一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法及装置与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法及装置。


背景技术：

2.同相供电系统的牵引变电所设备主要包括牵引变压器(tt)、高压匹配变压器(hmt)以及同相供电装置(cpd)。牵引变压器及高压匹配变压器通常封装为一个变压器，即scott变压器，当变压器低压侧的m座与t座的视在功率相等，且功率因数相等时，牵引变压器高压侧的负序电流为零。同相供电装置主要由牵引匹配变压器、交直交变流器组成，现有同相供电变流器主要采用背靠背混联h桥结构，各h桥的其中一侧级联成高压输出，通过并网连接电抗接高压匹配变压器hmt，即scott变压器的t座，而各h桥的另外一侧分别各接牵引匹配变压器tmt的一个低压绕组，其并网连接电抗为牵引匹配变压器低压绕组的漏抗，牵引匹配变压器tmt为单相低压侧多绕组变压器，其高压侧接至牵引母线。
3.电气化铁路供电系统关系国计民生、交通运输安全。同相供电装置承担着为电力机车提供部分牵引功率和治理电网电能质量的任务，对装置可靠性的要求很高。而同相供电装置的核心是由多个电力电子功率模块串并联组成的同相供电变流器，目前来说,电力电子设备仍然是总系统中故障率较高的部分，因此同相供电变流器的可靠性提升是同相供电装置全面推广应用的一个重要条件。
4.现有技术针对同相供电变流器的故障处理方法，通常是在模块故障时，通过模块自带的旁路开关和接触器直接将模块切除，从而达到冗余控制的目的，该方案虽然可以在一定程度上提高系统的可靠性，但这种做法局限性在于故障容忍度低，对暂时性或可恢复性故障也采取旁路处理。根据现场工程经验，在对旁路模块进行检修时，时常发现模块并无异常，再次投运后也正常运行的情况。


技术实现要素：

5.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法及装置，通过故障分级来判断模块是否具备再次投入运行的可能，可以避免传统技术方案对模块故障“一刀切”带来的问题，从而降低系统故障率，提高系统稳定性。
6.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法，所述同相供电装置包括多个输入侧并联输出侧级联的功率模块，每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，包括步骤：
7.功率模块发生故障时，对故障功率模块进行封锁脉冲处理、设置故障标识位置位并计时；
8.判断故障类型并根据故障类型进行相应故障处理，所述故障类型按照从高到低分为一级故障、二级故障和三级故障；
9.当故障类型为一级故障时，进行整机封锁脉冲和跳闸处理；
10.当故障类型为二级故障时，对故障功率模块进行硬件旁路处理；
11.当故障类型为三级故障时，所述计时至第一设定时间时，对故障功率模块进行软件旁路处理，并同时进行故障监测。
12.进一步的，所述对故障功率模块进行封锁脉冲处理包括封锁并联侧功率单元和级联侧功率单元的驱动脉冲，同时使连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器保持闭合，以及使连接于级联侧功率单元的输出端的旁路开关保持断开。
13.进一步的，所述硬件旁路处理包括断开连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器，以及闭合连接于级联侧功率单元的输出端的旁路开关。
14.所述软件旁路处理包括将级联侧功率单元开关桥臂的下开关管导通。
15.进一步的，所述一级故障为重大故障，所述二级故障为严重故障，所述三级故障为一般故障。
16.进一步的，所述重大故障包括直流母线电压过压至接近最大耐压和旁路开关拒动；所述严重故障包括功率模块的控制器失电和开关管驱动故障；所述一般故障包括各部件安全运行范围内的过压、欠压、过流以及过温故障。
17.进一步的，还包括，当故障类型为三级故障时：
18.若故障监测发现更高级故障，则跳转至相应的故障等级处理步骤；
19.若故障监测发现故障消失且维持至第二设定时间时，对故障功率模块进行自复位后重新启动。
20.进一步的，所述对功率模块进行自复位包括：
21.令连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器保持闭合，连接于级联侧功率单元的输出端的旁路开关保持断开；
22.将级联侧功率单元的开关桥臂的下开关管导通、上开关管关断，并联侧功率单元的所有开关管关断；
23.将模块的故障标志位清零，并跳转为就绪待启动状态。
24.进一步的，还包括，当功率模块重新启动后，判断是否在第三预设时间内发生故障，若是，则对并联侧功率单元和级联侧功率单元进行硬件旁路处理；若否，则将功率模块转为正常运行状态。
