地铁牵引供电PWM整流器智能维护技术

摘要：面向应用于地铁牵引供电系统中的PWM整流器的智能诊断技术开展了研究。文中首先围绕影响PWM整流器可靠性最大的直流支撑电容器提出了基于参数拟合以及Miner累积损伤原则的电解电容器损伤预测方法；其次，文中基于PWM整流器直流中近端非金属性短路时短路电流受其交流电抗器抑制，从而无法可靠实现保护的特点，研究了PWM整流器的非金属性短路电流辨识方法；最后，结合PWM整流器对高性能故障诊断以及虚拟仪器技术的支持，基于分层分布思想以及虚拟仪器技术设计了地铁牵引变电所内PWM整流器的综合监控系统，介绍了系统的组成原理并给出了现场故障录波结果。
关键词：PWM整流器；电容器；损伤评估；短路电流辨识；虚拟仪器

    在城轨牵引供电系统中应用PWM整流器后能够将列车制动能量回馈交流电网，且中压网络的功率因数可调，具有较高应用价值。作为复杂的全控型电力电子变换器，PWM整流器与既有的二极管整流器在系统架构、工作原理、损伤及老化规律、故障诊断和现场监测手段等方面有很大区别。由于PWM整流器目前并未在地铁牵引供电系统中得到大范围应用，因此对于其智能维护技术(损伤评估、短路保护、综合监控)方面尚无研究成果。
    在PWM整流器关键部件的损伤评估方面，通过分析PWM整流器的可靠性模型不难发现，在其组成器件中，直流侧起支撑作用的电容器(通常为大容量电解电容器)是影响整个装置可靠性的薄弱点。因此，对于PWM整流器内电解电容器的损伤和老化机理需要进行专门研究。目前，电解电容器的损伤评估方面已有了一些研究成果，文献中基于电解质的散失程度完成电解电容寿命预测；文献中经由电容等效串电阻(ESR)的变化规律和数值完成电容的损伤评估；文献中将机械领域的累积损伤原理应用于电解电容的损伤分析中，经由电解质散失的累积情况辨识ESR。上述文献中给出的ESR辨识方法应用于PWM整流器以评估其直流支撑电解电容的疲劳损伤时，由于PWM整流器装置容量大、负载波动剧烈从而ESR辨识效能并不理想。
    在PWM整流器的短路保护方面，文献给出了既有的牵引供电系统的保护配置架构。既有的牵引供电系统采用二极管整流器，其保护配置原则为“热累积不对装置造成损坏”。而PWM整流器由于内部采用IGBT器件，其短路电流特征和保护规则已经不能依据常规的“热累积”原则进行，而是应该基于“瞬时峰值”原则完成保护整定和配置。
    在PWM整流器的综合监控技术方面，文献中给出了既有的牵引供电变电所的监控配置架构。与既有系统相比，PWM整流器在数据高速采集、事故驱动型录波技术、实时工业以太网通讯传输等方面的应用也需要给予特别介绍。
    综合上述原因，为深入研究地铁牵引供电系统中PWM整流器的智能维护技术，文中将围绕电解电容器的损伤预测方法、PWM整流器的保护配置和保护整定方法以及基于PWM整流器的虚拟仪器监控技术与智能诊断方法等开展工作。

1 PWM整流器电解电容损伤预测
    当前电解电容器以其体积小、价格低廉等优势得到了普遍采用，但是由于其寿命受外部因素(温度、纹波电流)影响大，因此电解电容发生损坏的生产事故时有发生。在PWM整流器主回路中，直流侧的电解电容器是影响整个装置运行可靠性的重要因素。
    应用于地铁牵引供电系统中的PWM整流机组，在开机过程中需要经由交流侧或直流侧向其支撑电容器预充电，防止工作过程中电压环外环的饱和以及对电容造成的电流冲击。依据此预充电过程的充电电流，这里给出PWM整流器直流支撑电容器参数拟合方法。
    大功率PWM整流器采用超低感直流母排后，电解电容等效拓扑中的等效串联电感ESL可以忽略不计，从而RCL电容模型可以简化为RC串联模型。考虑交直流同时充电的情况，PWM整流器在预充电过程中的等效模型如图1所示。

  根据KCL及KCV方程不难得到：
   
    式(1)至式(3)中，iC为作用在电容上的充电电流，iA_Change、iB_Change和iC_Change均为PWM整流器的交流侧预充电电流，为PWM整流器的直流侧预充电电流，UC为预充电过程中电容两端的电压，RESR为电容的等效串联电阻，C为电容量，为外部直流馈线网压，当外部馈线网压低于PWM整流器的直流母线电压时，=0，因此式(1)与(2)仅对>0有效。
    将式(1)进行化简并离散化后，可得式(5)：
    
