轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子控制领域，特别涉及一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，城市轨道交通已经逐渐成为城市居民生活出行的日常选择，其中城市轨道交通牵引供电系统主要为轨道交通车辆及其他负载等提供直流电源。随着城市轨道交通路网规模的不断扩大、发车密度越来越高、列车制动频繁，产生的能量持续增加，约占牵引供电系统能量的20～40％。目前轨道交通系统配置的整流机组为24脉波不控整流，通过整流变压器及整流模块，将35kv交流电转换为dc1500v等级的直流电，为直流牵引接触网上的负载提供电源。地铁牵引供电双向变流装置可以实现直流牵引接触网和交流电网之间能量的双向流动，不仅可以为直流牵引接触网提供能量，支撑稳定直流牵引接触网的电压，同时可以吸收列车制动时多余的再生制动能量，回馈至交流电网，提高牵引供电系统的能量利用率。
3.与此同时，就要求地铁牵引供电双向变流装置必须具备直流侧短路保护和过载保护能力，大约需要承受约10ms的装置额定电流20倍的短路电流，承受120ms的装置额定电流12倍的短路电流。当牵引直流接触网出现短路故障或者过载运行时，目前配置的牵引网1500v开关柜直流断路器、地铁牵引供电双向变流装置直流接触器等受分断能力和保护时间的限制，在保护开关断开之前，地铁牵引供电双向变流装置功率模块三相桥臂igbt模块的反并联二极管无法承受较大的续流电流，同时交流系统也通过三相不控整流电路向直流侧故障点不断提供电流，超过地铁牵引供电双向变流装置的功率模块的耐受电流导致损坏，装置无法正常运行。
4.由此可知，需要有效的避免地铁牵引供电双向变流装置直流侧的短路故障、过载等造成的损坏，确保牵引供电双向变流装置在故障时可以退出运行或转入待机，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路电流及过载电流对装置的影响。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是提供一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置，用于城市轨道交通中在牵引直流接触网出现短路故障或过载电流时，避免短路电流对轨道交通牵引供电双向变流装置功率模块元器件的损坏，当牵引直流接触网出现短路故障或者过载电流时，地铁牵引供电双向变流系统功率模块三相桥臂igbt模块的反并联二极管无法承受较大的续流电流，短路保护装置能够在故障时闭锁功率模块igbt驱动脉冲信号和开关模块的igbt驱动脉冲，通过保护模块将短路电流或者过载电流泄放至电网侧的变压器低压侧绕组，实现保护牵引供电双向变流装置内部功率器件不受损坏，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路及过载电流对装置的影响。
6.为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通牵引供电双
向变流系统短路保护装置，包括隔离变压器、保护模块、开关模块，散热模块和控制模块；
7.所述隔离变压器的高压侧与交流电网连接，其低压侧分别与双向变流系统的交流侧低压断路器和所述保护模块的输出端连接；
8.所述保护模块的输入端与所述双向变流系统的直流侧连接；
9.所述开关模块串联设置于所述双向变流系统的功率模块的直流侧；
10.所述控制模块获取所述保护模块输入侧的直流电流值，并在所述直流电流值大于或等于预设过流保护值时封锁所述开关模块的脉冲信号和所述双向变流系统功率模块的脉冲信号，使所述双向变流系统停止运行，并将短路电流或过载电流泄放至隔离变压器的低压绕组，以保护所述功率模块正常运行。
11.进一步地，所述隔离变压器的低压侧包括：第一低压绕组和第二低压绕组；
12.所述第一低压绕组与所述保护模块的交流输出侧连接；
13.所述第二低压绕组与双向变流系统的交流侧低压断路器连接。
14.进一步地，还包括：所述散热模块，其用于为设置于其表面的所述保护模块散热；
15.所述散热模块包括：散热器和散热风机。
16.进一步地，所述散热模块包括：温度传感器和温度继电器；
17.所述温度传感器设置于所述散热器的表面，获取所述散热器的表面温度，并将其发送至所述控制模块；
18.所述温度继电器设置于所述散热器的表面，其反馈信号与所述控制模块的信号输入接口连接，在所述散热器的表面温度超过所述温度继电器的设定阈值时，所述温度继电器的反馈信号由常开转换为常闭，并将转换信号传至所述控制模块，依据所述控制模块的控制指令控制所述保护模块停止运行。
19.进一步地，所述开关模块包括：第一igbt单元、第二igbt单元和rc吸收回路；
20.所述第一igbt单元和第二igbt单元共发射极反向串联，所述第一igbt单元的集电极为输入端，所述第二igbt单元的集电极为输出端；
21.所述rc吸收回路与所述第一igbt单元、第二igbt单元的驱动接口连接。
