本发明涉及一种再生能量回收系统的直流侧保护方法，适用于地铁、轻轨等各种需要安装能量回馈式再生能量回收系统的应用领域。
背景技术：
：图1为再生能量回收系统直流侧保护方案配置图。如图所示，直流系统包括整流系统、直流母线、直流馈线等。整流系统作为直流系统的电源，将交流母线的电能经整流处理后转变为直流电能，提供给直流系统。整流系统、直流馈线都连接到直流母线上，以实现电能的汇集和分配。新增的再生能量回收系统作为直流母线的一条馈线，通过直流断路器接入直流母线。当地铁机车采用直流电源，机车加速时需要通过接触网从直流系统吸收电能转化为机械能，当机车减速时又会将机械能转化为电能回馈到牵引供电直流系统中。这种减速时的回馈能量即为再生能量。因为以下原因，再生能量必须要得到有效利用：1)地铁运营过程中机车启停频繁，回收再生能量可以大量节省能源，降低运营费用；2)再生能量如果不能回收，只能通过电阻发热消耗掉，带来地铁系统内的温升，增加空调系统的耗电量。3)再生能量会推高直流母线的电压，对电气设备和乘客的安全形成威胁。因此，越来越多的新建地铁线路将再生能量回收系统纳入建设选项。在多种类型的再生能量回收系统中，能馈式再生能量回收系统将直流系统的再生电能逆变为交流电能后回馈到交流供电系统中，具有建设成本低、技术成熟、生命周期长的特点，是应用最广泛的再生能量回收方案。同时，能馈式再生能量回收系统在接入既有交直流系统时会带来很多保护配合方面的问题：1)能馈式再生能量回收系统能够将直流电能逆变为交流电能，同时在特定条件下也会将交流电能整流为直流电能。这两种运行模式的切换对既有直流系统的保护设备带来很大的干扰，例如：没有再生能量回收系统时，直流母线仅有整流器这一单一直流电源，当发生直流母线故障后，既有直流保护将整流器从直流母线切除，直流母线即处于无电状态；增加再生能量回收系统后，由于再生能量回收系统续流二极管、内置支撑电容器和限流电抗器的影响，整流器从直流母线切除后，再生能量系统会一直保持直流母线的带电状态，维持较小的故障电流，对后续检修和设备安全带来隐患。2)直流系统内部既有保护配合关系复杂，再生能量回收系统接入后进一步增加了保护配合方面的难度，例如：既有保护方案的定值整定是按照没有再生能量会后系统整定的，保护功能包括变化率保护、电流速断保护、机械脱扣保护、逆流保护等，配合关系复杂。增配再生能量回收系统后，最优方案是在不调整现有定值情况下，通过合理配置新增再生系统直流断路器的保护功能，既能够有效保护再生能量回收系统，也不会干扰地铁直流系统的既有保护功能。目前，关于再生能量回收系统的研究主要集中在各类方案的功能比选上，或者是再生能量回收系统本体设备的实现上(如《北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置》，现代城市轨道交通2005年1月)，较少关心系统接入后如何与现有保护方案的配合问题。针对上述情况，如果能够提出一种完善的保护配合整定方法，将直流系统中常用的保护功能通过合理配置，优化整定，在不调整既有直流系统保护定值的前提下，实现能馈式再生能量回收系统保护功能与既有直流系统保护功能的配合，同时满足再生能量回收系统的自身的保护需求，将具有良好的社会和经济效益。技术实现要素：本发明提供了一种适用于能馈式再生能量回收系统的直流侧保护方法，一种再生能量回收系统的直流侧保护方法，其特征在于：所述再生能量回收系统的直流侧断路器配置三种保护功能，包括电流速断保护、逆流保护和联跳保护，所述三种保护功能应与再生能量回收系统的内置保护和地铁直流系统的既有保护进行配合；所述电流速断保护是带有方向闭锁的速断保护，当电流方向满足允许条件、且故障电流大于电流门槛定值的持续时间大于延时时间定值时，跳开直流侧断路器；所述逆流保护功能当电流方向满足逆流条件、且持续时间大于延时时间定值时，跳开直流侧断路器；所述联跳保护功能监测直流断路器的分合状态，直流断路器被跳开后，联跳保护跳开再生能量回收系统的交流侧连接断路器。