng)采用二極管整流器，其保護(hù)配置原則為“熱累積不對(duì)裝置造成損壞”。而PWM整流器由于內(nèi)部采用IGBT器件，其短路電流特征和保護(hù)規(guī)則已經(jīng)不能依據(jù)常規(guī)的“熱累積”原則進(jìn)行，而是應(yīng)該基于“瞬時(shí)峰值”原則完成保護(hù)整定和配置。

在PWM整流器的綜合監(jiān)控技術(shù)方面，文獻(xiàn)[9]中給出了既有的牽引供電變電所的監(jiān)控配置架構(gòu)。與既有系統(tǒng)相比，PWM整流器在數(shù)據(jù)高速采集、事故驅(qū)動(dòng)型錄波技術(shù)、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用也需要給予特別介紹。

綜合上述原因，為深入研究地鐵牽引供電系統(tǒng)中PWM整流器的智能維護(hù)技術(shù)，文中將圍繞電解電容器的損傷預(yù)測(cè)方法、PWM整流器的保護(hù)配置和保護(hù)整定方法以及基于PWM整流器的虛擬儀器監(jiān)控技術(shù)與智能診斷方法等開(kāi)展工作。

1 PWM整流器電解電容損傷預(yù)測(cè)

當(dāng)前電解電容器以其體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)得到了普遍采用，但是由于其壽命受外部因素（溫度、紋波電流）影響大，因此電解電容發(fā)生損壞的生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。在PWM整流器主回路中，直流側(cè)的電解電容器是影響整個(gè)裝置運(yùn)行可靠性的重要因素。

應(yīng)用于地鐵牽引供電系統(tǒng)中的PWM整流機(jī)組，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中需要經(jīng)由交流側(cè)或直流側(cè)向其支撐電容器預(yù)充電，防止工作過(guò)程中電壓環(huán)外環(huán)的飽和以及對(duì)電容造成的電流沖擊。依據(jù)此預(yù)充電過(guò)程的充電電流，這里給出PWM整流器直流支撐電容器參數(shù)擬合方法。

大功率PWM整流器采用超低感直流母排后，電解電容等效拓?fù)渲械牡刃Т?lián)電感ESL可以忽略不計(jì)，從而RCL電容模型可以簡(jiǎn)化為RC串聯(lián)模型。考慮交直流同時(shí)充電的情況，PWM整流器在預(yù)充電過(guò)程中的等效模型如圖1所示。

圖1 PWM整流器預(yù)充電等效模型Fig.1 Equivalent model of PWM rectifier during precharging

根據(jù)KCL及KCV方程不難得到：

式（1）至式（3）中，iC為作用在電容上的充電電流，iA_Charge、iB_Charge和iC_Charge均為PWM整流器的交流側(cè)預(yù)充電電流，i′dc為PWM整流器的直流側(cè)預(yù)充電電流，UC為預(yù)充電過(guò)程中電容兩端的電壓，RESR為電容的等效串聯(lián)電阻，C為電容量，U′dc為外部直流饋線網(wǎng)壓，當(dāng)外部饋線網(wǎng)壓低于PWM整流器的直流母線電壓時(shí)，i′dc=0，因此式（1）與（2）僅對(duì)i′dc＞0有效。將式（1）進(jìn)行化簡(jiǎn)并離散化后，可得式（5）：

式中，Ts為采樣間隔時(shí)間。將式（2）及式（3）離散化可得

由于iA_Charge、iB_Charge、iC_Charge及i′dc（經(jīng)由PWM整流器的網(wǎng)側(cè)電流傳感器和直流電流傳感器）可測(cè)，因此ic能觀；由于Udc（經(jīng)由PWM整流器的直流電壓傳感器）以及i′dc可測(cè)，因此UC能觀。式（5）構(gòu)成了關(guān)于C和RESR的二元約束方程，無(wú)法求解。

基于電解電容器的老化規(guī)律，若假定在老化初期電容量與電解質(zhì)體積滿足近似線性關(guān)系，則有：

聯(lián)立式（5）及式（8），可得式（9）。

式（6）、式（7）和式（9）組成了 C 和 RESR的離散化擬合迭代公式。

圖2中給出了基于迭代擬合所估算出的電容量與測(cè)量值之間的關(guān)系，其中測(cè)量值通過(guò)電橋獲得，檢測(cè)頻率2 kHz。

2 PWM整流器非金屬性短路電流保護(hù)方法

二極管整流器中采用電力二極管作為功率元件，其保護(hù)是基于“短路電流的熱效應(yīng)不對(duì)裝置造成損壞”的原則進(jìn)行的[6-8]，這與PWM整流器的保護(hù)原則相沖突。后者的主回路由IGBT構(gòu)成，在損壞時(shí)熱累積時(shí)間極短，可以忽略，因此PWM整流器要求其短路電流的辨識(shí)以及短路保護(hù)過(guò)程具有更高的“速動(dòng)性”，應(yīng)該基于“瞬時(shí)峰值保護(hù)”的原則設(shè)計(jì)。

