地鐵能量回饋裝置的傳感器故障監測保護裝置的制作方法

本發明涉及城市軌道交通供電系統技術領域，具體涉及一種地鐵能量回饋裝置的傳感器故障監測保護裝置。

背景技術：

地鐵運營中存在列車頻繁進站制動，當列車在進行電制動過程中列車的電機會工作在發電機狀態，此時列車的動能會轉化為電能使得直流牽引網的直流電壓上升危及列車用電設備的安全，再生制動能量逆變回饋裝置通過檢測牽引網的直流電壓，判斷是否有列車處于進站電制動狀態，當檢測到直流電壓超過設定閾值，則啟動并網變流器即主電路將直流側電能回饋到中壓電網中，供給地鐵其他用電負荷消納，達到吸收制動能量同時節能的目的。

地鐵能量回饋裝置包括主電路、檢測部分、控制部分；檢測部分包括傳感器，主電路的關鍵是開關元件IGBT，本部分的作用為完成電力的轉換，將再生制動時產生的電能轉換為交流電能并回饋至中壓電網。檢測部分主要由傳感器組成，其主要作用為檢測交流電網的電壓、電流、相位，檢測直流側的電壓、電流，并將檢測到的物理信號轉換為弱電信號，將其送入控制單元。控制單元的作用為根據傳感器輸入的信號和外部輸入的信號做出判斷，輸出PWM信號控制IGBT動作，使其完成電能的轉換；控制單元還具有輸入輸出的接口，接受外部指令信號，并將本系統的狀態傳給相關的系統。

一般變流器的交流輸出濾波器常用形式包括單L濾波器，LC濾波器以及LCL三階濾波器，由于LCL三階濾波器相對前兩種，具有濾波效果好，濾波器體積小等優點，因此在并網變流器中應用較為廣泛。

同時，地鐵能量回饋裝置的直流側即輸入端與牽引網相連，為了濾除牽引網中的高頻紋波，在直流進線端增加了一級直流濾波電感。

能量回饋裝置變流器大都采用電壓電流雙閉環的控制方案，即通過電壓傳感器采集直流側電壓作外環，電流傳感器采集輸出的交流電流作內環，其中內環的采集位置可以是網側電感也可以是變流器側電感。變流器的輸出系統保護一般采用硬件或軟件過流的形式來實現，即通過采集傳感器信號與保護閾值相比較，當輸出超過保護值時設備即封鎖脈沖停止工作。然而當電壓/電流傳感器出現故障時，（包括傳感器失效、接線接觸不良、斷線等故障），硬件及軟件保護就起不到應有的保護功能，從而造成設備輸出異常，無法實現正確控制，最終導致設備出現IGBT爆炸等嚴重問題。該問題既造成了設備嚴重的經濟損失，又給廠家聲譽帶來惡劣影響。目前除了采用可靠性的傳感器、連接器外，對該問題暫沒有較好的處理方法。

技術實現要素：

1、所要解決的技術問題：

本發明提供一種在能量回饋裝置中，當電壓、電流信號傳感器故障情況下，如何對故障的傳感器進行監測并進行相應保護，從而進一步提高設備運行可靠性的控制方法。

2、技術方案：

為了解決上述技術問題，本發明采取了以下措施。

一種地鐵能量回饋裝置的傳感器故障監測保護裝置，所述地鐵能量回饋裝置包括主電路、檢測部分、控制部分；檢測部分包括傳感器，直流電網輸入端與交流電網輸出端；其特征在于：所述直流電網輸入端設置兩級電壓傳感器，交流電網輸出端設置兩級電流傳感器，所述電壓傳感器和電流傳感器通過數字控制器DSP與主電路控制單元相連接。

相對于傳統控制策略中每個環路只設置一級傳感器的方法，本發明對于通用LCL型并網變流器，每個環路均設置兩級傳感器，即對于電流采樣，設置電流傳感器TA1、TA2，分別測量網側電感和變流器電感的電流值；對于電壓采樣，同樣設置兩級電壓傳感器TV1、TV2，分別測量直流濾波電感前后的電壓值。

第一級電壓傳感器安裝在直流電網側測量直流電網電壓，第二級電壓傳感器安裝在變流器裝置側測量變流器電壓，第一級第二級電壓傳感器之間設置直流濾波電感；所述交流輸出端為LCL濾波器輸出，第一級電流傳感器安裝在變流器側電感上，第二電流傳感器安裝在電網側電感上。

所述主電路控制單元為IGBT功率器件開關。

將以上四組傳感器對應的交流電流、直流電壓二次信號送入數字控制器DSP的A/D采樣通道，并通過DSP的軟件處理，將以上各模擬量的瞬時值轉換為相對應的數字量。其中，雙閉環控制策略中，可采用TV1或TV2的值作電壓外環的控制量；采用TA1或TA2作電流內環的控制量。在軟件中，分別對兩組電流量量、電壓量的瞬時值作差，并對差值取絕對值，然后分別與各自的比較閾值相比對。當兩組差值中的任一值大于其比較閾值時，設備立即封鎖IGBT脈沖，進入故障停機狀態，同時報相應的傳感器故障。從而保證了設備的自身安全穩定。當兩組差值均小于其比較閾值時，設備按其正常工作流程運行，實現傳感器故障完整的保護。

