CN103544350B - 电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法，基于两电平三相逆变器的工作原理完成，具体方法包括：电力牵引交流传动两电平三相逆变器在正常及开关管故障模式下所对应的脉冲信息计算、各桥臂输出电压计算以及基于此的电力牵引交流传动两电平三相逆变器输出电压方程计算。本方法可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中，两电平三相逆变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三相逆变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三相逆变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。两电平三相逆变器广泛应用于交流牵引传动领域，是交直流变换的主要设备。当两电平三相逆变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，对两电平三相逆变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，对于两电平三相逆变器而言，其正常工作时存在不同桥臂上开关管故障时的情况。两电平三相逆变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，对两电平三相逆变器进行建模与仿真，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，两电平三相逆变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。

现有的两电平三相逆变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，不具备研究两电平三相逆变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三相逆变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三相逆变器故障仿真模型基于状态方程描述，实现两电平三相逆变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三相逆变器故障建模仿真方法，基于Matlab/Simulink环境，进行实时或者是离线的两电平三相逆变器正常工作以及故障模式下的仿真。电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法需做如下定义：定义两电平三相逆变器左边桥臂为A桥臂，中间桥臂为B桥臂，右边桥臂为C桥臂；定义A桥臂上开关管开关脉冲为P₁、A桥臂下开关管开关脉冲为P₂、B桥臂上开关管开关脉冲为P₃、B桥臂下开关管开关脉冲为P₄、C桥臂上开关管开关脉冲为P₅、C桥臂下开关管开关脉冲为P₆；定义每个开关管的开关脉冲可由唯一的二维数组ST_Pi[2][n]描述其属性，其中数组中ST_Pi[0][n]～ST_Pi[0][n]记录单个仿真步长下开关管脉冲的变化属性(用不同的符号表示单个仿真步长下开关脉冲的变化，如1为上升沿，0为下降沿，-1为无变化)其中数组中ST_Pi[1][n]～ST_Pi[1][n]记录单个仿真步长下开关管脉冲的变化发生的时间点。电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法具体包括以下步骤：

(1)根据输入脉冲计算单仿真步长下不同故障模式的开关信息：

单仿真步长下不同故障模式下开关值k_i(i＝1,2,3,4,5,6)的计算根据描述每个开关管的开关脉冲的唯一的二维数组ST_Pi[2][n]进行，同时可得到当前仿真步长下最终的开关状态P_i(i＝1,2,3,4,5,6)。

(a)正常工作情况的开关值计算：

遍历数组ST_Pi[0][n]，找到单个仿真步长下开关管脉冲的变化次数n，当n>0时：

$k_i=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{\mathrm{ST}}_{P_i}\left[1\right]\left[k\right]$

P_i＝ST_Pi[0][n](i＝1,2,3,4,5,6)

当n＝0时：

k_i＝0(i＝1,2,3,4,5,6)

P_i＝P_iP(i＝1,2,3,4,5,6)

其中P_iP为上个仿真步长结束后P_i的值。

(b)开关管开路故障下，开关值计算：

k_i＝0(i＝1,2,3,4,5,6)

P_i＝0(i＝1,2,3,4,5,6)

(2)根据不同开关管的开关信息，计算各桥臂在不同电流i(i_A、i_B、i_C)下的输出电压值，当i>0(i取i_A、i_B、i_C)时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_1)U_d& P_1=1,P_2=0\\ u_a=k_1{U}_d& P_1=0,P_2=1\\ u_a=k_1{U}_d& P_1=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_3)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_3{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=k_3{U}_d& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_5)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_5{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=k_5{U}_d& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

当i<0(i取i_A、i_B、i_C)时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_2)U_d& P_1=1,P_2=0\\ u_a=k_2{U}_d& P_1=0,P_2=1\\ u_a=(1-k_2)U_d& P_1=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_4)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_4{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=(1-k_4)U_d& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_6)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_6{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=(1-k_6)U_d& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

当i＝0(i取i_A、i_B、i_C)时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_1)U_d& P_1=1,P_2=0\\ u_a=k_2{U}_d& P_1=0,P_2=1\\ u_a=0& P_1=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_3)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_4{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=0& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_5)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_6{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=0& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

(3)根据计算所得到的各桥臂的输出电压值计算两电平三相逆变器的输出相电压值：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}=2u_a/3-u_b/3-u_c/3\\ u_{bn}=2u_b/3-u_a/3-u_c/3\\ u_{cn}=2u_c/3-u_b/3-u_a/3\end{array}\right.$

(4)将(3)所获计算的结果u_a、u_b和u_c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三相逆变器的基本电路图(图1所示)，据此可得到的电力牵引交流传动两电平三相逆变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三相逆变器故障建模仿真方法对两电平三相逆变器的仿真建模时，将与开关元器件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三相逆变器故障仿真方法可确定：电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障仿真建模时的输入量为：直流侧电压U_d、开关元器件控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆，交流侧电流i_a、i_b、i_c；电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真时输出量为交流侧电压u_an、u_bn、u_cn；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，两电平三相逆变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三相逆变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三相逆变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三相逆变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三相逆变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三相逆变器的基本电路图。

图2是电力牵引交流传动两电平三相逆变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三相逆变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三相逆变器故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例。

