CN103678811A

CN103678811A - 电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法

Info

Publication number: CN103678811A
Application number: CN201310698537.5A
Authority: CN
Inventors: 葛兴来; 苟斌; 冯晓云; 熊成林; 宋文胜; 韩坤
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103678811B

Abstract

本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，基于电力牵引变流器中间直流回路拓扑结构完成，具体方法包括：根据电力牵引交流传动变流器中间直流回路在每一种故障模式下所对应的拓扑结构计算得出该故障模式下的状态方程，从而得到不同故障模式下直流回路输出的直流电压值。本方法可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中，电力牵引变流器中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的仿真，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故障模式下的切换，弥补了现有仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。

Description

电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法

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变流器中间直流回路故障建模仿真方法。

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。电力牵引变流器中间直流回路主要应用于交流牵引传动领域，是交直流变换器中间环节的主要设备。当电力牵引变流器中间直流回路在运行过程中出现故障时，会对整个传动系统的正常运行产生一定的危害。现今对于传动系统中相应的故障建模以及故障诊断越来越被重视，但目前为止，对电力牵引变流器中间直流回路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，对于电力牵引变流器中间直流回路而言，其运行工作时存在电路中某个部件故障的可能。电力牵引变流器中间直流回路中的部件故障时，中间直流回路输出电压必定会产生波动，影响电力牵引变流器性能。不同部件故障的影响严重程度和表现形式都会不同，因此，对电力牵引变流器中间直流回路进行建模与仿真，观察研究不同部件故障对中间直流回路输出电压的影响非常有必要。在目前的仿真技术中，尚不存在独立的电力牵引变流器中间直流回路仿真模型，更不存在独立的具有不同部件故障模式的故障仿真模型。

发明内容

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，电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，通过该方法建立的电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障仿真模型基于状态方程描述，实现变流器中间直流回路正常工作状态仿真、不同部件不同故障模式仿真，以及正常工作状态和不同部件不同故障模式下的切换，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：

电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，在Matlab/Simulink下进行电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真，包括以下步骤：

（1）、读取电力牵引变流器网侧脉冲整流器的输出电信号I_r，电机侧逆变器的输入电流信号I_i，短路保护电路控制信号S_x以及过压保护电路开关信号S_o。

（2）、根据不同故障模式下的电力牵引变流器中间直流回路拓扑计算该故障下状态方程：

电力牵引交流传动变流器中间直流回路主要有8种故障模式，根据不同故障模式的拓扑结构可计算得到不同故障模式下的状态方程，每种故障模式下的状态方程计算如下：

（a）正常工作情况的电力牵引变流器中间直流回路状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{L_{s}} & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ \frac{1}{C_{s}} & - \frac{1}{C_{s} R_{s}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ - \frac{1}{C_{d}} & 0 & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} \\ u_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（b）中间直流回路滤波电感开路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \frac{1}{C_{s} R_{s}} & 0 & 0 \\ 0 & - \frac{R_{1} {+ R}_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ 0 & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} u_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（c）中间直流回路滤波电感短路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ \frac{1}{R_{1} (C_{d} + C_{s})} & - \frac{R_{1} R_{s}}{R_{1} R_{s} (C_{d} + C_{s})} - \frac{S_{x}}{R_{x} (C_{d} + C_{s})} - \frac{S_{o}}{R_{o} (C_{d} + C_{s})} \end{matrix}] [\begin{matrix} U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d} + C_{s}} \end{matrix}]

（d）中间直流回路滤波电容开路故障下状态方程：

（e）中间直流回路滤波电容短路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ 0 & - \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ - \frac{1}{C_{d}} & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（f）中间直流回路放电电阻开路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{L_{s}} & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ \frac{1}{C_{s}} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ - \frac{1}{C_{d}} & 0 & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} \\ u_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（g）中间直流回路放电电阻短路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ 0 & - \frac{R_{1} {+ R}_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ - \frac{1}{C_{d}} & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（h）中间直流回路接地检测电阻开路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{L_{s}} & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ \frac{1}{C_{s}} & - \frac{1}{C_{s} R_{s}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - \frac{1}{C_{2} R_{2}} & 0 \\ - \frac{1}{C_{d}} & 0 & 0 & - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} \\ u_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]

（i）中间直流回路接地检测电阻短路故障下状态方程：

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{du}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{L_{s}} & \frac{1}{L_{s}} \\ \frac{1}{C_{s}} & - \frac{1}{C_{s} R_{s}} & 0 \\ - \frac{1}{C_{d} + C_{2}} & 0 & - \frac{1}{R_{1} (C_{d} + C_{2})} - \frac{S_{x}}{R_{x} (C_{d} + C_{2})} - \frac{S_{o}}{R_{o} (C_{d} + C_{2})} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{s} \\ u_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{(C_{d} + C_{2})} \end{matrix}]