22.进一步地，所述开关模块的rc吸收回路包括：第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；
23.所述第一电阻与所述第一二极管并联连接，所述第二电阻与所述第二二极管并联连接；
24.所述第一电阻的一端通过所述第一电容和所述第二电容与所述第二二极管的负极连接；
25.所述第一二极管的正极与所述第一igbt单元的集电极连接，第二二极管的正极与所述第二igbt单元的集电极连接。
26.相应地，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置控制方法，包括如下步骤：
27.通过控制模块获取双向变流装置直流侧的直流电流值；
28.判断所述直流电流值是否大于或等于所述控制模块预设的直流侧过流保护值；
29.如所述直流电流值大于或等于所述直流侧过流保护值，则封锁开关模块的脉冲信号和功率模块的脉冲信号，使所述双向变流系统停止运行，并将短路电流或过载电流泄放
至隔离变压器的低压绕组，以保护所述双向变流系统的功率模块；
30.如所述直流电流值小于所述直流侧预设保护值，则保持所述功率模块的脉冲信号，使所述双向变流系统继续运行。
31.本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
32.当牵引直流接触网出现短路故障或者过载电流时，闭锁功率模块igbt驱动脉冲信号和开关模块的igbt驱动脉冲，通过短路保护装置的保护模块将短路电流或者过载电流泄放至电网侧的变压器低压侧绕组，实现保护牵引供电双向变流装置内部功率器件不受损坏，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路及过载电流对装置的影响。
附图说明
33.图1是本发明实施例提供的轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置拓扑结构图；
34.图2是本发明实施例提供的轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置原理示意图；
35.图3是本发明实施例提供的开关模块拓扑结构图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
37.图1是本发明实施例提供的轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置拓扑结构图。
38.图2是本发明实施例提供的轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置原理示意图。
39.请参照图1和图2，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置，包括：隔离变压器、保护模块、开关模块、散热模块和控制模块。隔离变压器的高压侧与交流电网连接，其低压侧分别与双向变流系统的交流侧低压断路器和保护模块的输出端连接；保护模块的输入端与双向变流系统的直流侧连接；开关模块串联设置于双向变流系统的功率模块的输出端；控制模块获取保护模块输入侧的直流电流值，并在直流电流值大于或等于控制模块预设的直流侧过流保护值时封锁开关模块的脉冲信号和双向变流系统功率模块的脉冲信号，使双向变流系统停止运行，并将短路电流或过载电流泄放至隔离变压器的低压绕组，以保护功率模块。
40.上述短路保护装置在牵引直流接触网出现短路故障或者过载电流时，闭锁功率模块igbt驱动脉冲信号和开关模块的igbt驱动脉冲，通过短路保护装置的保护模块将短路电流或者过载电流泄放至电网侧的变压器低压侧绕组，实现保护牵引供电双向变流装置内部功率器件不受损坏，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路及过载电流对装置的影响。
41.具体的，保护模块(scr)的输出端与变压器(tr1)低压侧绕组(a1b1c1)连接，保护单元的输入端与地铁牵引供电双向变流装置的直流侧(dc 、dc
‑
)连接，同时保护单元需配置散热模块及其报警保护单元。
42.保护模块主要是可控晶闸管(scr)及其驱动电路，当轨道交通供电系统的直流母线电压(即保护单元(scr)的直流侧)升高到大于牵引供电双向变流装置交流侧三相峰值电压的时候，保护模块(scr)的直流侧电压大于交流侧电压，则控制可控晶闸管(scr)截止，因此不会导致牵引供电双向变流装置交流侧的电能通过可控晶闸管(scr)传输到直流牵引接触网侧。
43.控制模块(kz)主要是采样保护单元的输入侧的电流值，控制轨道交通牵引供电双向变流装置功率单元的脉冲信号，同时监测短路保护模块的投入使用状态。
44.进一步地，隔离变压器的低压侧包括：第一低压绕组和第二低压绕组，第一低压绕组与保护模块的交流输出侧连接，第二低压绕组与双向变流系统的交流侧低压断路器连接。