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，短路電流保護(hù)和框架泄漏保護(hù)是主要保護(hù)。其中，框架泄漏保護(hù)主要處理的是柜內(nèi)正極母線對(duì)機(jī)殼的短路或觸碰故障，在這一點(diǎn)上PWM整流器與二極管整流器具有極大的相似性；短路電流保護(hù)主要可分為金屬性短路保護(hù)，中近端非金屬性短路保護(hù)以及中遠(yuǎn)端非金屬性保護(hù)3種，由于金屬性短路電流借助于斷路器本體大電流脫扣能夠在4～6 ms內(nèi)完成辨識(shí)和動(dòng)作，滿足既有要求，同時(shí)中遠(yuǎn)端的短路電流PWM整流器和既有的二極管整流器相比相似點(diǎn)很多。綜上所述，下文將主要涉及PWM整流器的中近端非金屬性短路電流的辨識(shí)和動(dòng)作。

圖2 電容使用時(shí)間與其電容值之間的關(guān)系圖Fig.2 The relation between time and capacitance

圖3 （a）中所示為既有的di/dt+ΔI保護(hù)對(duì)中近端非金屬性短路電流的切除過(guò)程。圖中t1時(shí)中近端短路，t2時(shí)裝置封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖后，跳開(kāi)進(jìn)線柜，在此情況下，由于PWM整流器交流電抗器的存在，短路電流將受到抑制，有可能導(dǎo)致保護(hù)失效。由于di/dt+ΔI保護(hù)中對(duì)中近端短路保護(hù)主要依靠電流增量ΔI保護(hù)，受抑制的短路電流幅值將導(dǎo)致既有保護(hù)配置應(yīng)用于PWM整流器時(shí)無(wú)法可靠辨識(shí)短路電流。在di/dt+ΔI保護(hù)中，基于電流峰值引入Imax保護(hù)從而抑制直流進(jìn)線柜跳閘可以解決這個(gè)問(wèn)題，形成di/dt+Imax+ΔI保護(hù)，如圖3（b）所示。圖中t2處Imax保護(hù)抑制進(jìn)線跳閘，因而此后短路電流繼續(xù)增大，從而在t4處ΔI保護(hù)可靠動(dòng)作，經(jīng)由電流的辨識(shí)完成保護(hù)動(dòng)作。

顯然，經(jīng)由Imax保護(hù)的引入，通過(guò)抑制進(jìn)線柜的跳閘能夠消除PWM整流器交流側(cè)電感對(duì)其短路電流的抑制作用，增強(qiáng)了保護(hù)針對(duì)裝置直流側(cè)中近端非金屬性短路電流的魯棒性。

3 基于虛擬儀器的PWM整流器監(jiān)控技術(shù)

圖3 應(yīng)用di/dt+Imax+ΔI保護(hù)前后切除中近端短路故障的過(guò)程對(duì)比Fig.3 Affect on middle-near-side short-circuit current from the open of DC inline breaker

基于分層、多任務(wù)的配置構(gòu)架，課題組設(shè)計(jì)了PWM整流器的智能故障診斷及監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，總體功能分成了檢測(cè)、通訊管理、人機(jī)界面維護(hù)以及診斷等基本功能[6]。在整個(gè)牽引變電所內(nèi)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，由功能級(jí)的劃分不難看出本系統(tǒng)主要涉及的均為間隔層功能。PWM整流器的控制系統(tǒng)配置了完善的檢測(cè)、調(diào)理、分析和診斷單元，并提供了對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的支持，為基于高速采集、實(shí)時(shí)傳輸和數(shù)據(jù)分析虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用提供了可能[10]。此外，基于PWM整流器固有的故障特征，通過(guò)對(duì)其電壓和電流故障的辨識(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)故障元件定位，大大縮短故障后的系統(tǒng)停電維修時(shí)間。在監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)PWM整流器交直流側(cè)電壓和電流特征的采集及傳輸工作，上層監(jiān)控微機(jī)負(fù)責(zé)工業(yè)以太網(wǎng)的通訊管理、運(yùn)行人機(jī)交互界面以及執(zhí)行基本的診斷功能。

課題組采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)結(jié)合VC++語(yǔ)言編制了虛擬示波器軟件，具有數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)顯示、故障波形的捕獲存儲(chǔ)等功能。圖4中給出了裝置運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)由虛擬示波器記錄的典型故障波形。

圖4 虛擬示波器故障波形記錄Fig.4 Waveforms under malfunctions recorded by visual oscilloscope

4 結(jié) 論

面向PWM整流器在地鐵牽引供電過(guò)程中存在的維護(hù)需求，文中圍繞其關(guān)鍵元器件的老化損傷預(yù)測(cè)方法、中近端非金屬性短路電流的可靠辨識(shí)及保護(hù)方法以及基于高速檢測(cè)和工業(yè)以太網(wǎng)的綜合監(jiān)控技術(shù)等方面進(jìn)行了研究分析與介紹。在關(guān)鍵元器件的老化損傷預(yù)測(cè)方法方面，文中依據(jù)PWM整流器預(yù)充電過(guò)程中的等效數(shù)學(xué)模型以及電解電容器的參數(shù)擬合關(guān)系給出了PWM整流器直流側(cè)支撐電容器的離散化擬合迭代公式，并基于Miner準(zhǔn)則給出了其老化損傷的評(píng)價(jià)方法；在中近端非金屬性短路電流的可靠辨識(shí)及保護(hù)方面，本文在傳統(tǒng)di/dt+保護(hù)中引入電流峰值辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了短路電流的可靠辨識(shí)；在PWM整流器的綜合監(jiān)控方面，文中介紹了基于以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際故障錄波結(jié)果，驗(yàn)證了監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效性。

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