其中U_d为中间直流回路输出电压；C_s、L_s谐波回路中电容、电感；R_s为谐振回路持续放电电阻；R₁、R₂、C₂为接地故障检测电路电阻、电容；C_d为支撑电容；R_x为短路保护电路电阻；R_o为限压电路电阻；I_r为整流侧输入电流；I_i为逆变侧输出电流；S_x、S_o为短路保护电路以及过压保护电路开关信号。状态变量i_s、u_s、U₂分别为谐振电感电流、谐振电容电压和接地故障检测电容电压。

（3）、将（2）所获得仿真值U_d作为模型输出至后续处理单元。

所述后续处理单元可为:模型图显示单元、模型数据保存处理单元。

本发明方法中，电力牵引交流传动变流器中间直流回路的基本电路图（图1所示），据此可分析电力牵引交流传动变流器中间直流回路正常工作时的基本原理。

本发明所建立的电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障仿真方法可确定：电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障仿真建模时的输入量为：电力牵引系变流器整流侧输入电流值I_r、逆变侧输出电流值I_i、短路保护电路开关信号S_x、过压保护电路开关信号S_o；电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真时输出量为中间直流回路输出电压U_d；电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真时的需要设定的参变量为谐波回路电感值L_s、谐波回路电容值C_s、谐振回路持续放电电阻值R_s、接地故障检测电路电阻值R₁和R₂、接地故障检测电路电容值C₂、短路保护电路电阻值R_x、限压电路电阻值R_o、支撑电容值C_d以及故障模式Mode。其示意图如图2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，电力牵引变流器中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的仿真，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故障模式下的切换，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变流器中间直流回路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电力牵引变流器中间直流回路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变流器中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的仿真，并且基于本发明中的方法可以实现变流器中间直流回路正常仿真与不同故障模式下仿真的切换。

附图说明：

图1是电力牵引交流传动变流器中间直流回路的基本电路图。

图2是本发明所提出的电力牵引交流传动变流器中间直流回路仿真方法的原理性输入输出接口定义图。

图3是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的一个实施例。

图4是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路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5是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路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的中间直流电压波形图。

图6是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电感开路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图7是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电感短路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图8是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电容开路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图9是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路滤波电容短路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图10是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路放电电阻开路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图11是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路放电电阻短路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图12是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路接地检测电阻开路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

图13是基于本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法在Matlab/Simulink环境下做出的实施例的中间直流回路接地检测电阻短路故障下仿真结果中的中间直流电压波形图。

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。

作为本发明中一种电力牵引交流传动变流器中间直流回路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变流器中间直流回路故障模型的建立。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变流器中间直流回路故障模型的建立。编写主函数时：

第1步：按照本发明所述方法计算电力牵引交流传动变流器中间直流回路在不同故障下的状态方程。

第2步：按照本发明所述方法输出中间直流侧电压。

在完成电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障模型的建立后，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3所示，模块封装后的参数设置对话框如图4所示。

基于做好的模型在Matlab/Simulink环境下进行仿真，设定仿真参数C_s=4.56mF，L_s=0.603mH，R_s=193kΩ，R₁=99kΩ，R₂=33kΩ，C₂=220μF，C_d=3mF。设定仿真环境为电力牵引交流传动变流器方波控制过程，负载为4个牵引电机。

仿真结果中电力牵引交流传动变流器中间直流回路输出电压波形图如图5～13所示（图5为正常工作情况下的仿真结果，图6为滤波电感开路故障下的仿真结果，图7为滤波电感短路故障下的仿真结果，图8为滤波电容开路故障下的仿真结果，图9为滤波电容短路故障下的仿真结果，图10为放电电阻开路故障下的仿真结果，图11为放电电阻短路故障下的仿真结果，图12为接地检测电阻开路故障下的仿真结果，图13为接地检测电阻短路故障下的仿真结果）。

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下进行电力牵引变流器中间直流回路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电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真，以研究电力牵引变流器中间直流回路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.电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，在Matlab/Simulink下进行电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真，包括以下步骤：

（1）、读取电力牵引变流器网侧脉冲整流器的输出电信号I_r，电机侧逆变器的输入电流信号I_i，短路保护电路控制信号S_x以及过压保护电路开关信号S_o;

[\begin{matrix} \frac{{di}_{s}}{dt} \\ \frac{{du}_{s}}{dt} \\ \frac{{dU}_{2}}{dt} \\ \frac{{dU}_{d}}{dt} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{1}{L_{s}} & 0 & \frac{1}{L_{s}} \\ \frac{1}{C_{s}} & - \frac{1}{C_{s} R_{s}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2} C_{2}} & \frac{1}{R_{1} C_{2}} \\ - \frac{1}{C_{d}} & 0 & \frac{1}{R_{1} C_{d}} & - \frac{1}{R_{1} C_{d}} - \frac{S_{x}}{R_{x} C_{d}} - \frac{S_{o}}{R_{o} C_{d}} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{1} \\ u_{s} \\ U_{2} \\ U_{d} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ \frac{I_{r} - I_{i}}{C_{d}} \end{matrix}]