CN106066911B - 电力牵引交流传动单相三电平脉冲整流器故障建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力牵引交流传动单相三电平脉冲整流器故障建模仿真方法：根据开关控制脉冲和脉冲整流器交流侧电流极性，计算单相三电平NPC脉冲整流器在不同开关管故障下所对应的开关状态函数；根据单相三电平NPC脉冲整流器的电路拓扑及脉冲整流器工作原理，计算单相三电平NPC脉冲整流器状态方程，得到交流侧电压、交流侧电流、直流侧电流等输出变量。本方法可实现于离线仿真、在线实时仿真以及硬件在环仿真系统中，单相三电平NPC脉冲整流器在正常工作下以及不同开关管故障下的仿真，并且该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，弥补了现有单相三电平NPC脉冲整流器仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。

Description

电力牵引交流传动单相三电平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单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真方法。

背景技术

对于电力电子系统的技术开发，尤其是大功率电力电力系统，通常需要采用仿真的方式验证所设计控制系统中软件算法、硬件方案的可行性，进一步对所设计硬件控制器进行测试，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时间及经济损失。

单相三电平NPC脉冲整流器由于其开关器件的耐压要求较两电平脉冲整流器降低，且拥有良好的网侧特性，应用于电力牵引交流传动领域。单相三电平NPC脉冲整流器将单相交流电变换为直流电，是牵引变流装置的前端。电力牵引传动系统装置运行环境复杂，腐蚀、湿度、温度等长期存在的因素，以及电浪涌、静电等不确定因素都会影响其运行状态，且开关管受压高，易发生故障，对整个牵引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，对单相三电平NPC脉冲整流器相应的故障仿真手段较少。

单相三电平NPC脉冲整流器主电路包含八个开关管，开关管较多，其工作时存在开关管故障的情况。单相三电平NPC脉冲整流器开关管故障时，开关管支路开路，交流侧电流谐波含量出现变化，出现不同程度的畸变，相应的直流侧电压也会出现不同程度的波动，在一定程度上影响整个牵引传动系统的性能。因此，对单相三电平NPC脉冲整流器进行故障建模与仿真，研究不同开关管故障对整流器交-直流侧的影响及相应的故障诊断技术非常有必要。在目前的仿真技术中，单相三电平NPC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开关管故障模式的故障仿真模型。

单相三电平NPC脉冲整流器主电路开关管较多，现有的单相三电平NPC脉冲整流器故障仿真在某些仿真软件中采用独立的开关管模型与二极管模型搭建完成，但这种模型不能方便地实现故障设置及正常模式与故障模式的切换，不具备研究单相三电平NPC脉冲整流器正常模式到故障模式时瞬态变化的情况。

本专利申请的申请人的已授权中国专利申请2013105071827对电力牵引交流传动两电平三相逆变器故障建模仿真方法进行了处理，有效地解决了两电平三相逆变器故障建模仿真的问题，但两电平结构每个桥臂只有上下两个开关管，每个桥臂的开关状态函数只包含两个开关管的控制信号，电流流通路径较少，电路模态简单。而三电平NPC结构每个桥臂有四个开关管，开关管增多，二极管增多，还增加了钳位二极管，开关状态明显增多，电流除了流向直流侧两端，还要流向中点，电流流通路径更多，需要考虑的电路模态更复杂，因此三电平NPC结构的故障建模更复杂，两电平结构故障建模方法显然不适用于三电平NPC结构，要求能够对单个或多个(两个及以上)开关管设置故障，故障设置灵活。

发明内容

鉴于现有单相三电平NPC脉冲整流器仿真技术的不足，本发明的目的是提供一种适用离线仿真、在线实时仿真及硬件在环仿真系统的电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真方法，实现单相三电平NPC脉冲整流器正常工作状态及不同开关管故障下的仿真，以及正常工作状态和不同开关管故障状态的切换，弥补现有单相三电平NPC脉冲整流器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：

电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真方法，实现单相三电平NPC脉冲整流器模型在正常工作以及不同开关管故障下的仿真。包括以下步骤：

(1)根据控制脉冲及交流侧电流极性计算正常工作及不同开关管故障下的开关管状态函数：

通过电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器的开关管控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈以及交流侧电流i_s的极性计算不同开关管故障下开关管状态函数。控制脉冲P₁～P₈有1、0两个取值，1表示导通信号，0表示关断信号。定义单相三电平NPC脉冲整流器左桥臂为A桥臂，右桥臂为B桥臂。定义S_A、S_B分别为A、B桥臂开关管状态函数，桥臂开关管状态函数有1、0、-1三个取值。开关管故障模式包括单个开关管故障及多个(两个及以上)开关管故障情况。在单相三电平NPC脉冲整流器交流侧电流i_s不同的极性下，各种情况下的开关管状态函数计算方法如下：

正常工作情况的开关管状态函数计算方法：

单个开关管故障情况的开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₁＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₂＝0，开关状态函数计算方法：

