CN111371301A

CN111371301A - 一种两电平牵引逆变器igbt结温控制方法及系统

Info

Publication number: CN111371301A
Application number: CN202010173491.5A
Authority: CN
Inventors: 陈志文; 高飞; 彭涛; 杨超; 秦瑞
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: CN111371301B

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法及系统，以降低两电平牵引逆变器IGBT的结温；该方法包括采集当前周期内牵引电机的三相定子电流，计算当前周期内的牵引电机的输出转矩、转子磁链和三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角；计算得到当前周期内牵引电机的三相电流参考值；建立三相电流参考值和三相电流实际值之间的残差模型；计算得到共模量；计算残差模型的输出值和共模量的和值，将该和值输入滞环控制器，若该值超过滞环控制器内预设的正的阈值时，滞环控制器输出1，并控制目标IGBT开通；若该值小于滞环控制器内预设的负的阈值时，滞环控制器输出0，并控制目标IGBT关断。

Description

一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法及系统。

背景技术

牵引变流器作为高速列车牵引传动系统的重要组成部分，其稳定可靠运行直接关系到整个系统的安全运行。两电平牵引变流器作为一种常用的拓扑结构，其中电机侧逆变器往往承受着剧烈的电热应力，尤其是逆变器中的功率开关器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是变流器中故障率较高的器件之一。因此，通过采取相应的控制方法延缓IGBT的损耗，从而增强变流器整体的运行安全性，提升变流器整体使用寿命，对保障高速列车的安全运行具有十分重要的意义。

在整个牵引逆变器的使用寿命中，IGBT会经历不同类型的应力，尤其是结温波动造成的热应力。由于IGBT由几层不同的材料组成，每层材料具有不同的热膨胀系数，在承受热应力时每层材料会有不同程度的收缩和膨胀，随着时间的推移会导致IGBT的损耗和老化，最终导致失效，造成器件的开路故障和短路故障，引起故障环流、波形缺失、谐波突增，严重影响变流器系统的整体运行安全。在牵引逆变器几十年的生存期里，如果设备在系统接近使用寿命结束之前发生故障，则需要安排维护并更换设备，消耗大量的人力物力。

因此，如何降低两电平牵引逆变器IGBT的结温以减小温度应力对器件的冲击成为一个急需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法及系统，以降低两电平牵引逆变器IGBT的结温以减小温度应力对器件的冲击，从而降低损耗，延长逆变器整体使用寿命，减少维护成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法，包括以下步骤：

S1：设定采样周期，采集当前周期内牵引电机的三相定子电流，根据所述三相定子电流计算当前周期内的牵引电机的输出转矩、转子磁链和三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角；

S2:根据所述牵引电机的输出转矩、所述转子磁链和所述三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角计算得到当前周期内牵引电机的三相电流参考值；

S3：建立所述三相电流参考值和三相电流实际值之间的残差模型；

S4：获取残差中的最大值和最小值，根据所述最大值和所述最小值计算得到共模量；

S5：计算所述残差模型的输出值和所述共模量的和值，将该和值输入滞环控制器，若该值超过滞环控制器内预设的正的阈值时，所述滞环控制器输出1，并控制目标IGBT开通；若该值小于滞环控制器内预设的负的阈值时，所述滞环控制器输出0，并控制目标IGBT关断。

优选地，还包括以下步骤：

S6：建立目标IGBT在当前周期的结温与三相电流、开关信号以及上一周期结温之间的第四关系模型；

S7：根据所述第四关系模型计算目标IGBT在当前周期的结温值。

优选地，所述S1具体包括以下步骤：

建立三相定子电流分别与当前周期内的牵引电机的输出转矩、转子磁链和三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角的关系模型如下：

