CN103425826B - 电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法，基于两电平单相四象限脉冲整流器的工作原理完成，具体方法包括：电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器在每一种故障模式下所对应的开关函数计算以及基于开关函数计算结果的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器状态方程计算。本方法可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中，两电平单相四象限脉冲整流器在正常工作状态下以及不同开关管故障状态下的仿真，并且基于状态方程的模型可以实现正常工作状态以及不同开关管故障状态下的切换，弥补了现有仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。

Description

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法

技术领域

本发明属于电力牵引交流传动技术领域，涉及一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法。

背景技术

对于电力电子技术领域的技术开发，通常需要采用仿真的方式先对所设计的方式方法进行理论层面的分析验证，以避免在开发过程中由于技术理论设计层面上的缺陷导致的不必要的经济损失。两电平单相四象限脉冲整流器主要应用于交流牵引传动领域，是交直流变换的主要设备。当两电平单相四象限脉冲整流器在运行过程中会出现难免的故障时，对整个传动系统的正常运行存在一定的危害。现今对于传动系统中相应的故障建模以及故障诊断研究越来越被重视，但目前为止，对两电平单相四象限脉冲整流器相应的故障仿真手段较少。

任何电力电子设备都存在正常工作状态以及故障工作状态，对于两电平单相四象限脉冲整流器而言，其正常工作时存在不同桥臂上开关管故障时的情况。两电平单相四象限脉冲整流器不同桥臂上开关管故障情况时，交流侧电流谐波含量必然出现变化，相应的直流侧波动也会不同，这在一定程度上影响整个交直流系统的性能。因此，对两电平单相四象限脉冲整流器进行建模与仿真，观察研究不同桥臂上开关管故障对整个交-直流侧的影响非常有必要。在目前的仿真技术中，两电平单相四象限脉冲整流器几乎都只有正常工作状态的仿真模型，尚不存在独立的具有不同桥臂上开关管故障模式的故障仿真模型。

现有的两电平单相四象限脉冲整流器故障仿真在某些软件中也可以采用独立的IGBT与二极管模块搭建完成，但是，这种情况下的仿真不能方便的实现正常模式与故障模式的切换，不具备研究两电平单相四象限脉冲整流器正常模式到故障模式时瞬态变化的情况。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种适用离线仿真以及在线实时仿真系统的，电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法，通过该方法建立的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障仿真模型基于状态方程描述，实现两电平单相四象限脉冲整流器正常工作状态仿真、不同桥臂上开关管故障仿真，以及正常工作状态和不同桥臂上开关管故障状态下的切换，弥补现有仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。

为实现上述发明目的，本发明的具体技术手段为：

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法，在Matlab/Simulink下进行两电平四象限脉冲整流器正常工作以及故障模式下的仿真，定义单相两电平脉冲整流器左边桥臂为A桥臂，右边桥臂为B桥臂,包括以下步骤：

(1)、根据输入脉冲计算不同故障模式下开关状态函数：

不同故障模式下开关状态函数计算通过电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器的开关元器件控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄完成；不同故障模式下开关状态函数计算包括11种情况，定义S_A、S_B分别为A、B桥臂开关函数，在不同的脉冲整流器交流侧电流i_s下，每种情况下的开关状态函数计算方法如下：

(a)正常工作情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(b)A桥臂上IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(c)A桥臂下IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(d)B桥臂上IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(e)B桥臂下IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(f)A桥臂上IGBT与A桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(g)A桥臂上IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(h)A桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(i)A桥臂下IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(j)A桥臂下IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(k)B桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array},S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

其中i_s为两电平单相四象限脉冲整流器交流侧的电流值。

(2)、将(1)所得开关状态函数，计算不同情况下的两电平单相四象限脉冲整流器状态方程：

将(1)所得的开关函数值输入如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}R=(1-S_p)R_p+R_s\\ u_{ab}=(S_A-S_B)U_d\\ L_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{dt}=u_s-u_{ab}-{\mathrm{Ri}}_s\\ i_d=(S_A-S_B)i_s\end{array}\right.$