A桥臂下内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₃＝0，开关状态函数计算方法：

A桥臂下外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₄＝0，开关状态函数计算方法：

B桥臂上外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₅＝0，开关状态函数计算方法：

B桥臂上内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₆＝0，开关状态函数计算方法：

B桥臂下内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₇＝0，开关函数计算方法：

B桥臂下外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₈＝0，开关状态函数计算方法：

多个(两个及以上)开关管同时故障时，对应开关管控制脉冲同时为0。根据开关管的不同位置，具体作如下不同的处理：

A桥臂上外开关管和上内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₂＝0，开关状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和下内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₃＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂下内开关管和下外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₃＝0，P₄＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管和B桥臂上外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₅＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管和B桥臂下外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₈＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和B桥臂上内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₆＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和B桥臂下内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₇＝0，开关管状态函数计算方法：

(2)根据(1)所得开关管状态函数，计算不同情况下的单相三电平NPC脉冲整流器状态方程：

根据单相三电平NPC脉冲整流器电路拓扑及脉冲整流器工作原理，列出单相三电平NPC脉冲整流器状态方程：

将(1)所得的开关管状态函数值输入到整流器状态方程。除开关管状态函数外，单相三电平NPC脉冲整流器还有4个输入变量：变压器二次侧输出交流电压u_s、中间直流侧p/o间电压U₁、中间直流侧o/n间电压U₂和预充电开关状态S_p。单相三电平NPC脉冲整流器参数有变压器二次侧漏电阻值R_s、变压器二次侧漏电感值L_s、预充电电阻值R_p。

经上述状态方程计算可得：整流器交流侧电压u_ab、整流器交流侧电流i_s、整流器输出到直流侧p点电流i_p、整流器输出到直流侧n点电流i_n、整流器输出到直流侧o点电流i_o。

(3)将(2)所计算得仿真值i_p、i_n和i_o输出到中间直流侧模型，进行后续模型计算。将u_s、i_s、U₁和U₂输出到牵引控制算法，进行单相三电平NPC脉冲整流器控制。

本发明提供的电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真方法考虑牵引变压器二次侧漏电阻、漏电感及预充电电阻，考虑与开关管反并联二极管的续流作用。同时，将开关器件作理想化处理，忽略开关损耗、导通关断瞬态、导通关断时间、导通管压降、漏电流等因素。

电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器的基本电路拓扑如图1所示，电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器的基本工作原理如图2所示。本发明所建立的电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器故障仿真建模时的输入量为：网侧电压u_s、p/o间电压U₁、o/n间电压U₂、预充电电阻投入/切除开关S_p/S_k、开关管控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈；单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真时输出量为交流侧电压u_ab、交流侧电流i_s、整流器输出到直流侧p点电流i_p、整流器输出到直流侧n点电流i_n、整流器输出到直流侧o点电流i_o；单相三电平NPC脉冲整流器故障建模仿真时的需要设定的参变量有交流侧变压器漏电阻R_s、漏电感L_s、预充电电阻R_p以及故障模式Fault Mode。其示意图如图3所示。

采用本发明，可实现离线仿真、在线实时仿真及硬件在环仿真系统中，单相三电平NPC脉冲整流器在正常工作及不同开关管故障下的仿真，并且实现正常工作状态以及不同开关管故障状态的切换，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单相三电平NPC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单相三电平NPC脉冲整流器进行的仿真试验研究。

附图说明：

图1是电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器的基本电路拓扑图。

图2是电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器正常工作时的基本工作原理图。

图3是本发明所提出的电力牵引交流传动单相三电平NPC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单相三电平NPC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_T tid)函数的流程图。

图5是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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单相三电平NPC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单相三电平NPC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单相三电平NPC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交流侧电压电流波形图。

图9是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图10是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图11是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂下内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图12是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂下外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图13是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图14是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图15是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂下内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图16是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂下外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图17是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上外开关管和A桥臂上内开关管同时故障下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图18是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上内开关管和A桥臂下内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图19是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂下内开关管和A桥臂下外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图20是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上外开关管和B桥臂上外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图21是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上外开关管和B桥臂下外开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图22是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上内开关管和B桥臂上内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

图23是基于本发明电力牵引交流传动单相三电平NPC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桥臂上内开关管和B桥臂下内开关管故障情况下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。

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。

作为本发明中一种单相三电平NPC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

电力牵引交流传动单相三电平NPC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：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6，输出端口个数为5，模型可设定参数为4，系统状态变量个数为1。

第2步：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：通过编写mdlInitializeConditions(SimStruct*S)函数对仿真中所要解算的状态方程的状态变量进行初始化。

第4步：通过编写mdlOutputs(SimStruct*S,int_T tid)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，开关状态函数计算，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。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。