式中，T_e为牵引电机输出转矩，n_p为电机极对数，L_m为牵引电机定子与转子间的互感，L_r为转子电感，ψ_r为转子磁链，i_q为两相旋转坐标系的q轴电流值；

其中，转子磁链的计算公式如下：

式中，T_r为转子时间常数，计算如式下：

式中，R_r为转子电阻；

定子电流在两相静止坐标系中的夹角计算公式如下：

式中，

为两相静止坐标系α和β轴间的夹角，ω_r为牵引电机转子角速度，ω_s为转差角频率，计算如式下：

优选地，所述S2具体包括以下步骤：

S21：计算牵引电机转矩给定值

计算公式如下：

式中，v^*为速度给定值，v为速度实际值，K_p1为比例系数，K_i1为积分系数；

S22：计算两相旋转坐标系d和q轴电流参考值，计算公式如下：

式中，

为两相旋转坐标系中d轴电流参考值，

为两相旋转坐标系中q轴电流参考值，

为转子磁链给定值，为常数；K_p2、K_p3都为比例系数；K_i2、K_i3都为积分系数；

S23：计算两相静止坐标系α和β轴电流参考值，计算公式如下：

式中，

为两相静止坐标系中α轴电流参考值，

为两相静止坐标系中β轴电流参考值；

S24：计算牵引电机三相电流参考值，计算公式如下：

式中，

为a相电流参考值，

为b相电流参考值；

为c相电流参考值；

优选地，所述S4中，计算共模量的计算公式如下：

式中，z为共模量，k为共模系数，k的取值为[0,1]。

优选地，所述S6具体包括以下步骤：

S61：定义牵引逆变器相电流极性，计算公式如下：

式中，δ_x为相电流极性符号，i_x为交流侧x相相电流，x为a相、b相或者c相；

S62：建立目标桥臂IGBT功耗模型，公式为：

P_x2(i_x)＝δ_x(S_x2*|i_x|*u_ce+γ_x2)； (13)

式中，P_x1为牵引逆变器x相上桥臂IGBT功耗，P_x2为牵引逆变器x相下桥臂IGBT功耗，S_x1为牵引逆变器x相上桥臂IGBT开关信号，S_x2为牵引逆变器x相下桥臂IGBT开关信号，γ_x1为牵引逆变器x相上桥臂IGBT开关能量损耗，γ_x2为牵引逆变器x相下桥臂IGBT开关能量损耗，u_ce为IGBT集电极-发射极电压降，

为δ_x取反；

式中，E_on为IGBT在开关周期内的开通能量损耗，E_off为IGBT在开关周期内的关断能量损耗，S_xi为牵引逆变器x相i号IGBT，t为当前时刻，t₀为时间差；

S63：建立目标桥臂IGBT能耗模型，计算公式如下：

式中，T_j为结温，

为IGBT在结温T_j下的开通能量损耗，

为IGBT在125℃时的开通能量损耗，

为IGBT在25℃下的开通能量损耗，I_C为IGBT集电极电流，

为IGBT在结温T_j下的关断能量损耗，

为IGBT在125℃时的关断能量损耗，

为IGBT在25℃时的关断能量损耗；

S64：建立目标IGBT的热网络模型如下：

式中，Z_th(j-c)为IGBT的热阻抗；τ_i＝R_{th_i}·C_{th_i}(i＝1,2,3,4)为第i阶网络的热时间常数，R_{th_i}是第i阶网络的热电阻，C_{th_i}为第i阶网络的热电容，n为热网络的阶数，s为拉普拉斯变换后的复变量。

优选地，所述S7中第四模型的计算公式如下：

T_j＝P_xi·Z_th(j-c)+T_a； (18)

式中，T_a为环境温度，P_xi为S6中计算得到的两电平牵引逆变器x相i号IGBT的功率损耗，x为a,b或c；i为1或2。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法及系统，通过将相电流参考值和三相电流实际值之间的残差与共模量之间的和值输入滞环控制器，当该值超过滞环控制器内预设的正的阈值时，滞环控制器输出1，控制目标IGBT开通；当该值小于滞环控制器内预设的负的阈值时，滞环控制器输出0，控制目标IGBT关断，以降低两电平牵引逆变器IGBT的结温以减小温度应力对器件的冲击，从而降低损耗，延长逆变器整体使用寿命，减少维护成本。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法流程图；

