同相供电中PFC 故障条件下的状态分析及保护

魏 昕，韩正庆

0 引言

随着国内高速、重载铁路的快速发展，现有牵引供电系统在谐波、无功、负序和“过分相”等方面的问题日益突出，降低了供电的效率与质量，严重影响了铁路运营的安全性、可靠性和经济性。同相牵引供电系统的提出为从根本上解决上述问题提供了有效途径，是未来高速、重载铁路的一个重要研究方向。

潮流控制器（下文简称PFC）作为同相供电设备的一个重要组成部分，它涵盖了有源滤波器（下文简称APF）的功能并具有传递有功功率等作用，能够完成滤除谐波、补偿无功与平衡变换的任务。同相牵引供电系统中各种暂态过程，特别是系统发生故障时将对PFC 产生巨大的影响，严重时将危及装置自身的安全，关系到PFC 是否能够在系统中长期安全运行。

本文在介绍同相供电系统和PFC 的结构和功能的基础上，分析了PFC 在外部以及内部发生故障时的状态变化及其机理，并针对故障特征提出保护方案。

1 同相供电系统

1.1 同相牵引供电系统结构

同相供电系统是指线路上不同变电所供电的区段接触网电压相位相同、线路上无电分相环节的牵引供电方式。本文主要研究文献[1]中提出的同相牵引供电系统方案，在现有牵引供电系统结构上，引入了YN，vd 平衡变压器和PFC，变电所2 个供电臂通过PFC 合并为一条馈线向牵引网供电，使得各个变电所输出相位相同的电压，在变电所馈线处取消电分相，如图1 所示。

图1 同相牵引供电系统结构图

1.2 PFC 结构及工作原理

为简化分析，将平衡变压器的2 个输出端口用电压源表示，如图2 所示的PFC 等效电路。它由2个单相的四象限变流器“背靠背”地连接在一起，开关元件采用IGBT，通过直流环节的解耦实现它们的独立控制。正常工作情况下，网侧变流器工作在整流状态，负荷侧变流器工作在逆变状态，其基本控制原理是利用中间直流耦合电容作为能量交换环节，在2 个端口之间实现有功功率的交换，同时，负荷侧变流器补偿无功、滤除主要谐波。由于平衡变压器副边电压为27.5 kV，为了与电力电子器件的发展水平相适应，采用了变比为k∶1 的隔离变压器B1和B2。由于单相系统的直流侧电压本身存在幅度较大的100 Hz 波动分量，为此在直流侧引入LC 调谐滤波环节，用以滤去二倍频谐波，保证直流电压的平稳，从而提高系统的动态性能。

图2 PFC 等效电路图

下面分析PFC 输出的补偿电流及功率，设PFC的2 个端口电压与负载电流分别为

式中，h(t)为负载电流中的谐波成分。

欲实现平衡变换的目的，电压源要求输出幅值相等且与各自电压同相位的纯有功电流，则端口电流期望值为[2]

式中，I1p= I1cosφ1。

根据图2 中的电流关系，PFC 的2 个输出端口的补偿电流期望值为

式中，I1q= I1sinφ1。

即α端口需要输出一半的负载有功电流，并补偿负载的无功电流与谐波电流；β端口则需要输入与负载一半有功功率相对应的电流。可见，有功功率的传递具有方向性，从网侧流向负荷侧。

2 外部故障

外部故障对PFC 的影响可通过2 种方式进行，即PFC 接入点处电压变化和PFC 检测到的负载电流发生变化。下面就故障分别发生在馈线及母线时，对PFC 运行状态的影响进行分析。

2.1 馈线故障

如图3 所示，a 处发生短路故障时，馈线电流突然增大，根据PFC 补偿电流机理，PFC 检测到的馈线电流增大，由此计算得到的补偿电流参考值也增大，从而使变流器输出电流迅速增加。

图3 PFC 故障情况示意图

PFC 本身带有脉冲封锁保护，通过检测补偿电流，一旦补偿电流超过限定值，便立即封锁所有IGBT 的触发脉冲，限制补偿电流继续增加，一旦条件允许即恢复装置的运行。馈线发生故障时，封锁脉冲，PFC 停止工作；馈线保护动作，切除故障后，装置过一段时间后能够自动解锁脉冲，重新投入运行。此时，根据继电保护选择性的要求，1QF、2QF 不应误动作。