25.根据本发明的第二个方面，提供了一种基于故障分级的同相供电装置故障处理装置，所述同相供电装置包括多个输入侧并联输出侧级联的功率模块，每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，包括脉冲封锁模块、故障类型判断模块、一级故障处理模块、二级故障处理模块以及三级故障处理模块；其中，
26.所述脉冲封锁模块用于当功率模块发生故障时对故障功率模块进行封锁脉冲处理并计时；
27.所述故障类型判断模块用于判断故障类型，所述故障类型按照从高到低分为一级故障、二级故障和三级故障；
28.所述一级故障处理模块用于当故障类型为一级故障时进行整机封锁脉冲和跳闸处理；
29.所述二级故障处理模块用于当故障类型为二级故障时对故障功率模块进行硬件
旁路处理；
30.所述三级故障处理模块用于当故障类型为三级故障时，在所述计时至第一设定时间时，对故障功率模块进行软件旁路处理，并同时进行故障监测。
31.综上所述，本发明提供了一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法及装置，在同相供电装置的功率模块发生故障时，对故障进行判断和分级，通过故障分级来判断模块是否具备再次投入运行的可能，并针对不同分级的故障采取不同的处理策略。本发明提出的同相供电变装置模块故障分级方法，充分考虑了故障的风险等级，在确保装置安全运行的前提下，为故障的灵活处理提供了条件。相比于现有技术中同相供电变装置采取的对功率模块故障“一刀切”的故障冗余控制方式，本发明提供的技术方案可以减少因暂时性或可恢复性故障导致的模块旁路情况，从而进一步提高系统的可靠性和稳定性。
附图说明
32.图1是同相供电装置一次系统的示意图；
33.图2是同相供电装置二次系统的示意图；
34.图3是本发明基于故障分级的同相供电装置故障处理方法的流程图；
35.图4是本发明基于故障分级的同相供电装置故障处理装置的构成框图。
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.下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法，本实施例所提供的故障处理方法，可以用于同相供电装置中功率模块的故障处理，其中的功率模块例如可以采用背靠背h桥混联结构的功率模块，图1中示出了同相供电装置一次系统的示意图，如图1所示，所述同相供电装置包括相互连接的牵引匹配变压器和多个输入侧并联输出侧级联的功率模块，在本实施例所提供的示例中，牵引匹配变压器低压侧引出18个绕组，同相供电装置由18个功率模块串并联组成。牵引匹配变压器的原边连接牵引网，每个功率模块与牵引匹配变压器的副边之间通过并网接触器连接；每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，多个功率模块连接的输出端级联后连接至电网，并且每个功率模块的输出端连接有旁路开关。图2示出了同相供电装置二次系统的示意图，二次系统主要用于控制，包括中央控制器、并联侧功率单元控制器和级联侧功率单元控制器，中央控制器与其他控制模块和系统，例如协调控制器、水冷系统、牵引匹配变压器等通过电信号相互交换信息，与本地设备进行通讯，以及接收模拟输入信号和开关输入信号，并输出开关输出信号。中央控制器分别与并联侧功率单元控制器和级联侧功率单元控制器进行通信，接收功率单元信息以及输出控制信号。并联侧功率单元控制器和级联侧功率单元控制器之间也可以相互交换功率单元信息，均可以接收模拟输入信号和开关输入信号，并输出开关输出信号。
38.并联侧功率单元控制器和级联侧功率单元控制器分别与并联侧功率单元和级联
侧功率单元连接，接收功率单元的驱动反馈信号，并输出脉冲信号至功率单元进行控制。各个控制器之间可以通过光纤通信。
39.本实施例所提供的故障处理方法的流程图如图3所示，包括如下步骤：
40.同相供电装置正常运行过程中，当功率模块发生故障时，对故障功率模块进行快速封锁脉冲处理并计时。功率模块的故障包括并联侧功率单元和级联侧功率单元故障，任意一侧功率单元控制器监测到功率单元发生故障，均会将故障信息发送给另一侧的功率单元控制器，并同时上传至中央控制器。
41.判断故障类型并根据故障类型进行相应故障处理，所述故障类型按照从高到低分为一级故障、二级故障和三级故障。一级故障为重大故障，重大故障例如为直流母线电压过压至接近最大耐压、旁路开关拒动等可能进一步引发设备安全问题的故障；二级故障为严重故障，严重故障例如功率模块的控制器失电、igbt等开关管驱动故障等有潜在设备风险的故障；三级故障为一般故障，一般故障包括各部件安全运行范围内的过压、欠压、过流以及过温故障等。
42.当故障类型为一级故障时，进行整机封锁脉冲和跳闸处理。在一级故障的处理中，整机封锁脉冲处理可以通过封锁所有功率模块并联侧功率单元和级联侧功率单元的igbt驱动脉冲，同时使所有连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器断开来实现。跳闸处理是指该同相供电装置整机报故障并退出运行。