作为本发明的进一步优选方案，所述电流速断保护中，方向允许条件为直流电流从直流母线流向再生能量回收系统；电流门槛定值Iset1应与再生能量回收系统的内置保护定值相同，以实现与内置保护的后备配合关系；延时时间定值Tset1应满足公式以实现与直流电源进线保护的后备配合关系；公式中，Tcb为直流断路器分断故障时的动作时间，Isetm为直流电源进线保护的电流门槛定值，di/dt为故障过程中的故障电流变化速率，K1为可靠性系数且1≤K1≤1.5。作为本发明的进一步优选方案，所述逆流保护功中，逆流条件为直流电流从再生能量回收系统流向直流母线；延时时间定值Tset2应满足公式Tset2≥K2×MAX(TL1…TLn)+Tcb，以实现与直流母线馈线保护的后备配合关系；公式中，TLn为第n条馈线保护的动作延时，MAX(TL1…TLn)为所有馈线保护动作延时时间的最大值，Tcb为直流断路器分断故障时的动作时间，K2为可靠性系数且1≤K2≤1.5。本发明提供的再生能量回收系统的直流侧保护方法实现以下一些有益效果：1、将直流系统中常用的保护功能通过合理配置，优化整定，在不调整既有直流系统保护定值的前提下，实现了能馈式再生能量回收系统保护功能与既有直流系统保护功能的配合，减少了再生能量回收系统投入时的定值整定工作量。2、与再生能量回收系统的内置保护进行了有效的配合，考虑了内置保护失灵时的后备保护功能，保护方案更可靠。3、配置逆流保护功能，解决了母线故障时由于系统内置续流二极管、支撑电容器和限流电抗器的影响，再生能量回收系统无法从直流母线解列，导致直流母线长期带电影响检修的问题。附图说明图1为再生能量回收系统直流侧保护方案配置图。具体实施方式以下将结合附图1，对本发明的技术方案进行详细说明。该方法要求用于再生能量回收系统与直流母线连接的直流断路器应实现以下保护功能：(1)带方向的电流速断保护功能。该保护规定直流电流的正方向为直流母线流向再生能量回收系统，此时满足方向允许条件。对于图1中的K1和K2故障，不满足该保护的方向条件，不在该保护的保护范围内。该保护的电流门槛定值Iset1应与再生能量回收系统的内置保护定值相同，以实现与内置保护的后备配合关系。内置保护通常为电流速断保护，电流定值根据再生能量回收系统设备(如IGBT模块)的承受能力整定，延时时间为0ms。与内置保护电流门槛定值相同，当发生再生系统(再生能量回收系统)的内部故障时，如果内置保护因为采样错误、装置闭锁等各种原因拒动，带方向的电流速断保护可以作为后备保护，代为切除故障，保障再生系统的安全。该保护的延时时间定值Tset1应满足公式以实现与直流电源进线保护的后备配合关系。其中，Tcb为直流断路器分断故障时的动作时间(单位为毫秒)，Isetm为直流母线电源进线大电流脱扣保护(图1中60断路器内实施)的电流门槛定值(单位为安培)，di/dt为故障过程中的故障电流变化速率(单位为安培/毫秒)，K1为可靠性系数且1≤K1≤1.5。以图1中的K3故障为例说明：故障发生后故障电流快速增加，到达Iset1定值门槛后，30断路器的电流速断保护启动，经Tset1时间跳闸出口，30断路器收到跳闸信号后开始切除故障，经Tcb时间后故障被切除。由于60断路器的大电流脱扣保护是无延时保护，一旦故障电流达到其定值Isetm，立刻跳闸出口。为了防止30断路器切除K3故障前60断路器跳闸，Tset1的整定时间必须满足考虑一定的可靠性系数后，公式调整为(2)逆流保护功能。逆流保护规定30断路器直流电流的正方向为直流母线流向再生能量回收系统，当电流方向相反时满足逆流启动条件。设置逆流保护的主要目的是防止直流母线发生故障时，由于再生能量回收系统内置电抗器的限流作用，导致再生系统无法从故障母线上切除。设置该保护的原因是：再生能量回收系统正常运行时应仅工作于逆变模式，此时流过30断路器的电流方向应该为正方向；当电流方向为反方向时，说明再生能量回收系统工作在整流模式，此时应启动逆流保护，以确保再生能量系统从直流母线上切除。逆流保护的延时时间定值Tset2应满足公式Tset2≥K2×MAX(TL1…TLn)+Tcb，以实现与直流母线馈线保护的后备配合关系。