一種地鐵能量回饋裝置的傳感器故障監測及保護方法，包括以下的步驟：

實時測量所述直流濾波電感的電壓值，即輸入端兩級電壓傳感器的電壓差的絕對值；

實時測量LCL濾波器的電容上的電流值，即輸出端兩級電流傳感器的電流差的絕對值；

分別將直流濾波電感的電壓值和LCL濾波器的電容上的電流值與電壓比較閾值和電流比較閾值相比對。當兩個值中的任一值大于其比較閾值時，所述內部控制單元立即關閉設備，即進入故障停機狀態，同時報相應的傳感器故障；當兩個值均小于其比較閾值時，傳感器正常工作。

電壓比較閾值的設定：能量回饋裝置直流濾波電感Ld的值通常設計比較小（一般幾十至幾百微亨），因此在設備啟動后，TV1和TV2的數值差別不大，不超過100V，可據此來設定直流側的比較閾值U_th。

電流比較閾值的設定：TA1，TA2兩個電流傳感器的電流之差為交流濾波電容電流值I_cm，濾波電容電流I_cm取決于其端電壓U_n和電容值C_f，由于變流器輸出端口電壓基本上為固定值，同時系統電感Ls較小，因此電容電壓U_n基本上保持不變。由于電容值可看作穩定不變，因此電容Ic也基本上保持固定值不變，可據此來設定交流電流閾值I_t。

3、有益效果：

采用本方案后，基本上可以避免設備由于傳感器而出現的炸機情況。首先，只要兩組傳感器中有一組正常，設備就可根據兩者的差值作出正確的保護邏輯。由于傳感器本身可靠性較高，假定所采用傳感器的可靠性均為P,(P滿足條件:0<P<1)，對應的故障率為1-P。

假設在某一時刻閉環電流量TA2傳感器出現故障，在傳統控制方案下，設備基本上都會出現電流繼續增大，軟件、硬件保護均失效導致的IGBT爆炸等嚴重故障。在增加一級傳感器TA1后，當TA2故障、TA1正常時，設備會立即封鎖脈沖保護，從而確保了設備安全。僅在TA1與TA2同時故障時設備才會出現炸機等嚴重故障，由于兩個傳感器相互獨立，因此設備的故障率由1-P變為（1-P）²，即故障率變為原來的(1-P)。TV1和TV2的分析與此相同。

舉例說明：假定器件的可靠性P為0.99，則安裝一級傳感器的故障率為1%，采用安裝兩級及本發明中的控制方法后，傳感器故障概率降為原來的1-P，故障率降低至萬分之一。可見增加一級傳感器后，設備因傳感器故障造成的設備炸機等嚴重問題會大大降低。

附圖說明

圖1 地鐵能量回饋裝置的電壓電流雙閉環控制框圖；

圖2 基于LCL型地鐵能量回饋裝置電路圖；

圖3 傳感器故障監測保護流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖以及實施例進一步說明本發明的技術方案。

如圖1 所示為地鐵能量回饋裝置的電壓電流雙閉環控制框圖，其中，直流電壓參考值為目標控制值，直流電壓采樣值為進網點電壓傳感器TV1的采樣值，直流電壓為作為外環，經電壓控制器后的指令為內環電流環的參考，輸出電流信號為輸出并網電流TA2的采樣值。經電流控制器后，作用在被控對象IGBT功率器件上，經濾波后，輸出并網電流，實現了電壓電流的雙閉環。如果直流電壓采樣傳感器或輸出電流傳感器異常而不進行保護，則外環控制器或內環電流控制器會繼續累加，輸出不斷增大，最終就會造成輸出電流過大導致的IGBT炸機問題。

本發明所針對的對象為地鐵能量回饋裝置，電路拓撲為通用LCL型并網變流器，其電路拓撲如圖2所示。

能量回饋裝置工作時，通過檢測直流側電網電壓，發現電壓值高于設備內部的啟動閥值時，設備由待機模式轉換為回饋模式，將直流側電能，通過變流器控制，轉換為交流電能經過并網升壓變壓器，送入交流電網，供其他列車或負載使用。

在本發明中如圖2所示，TV1,TV2分別測量直流側電網電壓和變流器裝置電壓，兩者之差為直流濾波電感Ld上的電壓。交流輸出端為LCL濾波器，TA1，TA2分別為安裝在變流器側和網側電感La,Ls上的電流傳感器。兩者之差為濾波電容上的電流。通過升壓變壓器，將轉換后的再生制動能量回饋到交流中壓電網。

如圖3所示為傳感器故障監測保護流程圖，其中，直流電壓傳感器1，直流電壓傳感器2分別為第一、二級電壓傳感器TV1，TV2，兩者均送入控制器中，經采樣調理轉換后送入DSP的A/D轉換單元，轉換為數字信號。軟件中，將采集到的TV1，TV2的瞬時值作差，并且進行絕對值運算。將該值與比較閾值U_th進行實時對比，如果該差值超過U_th，則可認為其中一路的電壓采集量出現異常，從而設備封鎖IGBT脈沖，進入故障停機流程；如果該差值小于U_th，則認為兩路采樣值均正常，設備安裝原正常流程繼續運行。

交流電流傳感器的檢測及保護流程與直流電壓傳感器的流程類似。同樣分別采樣送入DSP中進行瞬時值作差比較。該差值大于比較閾值I_th則認為其中一路電流采集量出現異常，進入故障停機流程。該差值小于I_th，則認為兩路采樣值均正常。

只有直流電壓、交流電流兩組傳感器均正常的情況下，設備才解鎖脈沖，從而進一步提高了設備運行的可靠性。

雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但它們并不是用來限定本發明的，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和范圍內，自當可作各種變化或潤飾，因此本發明的保護范圍應當以本申請的權利要求保護范圍所界定的為準。