    由于iA_Change、iB_Change、iC_Change及(经由PWM整流器的网侧电流传感器和直流电流传感器)可测，因此ic能观；由于Udc(经由PWM整流器的直流电压传感器)以及可测，因此UC能观。式(5)构成了关于C和RESR的二元约束方程，无法求解。
    基于电解电容器的老化规律，若假定在老化初期电容量与电解质体积满足近似线性关系，则有：
    
    联立式(5)及式(8)，可得式(9)。
    
    式(6)、式(7)和式(9)组成了C和RESR的离散化拟合迭代公式。

    图2中给出了基于迭代拟合所估算出的电容量与测量值之间的关系，其中测量值通过电桥获得，检测频率2 kHz。

2 PWM整流器非金属性短路电流保护方法
    二极管整流器中采用电力二极管作为功率元件，其保护是基于“短路电流的热效应不对装置造成损坏”的原则进行的，这与PWM整流器的保护原则相冲突。后者的主回路由IGBT构成，在损坏时热累积时间极短，可以忽略，因此PWM整流器要求其短路电流的辨识以及短路保护过程具有更高的“速动性”，应该基于“瞬时峰值保护”的原则设计。
    在地铁牵引供电系统中，短路电流保护和框架泄漏保护是主要保护。其中，框架泄漏保护主要处理的是柜内正极母线对机壳的短路或触碰故障，在这一点上PWM整流器与二极管整流器具有极大的相似性；短路电流保护主要可分为金属性短路保护，中近端非金属性短路保护以及中远端非金属性保护3种，由于金属性短路电流借助于断路器本体大电流脱扣能够在4～6 ms内完成辨识和动作，满足既有要求，同时中远端的短路电流PWM整流器和既有的二极管整流器相比相似点很多。综上所述，下文将主要涉及PWM整流器的中近端非金属性短路电流的辨识和动作。

 图3(a)中所示为既有的di／dt+△I保护对中近端非金属性短路电流的切除过程。图中t1时中近端短路，t2时装置封锁驱动脉冲后，跳开进线柜，在此情况下，由于PWM整流器交流电抗器的存在，短路电流将受到抑制，有可能导致保护失效。由于di／dt+△I保护中对中近端短路保护主要依靠电流增量△I保护，受抑制的短路电流幅值将导致既有保护配置应用于PWM整流器时无法可靠辨识短路电流。在di／dt+△I保护中，基于电流峰值引入Imax保护从而抑制直流进线柜跳闸可以解决这个问题，形成di／dt+Imax+△I保护，如图3(b)所示。图中t2处Imax保护抑制进线跳闸，因而此后短路电流继续增大，从而在t4处△I保护可靠动作，经由电流的辨识完成保护动作。
    显然，经由Imax保护的引入，通过抑制进线柜的跳闸能够消除PWM整流器交流侧电感对其短路电流的抑制作用，增强了保护针对装置直流侧中近端非金属性短路电流的鲁棒性。

3 基于虚拟仪器的PWM整流器监控技术
    基于分层、多任务的配置构架，课题组设计了PWM整流器的智能故障诊断及监控系统。在系统中，总体功能分成了检测、通讯管理、人机界面维护以及诊断等基本功能。在整个牵引变电所内的综合监控系统中，由功能级的划分不难看出本系统主要涉及的均为间隔层功能。PWM整流器的控制系统配置了完善的检测、调理、分析和诊断单元，并提供了对工业以太网的支持，为基于高速采集、实时传输和数据分析虚拟仪器技术的应用提供了可能。此外，基于PWM整流器固有的故障特征，通过对其电压和电流故障的辨识也能够实现实时故障元件定位，大大缩短故障后的系统停电维修时间。在监控系统中，数据采集结点负责PWM整流器交直流侧电压和电流特征的采集及传输工作，上层监控微机负责工业以太网的通讯管理、运行人机交互界面以及执行基本的诊断功能。

    课题组采用工业以太网通讯技术结合VC++语言编制了虚拟示波器软件，具有数据波形实时显示、故障波形的捕获存储等功能。图4中给出了装置运行现场经由虚拟示波器记录的典型故障波形。

4 结论
    面向PWM整流器在地铁牵引供电过程中存在的维护需求，文中围绕其关键元器件的老化损伤预测方法、中近端非金属性短路电流的可靠辨识及保护方法以及基于高速检测和工业以太网的综合监控技术等方面进行了研究分析与介绍。在关键元器件的老化损伤预测方法方面，文中依据PWM整流器预充电过程中的等效数学模型以及电解电容器的参数拟合关系给出了PWM整流器直流侧支撑电容器的离散化拟合迭代公式，并基于Miner准则给出了其老化损伤的评价方法；在中近端非金属性短路电流的可靠辨识及保护方面，本文在传统di／dt+保护中引入电流峰值辨识方法，实现了短路电流的可靠辨识；在PWM整流器的综合监控方面，文中介绍了基于以太网和数据采集节点的分布式综合监控系统，并给出了现场的实际故障录波结果，验证了监控系统功能的有效性。