其中，TLn为第n条馈线保护的动作延时，MAX(TL1…TLn)为所有馈线保护动作延时时间的最大值，Tcb为直流断路器分断故障时的动作时间，K2为可靠性系数且1≤K2≤1.5。以图1中的K1故障为例说明：当发生接触网馈线故障时，再生能量系统的不控整流电路会作为直流电源向故障点提供电能，此时流过30断路器的电流方向应该为反方向，逆流保护会启动。但是K1故障在10断路器的保护范围，应该由10断路器优先切除。因此逆流保护的延时时间定值Tset2应大于10断路器保护的延时时间定值以及10断路器自身切除故障的动作时间Tcb。直流母线通常配置多条直流馈线，因此逆流保护的延时时间定值Tset2应大于所有馈线保护的最大延时时间MAX(TL1…TLn)。考虑可靠性系数后，公式即为Tset2≥K2×MAX(TL1…TLn)+Tcb。(3)联跳保护功能。该保护要求直流断路器被跳开的同时跳开再生能量回收系统的交流侧连接断路器。以图1中K3故障为例说明：如果仅有30断路器的带方向电流速断保护动作切除故障，30断路器跳开后再生系统并没有被完全切除，再生能量回收系统的不控整流电路仍会作为电源向K3故障点提供故障电流。增加联跳功能后，再生能量回收系统的交流侧断路器也被跳开，不控整流电路的交流电源被切除，K3故障被完全隔离。图1所示的是一个典型地铁牵引降压变电所安装能馈式再生能量回收系统后的结构图。当地铁机车处于刹车减速运行模式时，机械能被回馈到直流母线，推到直流母线电压。再生能量回收系统不断监视直流母线电压(额定电压为1500V)，当电压升高到1750V时，再生系统投入逆变模式，将直流母线的电能逆变为交流电能，回馈到交流母线。整流系统通过直流断路器60连接到直流母线。60断路器的大电流脱扣保护一般设置为12000A，当故障电流大于该定值后，60断路器立刻跳闸。该大电流脱扣保护的保护范围为直流母线，同时也可以作为直流馈线(含接触网馈线和再生能量回收系统馈线)的后备保护。接触网馈线设置方向变化率保护，正方向为直流母线指向接触网；该保护主要用于躲避机车启动电流的干扰，以便于在故障早期切除故障。接触网馈线也设置了大电流脱扣保护，其定值一般为9000A，当故障电流大于该定值后，断路器立刻跳闸。再生能量回收系统具有内置保护功能，采用电流速断原理，其电流定值按照系统内部IGBT器件的最大耐受能力整定。根据经验，其定值为2080A，系统电流大于2080A后立刻闭锁IGBT控制脉冲，关闭逆变功能，并发出跳闸指令跳开直流断路器30和交流断路器。为了实现与以上所述保护系统的配合，直流断路器30根据本发明提供的配置原则，保护配置如下：1)配置带方向的电流速断保护。该保护规定直流电流的正方向为直流母线流向再生能量回收系统，此时满足方向允许条件；该保护电流门槛定值整定为2080A，与内置保护电流定值相同。故障过程中故障电流的变化速率di/dt一般小于400A/ms，30直流断路器的分闸时间一般小于5ms，可靠性系数取1.3，根据公式：计算得到，电流速断保护的时间定值小于15.2ms即可满足与60断路器大电流脱扣保护的配合要求。为了更快速地切除再生能量回收系统内的故障，延时定值实际整定为5ms，如图1所示。2)逆流保护功能。该保护规定直流电流的正方向为直流母线流向再生能量回收系统，当电流方向相反时满足逆流启动条件；为了增加保护的灵敏性，对于高阻接地故障仍然具有良好的判断能力，该保护的逆流电流定值整定为100A；接触网馈线设置了变化率保护和大电流脱扣保护，其单条馈线保护的动作延时不大于5ms，直流断路器的分闸时间一般小于5ms，可靠性系数取1.3，根据公式Tset2≥K2×MAX(TL1…TLn)+Tcb计算得到，该保护的延时时间定值应大于11.5ms，实际整定为12ms，如图1所示。3)联跳保护功能。该保护要求直流断路器被跳开的同时跳开再生能量回收系统的交流侧连接断路器。以上实施案例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。当前第1页1 2 3