计算获得：i_s、i_d和u_ab；

其中，S_p为预充电开关状态值、R_p为预充电电阻值、R_s为变压器二次侧漏电阻值、U_d为中间直流侧电压值、u_s为变压器二次侧输出交流电压值、L_s为变压器二次侧漏电感值，i_s为两电平单相四象限脉冲整流器交流侧的电流值，i_d为两电平单相四象限脉冲整流器直流侧的电流值；i_s为两电平单相四象限脉冲整流器交流侧的电流值；u_ab为脉冲整流器交流侧的电压值；

(3)、将(2)所获得仿真值i_s、i_d和u_ab输出到牵引控制单元。

本发明方法中，电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器的基本电路图(图1所示)，据此可得到的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器正常工作时的基本原理图(图2所示)。本发明提供的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法对两电平单相四象限脉冲整流器的仿真建模时，将电力牵引交流传动系统中，两电平单相四象限脉冲整流器前端变压器的漏感以及通常状况下都存在的预充电电阻放在一起考虑，考虑与IGBT反并联的二极管的续流作用；同时，将开关器件做理想化处理，忽开关损耗、导通关断时间、导通管压降等因素的影响。

本发明所建立的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障仿真方法可确定：电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障仿真建模时的输入量为：交流侧电压u_s、直流侧电压U_d、预充电电阻投入/切除开关S_p/S_k、开关元器件控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄；电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真时输出量为交流侧电流I_s、直流侧电流I_d；电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真时的需要设定的参变量为交流侧变压器漏电感L_s、漏电阻R_s、预充电电阻R_p以及故障模式Mode。其示意图如图3所示。

采用本发明，可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中，两电平单相四象限脉冲整流器在正常工作状态下以及不同开关管故障状态下的仿真，并且基于状态方程的模型可以实现正常工作状态以及不同开关管故障状态下的切换，弥补了现有仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。所建立的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法可适用于一切基于计算机实现的对交流传动领域中两电平单相四象限脉冲整流器进行的离线或者实时仿真试验研究。可进行电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器在正常工作状态下以及不同开关管故障状态下的仿真，并且基于本发明中的方法可以实现两电平单相四象限脉冲整流器正常仿真与不同开关管故障状态下仿真的切换。

附图说明：

图1是电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器的基本电路图。

图2是电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器正常工作时的基本原理图。

图3是本发明所提出的电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障仿真方法的原理性输入输出接口定义图。

图4是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例中mdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid)函数的流程图。

图5是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例中mdlDerivatives(SimStruct*S)函数的流程图。

图6是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例。

图7是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的参数设置对话框。

图8是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的正常工作情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图9是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂上IGBT故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图10是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂下IGBT故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图11是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的B桥臂上IGBT故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图12是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的B桥臂下IGBT故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图13是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂上IGBT与A桥臂下IGBT同时故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图14是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂上IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图15是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图16是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂下IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图17是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的A桥臂下IGBT与B桥臂下IGBT同时故障下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

图18是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的B桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况下仿真结果中整流器网侧电压电流波形图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明中一种两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法的具体实施方法，设定编程环境为Matlab/Simulink，编程语言为Matlab/Simulink自身的C语言。

实施例

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障模型建立可按照本发明所叙述方法进行：

第1步：可通过编写mdlInitializeSizes(SimStruct*S)函数对模型进行初始化，设定模型的输入端口个数为8，输出端口个数为2，模型可设定参数为4，系统状态变量个数为1。

第2步：可通过编写mdlInitializeSampleTimes(SimStruct*S)函数设定仿真时间，仿真步长等参数。

第3步：可通过编写mdlInitializeConditions(SimStruct*S)函数对仿真中所要求解的状态方程的状态变量进行初始化。

第4步：可通过编写mdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid)函数以及mdlDerivatives(SimStruct*S)函数，实现输入端口信息的读取，模型可设定参数信息的读取，开关函数计算，状态方程的解算，以及输出端口信息的赋值，函数mdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid)的具体程序流程图如图4所示，函数mdlDerivatives(SimStruct*S)的具体程序流程图如图5所示。