图2是本发明优选实施例的两电平牵引逆变器系统的主电路拓扑结构图；

图3是本发明优选实施例的当k＝0时，两电平牵引逆变器U相上桥臂IGBT器件T_U1结温波动示意图；

图4是本发明优选实施例的当k＝0时，两电平牵引逆变器U相下桥臂IGBT器件T_U2结温波动示意图；

图5是本发明优选实施例的当k＝1时，两电平牵引逆变器U相上桥臂IGBT器件T_U1结温波动示意图；

图6是本发明优选实施例的当k＝1时，两电平牵引逆变器U相下桥臂IGBT器件T_U2结温波动示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法，包括以下步骤：

S1：设定采样周期，采集当前周期内牵引电机的三相定子电流，根据三相定子电流计算当前周期内的牵引电机的输出转矩、转子磁链和三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角；

S2:根据牵引电机的输出转矩、转子磁链和三相定子电流在两相静止坐标系中的夹角计算得到当前周期内牵引电机的三相电流参考值；

S3：建立三相电流参考值和三相电流实际值之间的残差模型；

S4：获取残差中的最大值和最小值，根据最大值和最小值计算得到共模量；

S5：计算残差模型的输出值和共模量的和值，将该和值输入滞环控制器，若该值超过滞环控制器内预设的正的阈值时，滞环控制器输出1，并控制目标IGBT开通；若该值小于滞环控制器内预设的负的阈值时，滞环控制器输出0，并控制目标IGBT关断。

上述的两电平牵引逆变器IGBT结温控制方法，通过将相电流参考值和三相电流实际值之间的残差与共模量之间的和值输入滞环控制器，当该值超过滞环控制器内预设的正的阈值时，滞环控制器输出1，控制目标IGBT开通；当该值小于滞环控制器内预设的负的阈值时，滞环控制器输出0，控制目标IGBT关断，以降低两电平牵引逆变器IGBT的结温以减小温度应力对器件的冲击，从而降低损耗，延长逆变器整体使用寿命，减少维护成本。

需要说明的是，牵引逆变器的目标桥臂，是指牵引逆变器U相、V相、W相三相桥臂中任一相，桥臂上的目标IGBT是指牵引逆变器中U相、V相、W相三相桥臂中任一相的上桥臂IGBT或者下桥臂IGBT。目标桥臂的电平状态S_x是指U相或V相或W相桥臂电平状态

x为U或V或W；目标IGBT的开关状态是指任一IGBT的状态

上述的两电平牵引逆变器双极型晶体管(IGBT)结温控制方法，便于实施，对降低IGBT结温，减少损耗，延长使用寿命以及提高系统整体的可靠性具有重要的意义。

具体地，本示例参照CRH3型高速列车的两电平牵引变流器作为仿真对象，该CRH3型高速列车的两电平牵引变流器的牵引逆变器拓扑图如图2所示。并以两电平牵引逆变器U相桥臂为例验证本结温控制方法。其中，两电平牵引变流器系统正常运行时的主要仿真参数如表1所示。

表1两电平牵引变流器系统正常运行时主要仿真参数表

参数	数值
		直流环节电压给定值	2700V
给定时速	100km/h
		牵引电机极对数	2
定子电阻	0.15Ω
		转子电阻	0.16Ω
定子电感	0.0268H
		转子电感	0.026H
互感	0.0254H
		转动惯量	5kg·m<sup>2</sup>

