同相供電中PFC 故障條件下的狀態分析及保護

魏 昕，韓正慶

0 引言

隨著國內高速、重載鐵路的快速發展，現有牽引供電系統在諧波、無功、負序和“過分相”等方面的問題日益突出，降低了供電的效率與質量，嚴重影響了鐵路運營的安全性、可靠性和經濟性。同相牽引供電系統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。同相牽引供電系統中各種暫態過程，特別是系統發生故障時將對PFC 產生巨大的影響，嚴重時將危及裝置自身的安全，關系到PFC 是否能夠在系統中長期安全運行。

本文在介紹同相供電系統和PFC 的結構和功能的基礎上，分析了PFC 在外部以及內部發生故障時的狀態變化及其機理，并針對故障特征提出保護方案。

1 同相供電系統

1.1 同相牽引供電系統結構

同相供電系統是指線路上不同變電所供電的區段接觸網電壓相位相同、線路上無電分相環節的牽引供電方式。本文主要研究文獻[1]中提出的同相牽引供電系統方案，在現有牽引供電系統結構上，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 同相牽引供電系統結構圖

1.2 PFC 結構及工作原理

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，開關元件采用IGBT，通過直流環節的解耦實現它們的獨立控制。正常工作情況下，網側變流器工作在整流狀態，負荷側變流器工作在逆變狀態，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節，在2 個端口之間實現有功功率的交換，同時，負荷側變流器補償無功、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展水平相適應，采用了變比為k∶1 的隔離變壓器B1和B2。由于單相系統的直流側電壓本身存在幅度較大的100 Hz 波動分量，為此在直流側引入LC 調諧濾波環節，用以濾去二倍頻諧波，保證直流電壓的平穩，從而提高系統的動態性能。

圖2 PFC 等效電路圖

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

式中，h(t)為負載電流中的諧波成分。

欲實現平衡變換的目的，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。

根據圖2 中的電流關系，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載有功電流，并補償負載的無功電流與諧波電流；β端口則需要輸入與負載一半有功功率相對應的電流。可見，有功功率的傳遞具有方向性，從網側流向負荷側。

2 外部故障

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

2.1 饋線故障

如圖3 所示，a 處發生短路故障時，饋線電流突然增大，根據PFC 補償電流機理，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，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 的觸發脈沖，限制補償電流繼續增加，一旦條件允許即恢復裝置的運行。饋線發生故障時，封鎖脈沖，PFC 停止工作；饋線保護動作，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，根據繼電保護選擇性的要求，1QF、2QF 不應誤動作。

2.2 母線故障

b 處發生短路故障時，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，脈沖封鎖保護能夠有效控制短路電流的增加。牽引變壓器低壓側保護能夠反應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，當母線發生故障時，1QF、2QF 能及時動作。

3 內部故障

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

3.1 內部短路故障

圖3 中，c 處發生短路故障時，PFC 檢測到的α側輸出電流即母線流入短路點的電流，而不是α側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的影響。可通過在裝置兩側設置過電流保護來切除該故障。

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

3.2 電流檢測元件故障

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

負載電流檢測元件發生故障時，對PFC 而言，相當于負載發生了突變，認為其工作在空載狀態，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生故障后，無論該側輸出多大電流，從控制器的角度來看，輸出電流總是小于參考電流，控制器認為發生了欠補償情況，控制的結果使該側輸出電流迅速增大，出現嚴重的過流現象，并造成直流側電容電壓的劇烈變化，嚴重危及裝置的安全運行，應立即停止工作。

4 保護

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

（1）將PFC 的脈沖封鎖保護分為2 個部分：IGBT 自身的安全保護措施和故障條件下的保護措施。當IGBT 發生故障時，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。現在的微機保護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，立即發出一個命令給PFC 控制回路，封鎖所有進入驅動芯片的脈沖信號，同時經過整定延時，兩側斷路器跳閘，PFC 裝置退出運行。過電流保護的整定時限應大于饋線保護動作時間，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。要求PFC 兩側斷路器在合位，若牽引母線電壓低于整定值，失壓保護動作，兩側斷路器跳閘。

5 結束語

介紹了PFC 結構及其功能實現，具體分析了PFC 在各種故障情況下的狀態變化，包括饋線故障、母線故障系統及內部故障等。結果表明，當發生上述故障時，有可能出現PFC 輸出過流、母線失壓等現象，威脅到PFC 裝置的安全運行。對此，提出了相應的保護方案，這為設計成套同相供電保護方案打下了基礎，但需要進一步驗證和完善。

[1] 魏光，李群湛，等.新型同相牽引供電系統方案[J].電力系統自動化，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[J].鐵道學報，2003，25（3）.

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

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