地鐵牽引供電PWM整流器智能維護技術

摘要：面向應用于地鐵牽引供電系統中的PWM整流器的智能診斷技術開展了研究。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擬合以及Miner累積損傷原則的電解電容器損傷預測方法；其次，文中基于PWM整流器直流中近端非金屬性短路時短路電流受其交流電抗器抑制，從而無法可靠實現保護的特點，研究了PWM整流器的非金屬性短路電流辨識方法；最后，結合PWM整流器對高性能故障診斷以及虛擬儀器技術的支持，基于分層分布思想以及虛擬儀器技術設計了地鐵牽引變電所內PWM整流器的綜合監控系統，介紹了系統的組成原理并給出了現場故障錄波結果。
關鍵詞：PWM整流器；電容器；損傷評估；短路電流辨識；虛擬儀器

在城軌牽引供電系統中應用PWM整流器后能夠將列車制動能量回饋交流電網，且中壓網絡的功率因數可調，具有較高應用價值。作為復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架構、工作原理、損傷及老化規律、故障診斷和現場監測手段等方面有很大區別。由于PWM整流器目前并未在地鐵牽引供電系統中得到大范圍應用，因此對于其智能維護技術(損傷評估、短路保護、綜合監控)方面尚無研究成果。
在PWM整流器關鍵部件的損傷評估方面，通過分析PWM整流器的可靠性模型不難發現，在其組成器件中，直流側起支撐作用的電容器(通常為大容量電解電容器)是影響整個裝置可靠性的薄弱點。因此，對于PWM整流器內電解電容器的損傷和老化機理需要進行專門研究。目前，電解電容器的損傷評估方面已有了一些研究成果，文獻中基于電解質的散失程度完成電解電容壽命預測；文獻中經由電容等效串電阻(ESR)的變化規律和數值完成電容的損傷評估；文獻中將機械領域的累積損傷原理應用于電解電容的損傷分析中，經由電解質散失的累積情況辨識ESR。上述文獻中給出的ESR辨識方法應用于PWM整流器以評估其直流支撐電解電容的疲勞損傷時，由于PWM整流器裝置容量大、負載波動劇烈從而ESR辨識效能并不理想。
在PWM整流器的短路保護方面，文獻給出了既有的牽引供電系統的保護配置架構。既有的牽引供電系統采用二極管整流器，其保護配置原則為“熱累積不對裝置造成損壞”。而PWM整流器由于內部采用IGBT器件，其短路電流特征和保護規則已經不能依據常規的“熱累積”原則進行，而是應該基于“瞬時峰值”原則完成保護整定和配置。
在PWM整流器的綜合監控技術方面，文獻中給出了既有的牽引供電變電所的監控配置架構。與既有系統相比，PWM整流器在數據高速采集、事故驅動型錄波技術、實時工業以太網通訊傳輸等方面的應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中PWM整流器的智能維護技術，文中將圍繞電解電容器的損傷預測方法、PWM整流器的保護配置和保護整定方法以及基于PWM整流器的虛擬儀器監控技術與智能診斷方法等開展工作。

1 PWM整流器電解電容損傷預測
當前電解電容器以其體積小、價格低廉等優勢得到了普遍采用，但是由于其壽命受外部因素(溫度、紋波電流)影響大，因此電解電容發生損壞的生產事故時有發生。在PWM整流器主回路中，直流側的電解電容器是影響整個裝置運行可靠性的重要因素。
應用于地鐵牽引供電系統中的PWM整流機組，在開機過程中需要經由交流側或直流側向其支撐電容器預充電，防止工作過程中電壓環外環的飽和以及對電容造成的電流沖擊。依據此預充電過程的充電電流，這里給出PWM整流器直流支撐電容器參數擬合方法。
大功率PWM整流器采用超低感直流母排后，電解電容等效拓撲中的等效串聯電感ESL可以忽略不計，從而RCL電容模型可以簡化為RC串聯模型。考慮交直流同時充電的情況，PWM整流器在預充電過程中的等效模型如圖1所示。