43.当故障类型为二级故障时，对故障功率模块进行硬件旁路处理。硬件旁路可以通过断开连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器，以及闭合连接于级联侧功率单元的输出端的旁路开关来实现。
44.当故障类型为三级故障时，并网接触器和旁路开关均不动作，当计时至第一设定时间时，对故障功率模块进行软件旁路处理，在软件旁路的同时，功率单元控制器继续进行故障监测。第一设定时间通常可以为几毫秒，具体实施时可以与旁路开关的合闸动作时间保持一致，如此一来可以保证在设备安全工作范围内避免因发生系统性故障，在中央控制器做出整机保护动作前，引发多个功率单元软件旁路导致级联侧电流失控的情况。软件旁路可以通过将级联侧功率单元开关桥臂的下开关管导通来实现，例如在h桥机构的级联侧功率单元中，通过将h桥的两个下管igbt导通来实现软降旁路的目的。在软件旁路状态下，由于级联侧两个下管igbt导通，可以为级联侧电流提供通路，同时由于并联侧接触器保持合闸状态，因此功率模块的直流母线一直带电，并联侧和级联侧功率单元控制器不会出现失电情况，从而允许故障模块长时间处于软件旁路状态。
45.若在处理三级故障的过程中，功率单元控制器发现更高级故障，则跳转至相应的故障等级处理步骤；若功率单元控制器发现故障消失且维持至第二设定时间时，对故障功率模块进行自复位后重新启动。该第二设定时间通常为秒级，以确保重新启动前模块处于一个较稳定的状态，避免在故障临界状态重新启动导致故障误触发。自复位可以包括如下步骤：
46.令连接于并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器保持闭合，连接于级联侧功率单元的输出端的旁路开关保持断开；
47.将级联侧功率单元的开关桥臂的下开关管导通导通、上开关管关断，并联侧功率单元的所有开关管关断；将模块的故障标志位清零，并跳转为就绪待启动状态。
48.上述自复位与正常复位的区别在于，自复位期间需要保持并联侧功率单元和变压器副边之间的接触器闭合、级联侧两个下管igbt导通。所述重新启动操作主要包括如下步骤：
49.首先由并联侧功率单元控制器解锁脉冲，控制功率模块的直流母线电压按斜坡给定逐渐上升到额定直流母线电压，并将稳压完成标志发送至级联侧功率单元控制器；
50.级联侧功率单元控制器接收到稳压完成标志后，听从中央控制器的脉冲指令，同时并联侧功率单元控制器开始执行中央控制器的电流指令，并联侧和级联侧功率单元均转为准正常运行状态，可以通过设置标志位，将其标志为刚从故障中恢复的模块。
51.当功率模块重新启动后，还需要判断是否在第三预设时间内发生故障，第三预设时间通常为秒级时间，包括了功率模块启动过程所需的启动时间，以及从转为正常工作至稳态运行所需的动态调节时间。若是，则对并联侧功率单元和级联侧功率单元进行硬件旁路，即以硬件旁路的方式将故障单元切除，该处理方式可以避免功率模块多次重复投切的情况，提高系统的稳定运行特性；若否，则将功率模块转为正常运行状态，并将之前设置的故障恢复标识位清零。
52.根据本发明的另一个实施例，提供了一种基于故障分级的同相供电装置故障处理装置，所述同相供电装置包括多个输入侧并联输出侧级联的功率模块，每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，包括快速脉冲封锁模块、故障类型判断模块、一级故障处理模块、二级故障处理模块以及三级故障处理模块，该故障处理装置的构成框图如图4所示：
53.所述快速脉冲封锁模块用于当功率模块发生故障时对故障功率模块进行封锁脉冲处理并计时；
54.所述故障类型判断模块用于判断故障类型，所述故障类型按照从高到低分为一级故障、二级故障和三级故障；
55.所述一级故障处理模块用于当故障类型为一级故障时进行整机封锁脉冲和跳闸处理；
56.所述二级故障处理模块用于当故障类型为二级故障时对故障功率模块进行硬件旁路处理；
57.所述三级故障处理模块用当故障类型为三级故障时，在所述计时至第一设定时间时，对故障功率模块进行软件旁路处理，并同时进行故障监测。
58.该装置中各模块实现对应功能的具体步骤与本发明第一个实施例中所提供的方法相同，在此不再赘述。
59.综上所述，本发明涉及一种基于故障分级的同相供电装置故障处理方法及装置，在同相供电装置的功率模块发生故障时，对故障进行判断和分级，通过故障分级来判断模块是否具备再次投入运行的可能，并针对不同分级的故障采取不同的处理策略。本发明提出的同相供电变装置模块故障分级方法，充分考虑了故障的风险等级，在确保装置安全运行的前提下，为故障的灵活处理提供了条件。相比于现有技术中同相供电变装置采取的对功率模块故障“一刀切”的故障冗余控制方式，本发明提供的技术方案可以减少因暂时性或可恢复性故障导致的模块旁路情况，从而进一步提高系统的可靠性和稳定性。
60.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。