第5步：通过Matlab的mex指令对所编写的函数进行编译。并在Matlab/Simulink环境下通过s-function模块对函数进行封装设置。封装好的模块如图6所示，模块封装后的参数设置对话框如图7所示。

基于做好的模型进行仿真，设定PWM开关频率为350Hz，中间直流侧电压3000V，仿真结果中电力牵引交流传动两电平四象限脉冲整流器网侧电压电流波形图如图8～18所示(图8为正常工作情况下的仿真结果，图9为A桥臂上IGBT故障情况下的仿真结果，图10为A桥臂下IGBT故障情况下的仿真结果，图11为B桥臂上IGBT故障情况下的仿真结果，图12为B桥臂下IGBT故障情况下的仿真结果，图13为A桥臂上IGBT与A桥臂下IGBT同时故障情况下的仿真结果，图14为A桥臂上IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况下的仿真结果，图15为A桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况下的仿真结果，图16为A桥臂下IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况下的仿真结果，图17为A桥臂下IGBT与B桥臂下IGBT同时故障下的仿真结果，图18为B桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的仿真结果)。

以上所述就是本发明的一种实施方式，基于这种实施方式可在Matlab/Simulink下进行两电平四象限脉冲整流器正常工作以及故障模式下的仿真，基于这种实施方式亦可以在dSPACE或者RT_Lab等类似的实时仿真机中进行两电平四象限脉冲整流器正常工作以及故障模式下的仿真，以研究两电平四象限脉冲整流器正常工作和故障模式下的控制算法等。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器故障建模仿真方法，在Matlab/Simulink下进行两电平四象限脉冲整流器正常工作以及故障模式下的仿真，定义单相两电平脉冲整流器左边桥臂为A桥臂，右边桥臂为B桥臂,包括以下步骤：

(1)、根据输入脉冲计算不同故障模式下开关状态函数：

不同故障模式下开关状态函数计算通过电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器的开关元器件控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄完成；不同故障模式下开关状态函数计算包括11种情况，定义S_A、S_B分别为A、B桥臂开关函数，在不同的脉冲整流器交流侧电流i_s下，每种情况下的开关状态函数计算方法如下：

(a)正常工作情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(b)A桥臂上IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(c)A桥臂下IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(d)B桥臂上IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(e)B桥臂下IGBT故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(f)A桥臂上IGBT与A桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(g)A桥臂上IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(h)A桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ 0& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(i)A桥臂下IGBT与B桥臂上IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1-P_4& i_s<0\end{array}\right.$

(j)A桥臂下IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_3& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

(k)B桥臂上IGBT与B桥臂下IGBT同时故障情况的开关函数计算方法：

$S_A=\left\{\begin{array}{cc}1-P_2& i_s>0\\ P_1& i_s<0\end{array}\right.,S_B=\left\{\begin{array}{cc}0& i_s>0\\ 1& i_s<0\end{array}\right.$

其中i_s为两电平单相四象限脉冲整流器交流侧的电流值

(2)、将(1)所得开关状态函数，计算不同情况下的两电平单相四象限脉冲整流器状态方程：

将(1)所得的开关函数值输入如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}R=(1-S_p)R_p+R_s\\ u_{ab}=(S_A-S_B)U_d\\ L_s\frac{{\mathrm{di}}_s}{dt}=u_s-u_{ab}-{\mathrm{Ri}}_s\\ i_d=(S_A-S_B)i_s\end{array}\right.$

计算获得：i_s、i_d和u_ab；

其中，S_p为预充电开关状态值、R_p为预充电电阻值、R_s为变压器二次侧漏电阻值、U_d为中间直流侧电压值、u_s为变压器二次侧输出交流电压值、L_s为变压器二次侧漏电感值，i_s为两电平单相四象限脉冲整流器交流侧的电流值，i_d为两电平单相四象限脉冲整流器直流侧的电流值；u_ab为脉冲整流器交流侧的电压值；

(3)、将(2)所获得仿真值i_s、i_d和u_ab输出到牵引控制单元。