2.2 母线故障

b 处发生短路故障时，α相母线失压并直接影响PFC 的运行，此时PFC 流入短路点的电流可以被PFC 的控制回路测知，脉冲封锁保护能够有效控制短路电流的增加。牵引变压器低压侧保护能够反应牵引母线的短路故障而动作，但其动作时限一般较长。因此，需要对牵引母线配置失压保护，当母线发生故障时，1QF、2QF 能及时动作。

3 内部故障

PFC 内部故障情况比较复杂，本文不考虑变流器内部的故障情况，主要分析内部短路故障和电流检测元件故障2 种情况。

3.1 内部短路故障

图3 中，c 处发生短路故障时，PFC 检测到的α侧输出电流即母线流入短路点的电流，而不是α侧变流器实际输出的补偿电流。此时，α相母线流向短路点的电流很大且不受脉冲封锁保护的影响。可通过在装置两侧设置过电流保护来切除该故障。

隔离变压器其实就是一台容量很大的单相变压器。对于隔离变压器内部故障，还可以配置专门的差动保护和非电量保护。

3.2 电流检测元件故障

PFC 通过电流互感器，实时检测负载电流和输出补偿电流的大小，从而实现对变流器的控制。电流检测元件发生故障时，为便于分析，可认为其检测到的电流值为零。

负载电流检测元件发生故障时，对PFC 而言，相当于负载发生了突变，认为其工作在空载状态，2 台变流器补偿电流输出均为零，从而使PFC 暂时失去补偿效果，但不会对装置本身造成影响。

补偿电流检测元件发生故障后，无论该侧输出多大电流，从控制器的角度来看，输出电流总是小于参考电流，控制器认为发生了欠补偿情况，控制的结果使该侧输出电流迅速增大，出现严重的过流现象，并造成直流侧电容电压的剧烈变化，严重危及装置的安全运行，应立即停止工作。

4 保护

通过前面分析，装置自带的脉冲封锁保护能够有效防止PFC 的过流，但它无法正确区分内外部故障，而且保护范围较小，需要增加过电流保护和失压保护的配合。

（1）将PFC 的脉冲封锁保护分为2 个部分：IGBT 自身的安全保护措施和故障条件下的保护措施。当IGBT 发生故障时，装置将立即跳闸退出运行同时封锁脉冲，需要检修排除故障后才能重新启动。而系统异常和故障条件下只封锁脉冲，若只是瞬时性故障或外部故障，则PFC 过一段时间后能够自动解锁脉冲，重新投入运行；若是内部永久性故障，则装置重新投入失败后，将跳闸退出运行。

（2）过电流保护。现在的微机保护装置在几个毫秒的时间就能判断出故障，通过检测输出补偿电流，一旦判断为故障过流，立即发出一个命令给PFC 控制回路，封锁所有进入驱动芯片的脉冲信号，同时经过整定延时，两侧断路器跳闸，PFC 装置退出运行。过电流保护的整定时限应大于馈线保护动作时间，以避免变压器励磁涌流的影响，增加2 次谐波闭锁功能。

（3）失压保护。要求PFC 两侧断路器在合位，若牵引母线电压低于整定值，失压保护动作，两侧断路器跳闸。

5 结束语

介绍了PFC 结构及其功能实现，具体分析了PFC 在各种故障情况下的状态变化，包括馈线故障、母线故障系统及内部故障等。结果表明，当发生上述故障时，有可能出现PFC 输出过流、母线失压等现象，威胁到PFC 装置的安全运行。对此，提出了相应的保护方案，这为设计成套同相供电保护方案打下了基础，但需要进一步验证和完善。

[1] 魏光，李群湛，等.新型同相牵引供电系统方案[J].电力系统自动化，2008，32（10）.

[2] 曾国宏，郝荣泰.基于有源滤波器和阻抗匹配平衡变压器的同相供电系统[J].铁道学报，2003，25（3）.

[3] 袁明旭，陈小川.牵引网过电流时的有源滤波器暂态过程分析与保护[J].电力系统保护与控制，2009，37（1）.

[4] 陈玮，王彤，曾继伦.电网短路故障时并联型电力有源滤波器的过流保护[J].电力系统自动化，2002，26（9）.