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。

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根据KCL及KCV方程不难得到：
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)：
(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。[p]

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。

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