地鐵牽引供電PWM整流器智能維護(hù)技術(shù)

摘要：面向應(yīng)用于地鐵牽引供電系統(tǒng)中的PWM整流器的智能診斷技術(shù)開(kāi)展了研究。文中首先圍繞影響PWM整流器可靠性最大的直流支撐電容器提出了基于參數(shù)擬合以及Miner累積損傷原則的電解電容器損傷預(yù)測(cè)方法；其次，文中基于PWM整流器直流中近端非金屬性短路時(shí)短路電流受其交流電抗器抑制，從而無(wú)法可靠實(shí)現(xiàn)保護(hù)的特點(diǎn)，研究了PWM整流器的非金屬性短路電流辨識(shí)方法；最后，結(jié)合PWM整流器對(duì)高性能故障診斷以及虛擬儀器技術(shù)的支持，基于分層分布思想以及虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了地鐵牽引變電所內(nèi)PWM整流器的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成原理并給出了現(xiàn)場(chǎng)故障錄波結(jié)果。
關(guān)鍵詞：PWM整流器；電容器；損傷評(píng)估；短路電流辨識(shí)；虛擬儀器

在城軌牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用PWM整流器后能夠?qū)⒘熊囍苿?dòng)能量回饋交流電網(wǎng)，且中壓網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)可調(diào)，具有較高應(yīng)用價(jià)值。作為復(fù)雜的全控型電力電子變換器，PWM整流器與既有的二極管整流器在系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理、損傷及老化規(guī)律、故障診斷和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段等方面有很大區(qū)別。由于PWM整流器目前并未在地鐵牽引供電系統(tǒng)中得到大范圍應(yīng)用，因此對(duì)于其智能維護(hù)技術(shù)(損傷評(píng)估、短路保護(hù)、綜合監(jiān)控)方面尚無(wú)研究成果。
在PWM整流器關(guān)鍵部件的損傷評(píng)估方面，通過(guò)分析PWM整流器的可靠性模型不難發(fā)現(xiàn)，在其組成器件中，直流側(cè)起支撐作用的電容器(通常為大容量電解電容器)是影響整個(gè)裝置可靠性的薄弱點(diǎn)。因此，對(duì)于PWM整流器內(nèi)電解電容器的損傷和老化機(jī)理需要進(jìn)行專門研究。目前，電解電容器的損傷評(píng)估方面已有了一些研究成果，文獻(xiàn)中基于電解質(zhì)的散失程度完成電解電容壽命預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)中經(jīng)由電容等效串電阻(ESR)的變化規(guī)律和數(shù)值完成電容的損傷評(píng)估；文獻(xiàn)中將機(jī)械領(lǐng)域的累積損傷原理應(yīng)用于電解電容的損傷分析中，經(jīng)由電解質(zhì)散失的累積情況辨識(shí)ESR。上述文獻(xiàn)中給出的ESR辨識(shí)方法應(yīng)用于PWM整流器以評(píng)估其直流支撐電解電容的疲勞損傷時(shí)，由于PWM整流器裝置容量大、負(fù)載波動(dòng)劇烈從而ESR辨識(shí)效能并不理想。
在PWM整流器的短路保護(hù)方面，文獻(xiàn)給出了既有的牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)配置架構(gòu)。既有的牽引供電系統(tǒng)采用二極管整流器，其保護(hù)配置原則為“熱累積不對(duì)裝置造成損壞”。而PWM整流器由于內(nèi)部采用IGBT器件，其短路電流特征和保護(hù)規(guī)則已經(jīng)不能依據(jù)常規(guī)的“熱累積”原則進(jìn)行，而是應(yīng)該基于“瞬時(shí)峰值”原則完成保護(hù)整定和配置。
在PWM整流器的綜合監(jiān)控技術(shù)方面，文獻(xiàn)中給出了既有的牽引供電變電所的監(jiān)控配置架構(gòu)。與既有系統(tǒng)相比，PWM整流器在數(shù)據(jù)高速采集、事故驅(qū)動(dòng)型錄波技術(shù)、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通訊傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用也需要給予特別介紹。
綜合上述原因，為深入研究地鐵牽引供電系統(tǒng)中PWM整流器的智能維護(hù)技術(shù)，文中將圍繞電解電容器的損傷預(yù)測(cè)方法、PWM整流器的保護(hù)配置和保護(hù)整定方法以及基于PWM整流器的虛擬儀器監(jiān)控技術(shù)與智能診斷方法等開(kāi)展工作。

1 PWM整流器電解電容損傷預(yù)測(cè)
當(dāng)前電解電容器以其體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)得到了普遍采用，但是由于其壽命受外部因素(溫度、紋波電流)影響大，因此電解電容發(fā)生損壞的生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。在PWM整流器主回路中，直流側(cè)的電解電容器是影響整個(gè)裝置運(yùn)行可靠性的重要因素。
應(yīng)用于地鐵牽引供電系統(tǒng)中的PWM整流機(jī)組，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中需要經(jīng)由交流側(cè)或直流側(cè)向其支撐電容器預(yù)充電，防止工作過(guò)程中電壓環(huán)外環(huán)的飽和以及對(duì)電容造成的電流沖擊。依據(jù)此預(yù)充電過(guò)程的充電電流，這里給出PWM整流器直流支撐電容器參數(shù)擬合方法。
大功率PWM整流器采用超低感直流母排后，電解電容等效拓?fù)渲械牡刃Т?lián)電感ESL可以忽略不計(jì)，從而RCL電容模型可以簡(jiǎn)化為RC串聯(lián)模型。考慮交直流同時(shí)充電的情況，PWM整流器在預(yù)充電過(guò)程中的等效模型如圖1所示。