基于上述模型进行仿真，系统参数为：变压器二次侧输出电压有效值为1500V，中间直流侧电压3000V，PWM开关频率为1250Hz。电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器正常工作和不同开关管故障下的交流侧电压电流仿真结果如图8～23所示(图8为正常工作情况下的仿真结果，图9为A桥臂上外开关管故障情况下的仿真结果，图10为A桥臂上内开关管故障情况下的仿真结果，图11为A桥臂下内开关管故障情况下的仿真结果，图12为A桥臂下外开关管故障情况下的仿真结果，图13为B桥臂上外开关管故障情况下的仿真结果，图14为B桥臂上内开关管故障情况下的仿真结果，图15为B桥臂下内开关管故障情况下的仿真结果，图16为B桥臂下外开关管故障情况下的仿真结果，图17为A桥臂上外开关管和A桥臂上内开关管同时故障下的仿真结果，图18为A桥臂上内开关管和A桥臂下内开关管同时故障情况的仿真结果，图19为A桥臂下内开关管和A桥臂下外开关管同时故障情况的仿真结果，图20为A桥臂上外开关管和B桥臂上外开关管同时故障情况的仿真结果，图21为A桥臂上外开关管和B桥臂下外开关管同时故障情况的仿真结果，图22为A桥臂上内开关管和B桥臂上内开关管同时故障情况的仿真结果，图23为A桥臂上内开关管和B桥臂下内开关管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下进行单相三电平NPC脉冲整流器正常工作以及故障下的仿真，基于这种实施方式亦可以在dSPACE或者RT-LAB等类似的实时仿真器中进行单相三电平NPC脉冲整流器正常工作以及开关管故障下的仿真，研究不同开关管故障对脉冲整流器的影响及相应的故障诊断技术，研究单相三电平NPC脉冲整流器正常工作和故障下的控制算法等。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.电力牵引交流传动单相三电平脉冲整流器故障建模仿真方法，实现单相三电平NPC脉冲整流器模型在正常工作以及不同开关管故障下的仿真；包括以下步骤：

(1)根据控制脉冲及交流侧电流极性计算正常工作及不同开关管故障下的开关管状态函数：

通过电力牵引交流传动单相三电平NPC脉冲整流器的开关管控制脉冲P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆、P₇、P₈以及交流侧电流i_s的极性计算不同开关管故障下开关管状态函数；控制脉冲P₁～P₈有1、0两个取值，1表示导通信号，0表示关断信号；定义单相三电平NPC脉冲整流器左桥臂为A桥臂，右桥臂为B桥臂；定义S_A、S_B分别为A、B桥臂开关管状态函数，桥臂开关管状态函数有1、0、-1三个取值；开关管故障模式包括单个开关管故障及两个开关管故障情况，在单相三电平NPC脉冲整流器交流侧电流i_s不同的极性下，各种情况下的开关管状态函数计算方法如下：

正常工作情况的开关管状态函数计算方法：

单个开关管故障情况的开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₁＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₂＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂下内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₃＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂下外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₄＝0，开关管状态函数计算方法：

B桥臂上外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₅＝0，开关管状态函数计算方法：

B桥臂上内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₆＝0，开关管状态函数计算方法：

B桥臂下内开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₇＝0，开关管函数计算方法：

B桥臂下外开关管故障情况，等效为对应控制脉冲P₈＝0，开关管状态函数计算方法：

两个及以上开关管同时故障时，对应开关管控制脉冲同时为0；根据开关管的不同位置，具体作如下不同的处理：

A桥臂上外开关管和上内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₂＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和下内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₃＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂下内开关管和下外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₃＝0，P₄＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管和B桥臂上外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₅＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上外开关管和B桥臂下外开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₁＝0，P₈＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和B桥臂上内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₆＝0，开关管状态函数计算方法：

A桥臂上内开关管和B桥臂下内开关管同时故障时，等效为对应控制脉冲P₂＝0，P₇＝0，开关管状态函数计算方法：

(2)根据(1)所得开关管状态函数，计算不同情况下的单相三电平NPC脉冲整流器状态方程：

根据单相三电平NPC脉冲整流器电路拓扑及脉冲整流器工作原理，列出单相三电平NPC脉冲整流器状态方程：

将(1)所得的开关管状态函数值输入到整流器状态方程；除开关管状态函数外，单相三电平NPC脉冲整流器还有4个输入变量：变压器二次侧输出交流电压u_s、中间直流侧p/o间电压U₁、中间直流侧o/n间电压U₂和预充电开关状态S_p；单相三电平NPC脉冲整流器参数有变压器二次侧漏电阻值R_s、变压器二次侧漏电感值L_s、预充电电阻值R_p；

经上述状态方程计算可得：整流器交流侧电压u_ab、整流器交流侧电流i_s、整流器输出到直流侧p点电流i_p、整流器输出到直流侧n点电流i_n、整流器输出到直流侧o点电流i_o；

(3)将(2)所计算得仿真值i_p、i_n和i_o输出到中间直流侧模型，进行后续模型计算；将u_s、i_s、U₁和U₂输出到牵引控制算法，进行单相三电平NPC脉冲整流器控制。