45.隔离变压器(tr)主要是交流侧35kv变压器，变压器采用干式、户内、自冷、环氧树脂浇注，连接方式为dy11/y11，高压侧连接35kv交流电网，低压侧分为2个绕组，分别连接保护模块交流输出侧和轨道交通牵引供电双向变流系统的交流侧低压断路器，电压为牵引供电双向变流装置的交流额定电压，在直流侧短路故障时，短路保护装置将短路电流或者过载电流泄放至变压器的低压侧绕组。
46.可选的，隔离变压器为35kv双分裂变压器。
47.进一步地，还包括：散热模块，其用于为设置于其表面的保护模块散热。散热模块包括：散热器和散热风机。
48.进一步地，散热模块的报警保护单元包括温度传感器和温度继电器；温度传感器设置于散热器的表面，获取散热器的表面温度，并将其发送至控制模块；温度继电器设置于所述散热器的表面，其反馈信号与所述控制模块的信号输入接口连接，在散热器的表面温度超过温度继电器的设定阈值时，温度继电器的反馈信号由常开转换为常闭，并将转换信号传至控制模块，依据控制模块的控制指令控制保护模块停止运行。
49.散热模块主要是保护模块可控晶闸管(scr)配置的散热器及散热风机，同时散热器上安装pt100温度传感器及85℃温度继电器组成报警保护单元，实时采集散热器的表面温度，并传递至控制模块，具备硬件、软件过温保护。
50.图3是本发明实施例提供的开关模块拓扑结构图。
51.请参照图3，开关模块包括：第一igbt单元、第二igbt单元和rc吸收回路；第一igbt单元和第二igbt单元共发射极反向串联，第一igbt单元的集电极为输入端，第二igbt单元的集电极为输出端；rc吸收回路与第一igbt单元、第二igbt单元的驱动接口连接。
52.开关模块主要是两个共发射极(e极)反向串联的igbt及其驱动电路，在牵引网直流侧短路故障时，共发射极(e极)的igbt1、igbt2直接关断，防止短路电流损坏牵引供电双向变流装置内部的功率模块。
53.进一步地，开关模块的rc吸收回路包括：第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；第一电阻与第一二极管并联连接，第二电阻与第二二极管并联连接；第一电阻的一端通过第一电容和第二电容与第二二极管的负极连接；第一二极管的
正极与第一igbt单元的集电极连接；第二二极管的正极与第二igbt单元的集电极连接。
54.短路保护装置实时采样保护模块的输入侧的直流电流值，并将采样到的直流电流值与控制模块预设的直流侧过流保护值进行对比，判断直流侧是否存在短路故障或者过载情况。若没有故障，则保持功率单元的脉冲信号，装置继续运行，若出现短路故障或者过载情况，则封锁开关单元和功率单元的脉冲信号，装置转入停机状态，保护模块投入使用，将短路电流或者过载电流泄放至电网侧的变压器低压侧绕组，保护牵引供电双向变流装置内部功率器件不受损坏，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路及过载电流对装置的影响。同时在报警保护单元工作时实时采集散热器的表面温度，报警保护单元判断散热系统是否存在过温故障，保护保护单元的可控晶闸管不会因为温度过高导致损坏。
55.相应地，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置控制方法，包括如下步骤：
56.s100，获取双向变流装置的直流侧和交流侧的电气参数。
57.s200，判断直流电流值是否大于或等于控制模块预设的直流侧过流保护值。
58.s300，如直流电流值大于或等于直流侧过流保护值，则封锁开关模块的脉冲信号和双向变流系统功率模块的脉冲信号，使双向变流系统停止运行，并将短路电流或过载电流泄放至隔离变压器的低压绕组，以保护功率模块。
59.s400，如直流电流值小于直流侧过流保护值，则保持功率模块的脉冲信号，使双向变流系统继续运行。
60.本发明实施例旨在保护一种轨道交通牵引供电双向变流系统短路保护装置及其控制方法，其中装置包括：隔离变压器、保护模块、开关模块、散热模块和控制模块；隔离变压器的高压侧与交流电网连接，其低压侧分别与双向变流系统的交流侧低压断路器和保护模块的输出端连接；保护模块的输入端与双向变流系统的直流侧连接；开关模块串联设置于双向变流系统的功率模块的直流侧；控制模块获取保护模块的输入侧的直流电流值，并在直流电流值大于或等于预设的控制模块预设的直流侧过流保护值时封锁开关模块的脉冲信号和双向变流系统功率模块的脉冲信号，使双向变流系统停止运行，并将短路电流或过载电流泄放至隔离变压器的低压绕组，以保护功率模块。上述技术方案具备如下效果：
61.当牵引直流接触网出现短路故障或者过载电流时，闭锁双向变流系统功率模块igbt驱动脉冲信号和开关模块的igbt驱动脉冲，通过保护模块将短路电流或者过载电流泄放至电网侧的变压器低压侧绕组，实现保护牵引供电双向变流装置内部功率器件不受损坏，同时在故障切除后装置仍能维持正常运行，最有效的减少短路及过载电流对装置的影响，提高地铁牵引供电双向变流装置的可靠性，同时可以支撑直流牵引系统的稳定运行，提高系统的短路耐受能力。
62.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。