图5是基于本发明电力牵引交流传动两电平三相逆变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6是基于本发明电力牵引交流传动两电平三相逆变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交流侧电压电流波形图，其上部分为线电压波形图，下部分为相电压波形图。

图7两电平三相逆变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交流侧电压波形图，其上部分为线电压波形图，下部分为相电压波形图。

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三相逆变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

在Matlab/Simulink环境下，运用其用户自定义模块s-function，基于C语言，可完成电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障模型的建立。在建立模型时s-function的要求，定义模块输入输出接口以及状态变量，设定仿真系统参数以及初始化之后，按照可按照本发明所叙述方法编写主函数，完成在Matlab/Simulink环境下对电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障模型的建立。编写主函数时，：

第1步：按照本发明所述方法编写不同故障模式下开关信息计算模块。

第2步：按照本发明所述方法编写各桥臂输出电压计算模块。

第3步：按照本发明所述方法编写两电平三相逆变器输出相电压计算模块。

第3步：配置输出端口，输出本发明所述电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障模型的输出量u_an、u_bn、u_cn。

在完成电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障模型的建立后，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4所示，模块封装后的参数设置对话框如图5所示。

基于做好的模型进行仿真，设定PWM开关频率为500Hz，中间直流侧电压3000V，仿真结果中电力牵引交流传动两电平三相逆变器电压如图6～7所示(图6为正常工作情况下的仿真结果，图7为A桥臂上IGBT故障情况下的仿真结果)。

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下进行两电平三相逆变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三相逆变器正常工作以及故障模式下的仿真，以研究两电平三相逆变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三相逆变器故障建模仿真方法，基于Matlab/Simulink环境，进行实时或者是离线的两电平三相逆变器正常工作以及故障模式下的仿真,电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法需做如下定义：两电平三相逆变器左边桥臂为A桥臂，中间桥臂为B桥臂，右边桥臂为C桥臂；A桥臂上开关管开关脉冲为P₁、A桥臂下开关管开关脉冲为P₂、B桥臂上开关管开关脉冲为P₃、B桥臂下开关管开关脉冲为P₄、C桥臂上开关管开关脉冲为P₅、C桥臂下开关管开关脉冲为P₆；每个开关管的开关脉冲由唯一的二维数组ST_Pi[2][n]描述其属性，其中数组中ST_Pi[0][n]～ST_Pi[0][n]记录单个仿真步长下开关管脉冲的变化属性；在此用不同的符号表示单个仿真步长下开关脉冲的变化，1为上升沿，0为下降沿，-1为无变化；其中数组中ST_Pi[1][n]～ST_Pi[1][n]记录单个仿真步长下开关管脉冲的变化发生的时间点；电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法具体包括以下步骤：

(1)根据输入脉冲计算单仿真步长下不同故障模式的开关信息：

单仿真步长下不同故障模式下开关值k_i，i＝1,2,3,4,5,6；的计算根据描述每个开关管的开关脉冲的唯一的二维数组ST_Pi[2][n]进行，同时可得到当前仿真步长下最终的开关状态P_i；

(a)正常工作情况的开关值计算：

遍历数组ST_Pi[0][n]，找到单个仿真步长下开关管脉冲的变化次数n，当n>0时：

$k_i=\underset{k=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{(-1)}^k{\mathrm{ST}}_{P_i}\&lsqb;1\&rsqb;\&lsqb;k\&rsqb;$

P_i＝ST_Pi[0][n]

当n＝0时：

k_i＝0P_i＝P_iP

其中P_iP为上个仿真步长结束后P_i的值；

(b)开关管开路故障下，开关值计算：

k_i＝0P_i＝0

(2)根据不同开关管的开关信息，计算各桥臂在不同电流i下的输出电压值，i取i_A、i_B、i_C；当i>0时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_1)U_d& P_1=1,P_2=0\\ u_a=k_1{U}_d& P_1=0,P_2=1\\ u_a=k_1{U}_d& P_1=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_3)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_3{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=k_3{U}_d& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_5)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_5{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=k_5{U}_d& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

当i<0时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_2)U_d& P=1,P_2=0\\ u_a=k_2{U}_d& P=0,P_2=1\\ u_a=(1-k_2)U_d& P=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_4)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_4{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=(1-k_4)U_d& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_6)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_6{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=(1-k_6)U_d& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

当i＝0时：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_a=(1-k_1)U_d& P_1=1,P_2=0\\ u_a=k_2{U}_d& P_1=0,P_2=1\\ u_a=0& P_1=0,P_2=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=(1-k_3)U_d& P_3=1,P_4=0\\ u_b=k_4{U}_d& P_3=0,P_4=1\\ u_b=0& P_3=0,P_4=0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_c=(1-k_5)U_d& P_5=1,P_6=0\\ u_c=k_6{U}_d& P_5=0,P_6=1\\ u_c=0& P_5=0,P_6=0\end{array}\right.$

(3)根据计算所得到的各桥臂的输出电压值计算两电平三相逆变器的输出相电压值：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}=2u_a/3-u_b/3-u_c/3\\ u_{bn}=2u_b/3-u_a/3-u_c/3\\ u_{cn}=2u_c/3-u_b/3-u_a/3\end{array}\right.$

(4)将(3)所获计算的结果u_a、u_b和u_c输出到牵引控制单元。