作为本实施例优选的实施方式，还包括以下步骤：

S7：根据第四关系模型计算目标IGBT在当前周期的结温值。

本实施例中，通过计算目标IGBT在当前周期的结温值，便于存储及进行相关分析，可以更好的掌握目标IGBT的结温情况。

具体地，建立第一关系模型的步骤包括：

首先，将牵引电机定子电流从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，计算公式为：

然后，再从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，计算公式为：

式中，

为α和β轴间的夹角，其大小随时间而变化。

在实际工作中，上述的步骤还可以通过以下步骤进行右滑，具体地，S1具体包括以下步骤：

其中，转子磁链的计算公式如下：

式中，T_r为转子时间常数，计算如式下：

式中，R_r为转子电阻；

定子电流在两相静止坐标系中的夹角计算公式如下：

式中，

进一步地，作为本实施例优选的实施方式，S2具体包括以下步骤：

S21：计算牵引电机转矩给定值

计算公式如下：

式中，v^*为速度给定值，v为速度实际值，K_p1为比例系数，本实施例中为3.8，K_i1为积分系数，本实施例中为0.8。

S22：计算dq轴电流参考值，计算公式如下：

式中，

为两相旋转坐标系中d轴电流参考值，

为两相旋转坐标系中q轴电流参考值，

为给定磁链，为常数，本实施例中为2.6；K_p2、K_p3为比例系数，在本实施例中分别为5和4.5；K_i2、K_i3为积分系数，在本实施例中分别为12和12；

式中，

为两相净值坐标系中α轴电流参考值，

为两相静止坐标系中β轴电流参考值。

S24：计算牵引电机三相电流参考值，计算公式如下：

式中，

为a相电流参考值，

为b相电流参考值，

为c相电流参考值。

进一步地，建立当前周期内牵引电机的三相电流参考值和三相电流实际值之间的残差模型；然后获取残差中的最大值和最小值，根据最大值和最小值计算得到共模量，其中，计算共模量的计算公式如下：

式中，z为共模量，k为共模系数，k的取值为[0,1]。

需要说明的是，本实施例中选取k＝0或者k＝1两种情况。当选取的k值不同，对一相桥臂中上桥臂IGBT和下桥臂IGBT的结温控制效果各不相同。

然后，计算三相电流参考值

与实际值i_a、i_b、i_c的差值，并计算该差值与共模量之和，将其输入滞环控制器(HBC)进行比较，当加共模量后的值超过滞环控制器正的阈值时，比较器输出为1，控制逆变器三相桥臂上的功率开关器件IGBT开通；小于负的阈值时，输出为0，控制逆变器三相桥臂上的功率开关器件IGBT关断，以此控制逆变器三相桥臂上的功率开关器件IGBT动作。

需要说明的是，U相、V相或W相桥臂电平状态S_x共有2³＝8种组合，对应主电路有8种工作模式。其开关状态及相应的电压值如表1所示。表2中，u_UN、u_VN、u_WN为逆变器U、V、W端相电压；u_UV、u_VW、u_WU为线电压；U_dc为牵引逆变器中间直流环节电压值。

表2两电平牵引逆变器工作状态及相应的电压值

Mode	S<sub>U</sub>	S<sub>V</sub>	S<sub>W</sub>	u<sub>UN</sub>	u<sub>VN</sub>	u<sub>WN</sub>	u<sub>UV</sub>	u<sub>VW</sub>	u<sub>WU</sub>
										0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	-U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>/3	2U<sub>dc</sub>/3	0	-U<sub>dc</sub>	U<sub>dc</sub>
										2	0	1	0	-U<sub>dc</sub>/3	2U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>	U<sub>dc</sub>	0
3	0	1	1	-2U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>	0	U<sub>dc</sub>
										4	1	0	0	2U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>/3	-U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>	0	-U<sub>dc</sub>
5	1	0	1	U<sub>dc</sub>/3	-2U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>	-U<sub>dc</sub>	0
										6	1	1	0	U<sub>dc</sub>/3	U<sub>dc</sub>/3	-2U<sub>dc</sub>/3	0	U<sub>dc</sub>	-U<sub>dc</sub>
7	1	1	1	0	0	0	0	0	0

通过上述方法控制逆变器三相桥臂上的功率开关器件IGBT动作，可以控制IGBT处于合适的开关状态中，能降低两电平牵引逆变器绝缘栅双极型晶体管IGBT的结温以减小温度应力对器件的冲击，从而降低损耗，延长逆变器整体使用寿命，减少维护成本。

进一步地，上述方法还包括计算当前周期的结温值，该结温值可用于存储或者后续分析，能便于更好地掌握逆变器三相桥臂上的功率开关器件IGBT的结温情况。作为本实施例优选的实施方式，S6具体包括以下步骤：

S61：定义牵引逆变器相电流极性，计算公式如下：

S62：建立目标桥臂IGBT功耗模型，公式为：

P_x2(i_x)＝δ_x(S_x2*|i_x|*u_ce+γ_x2)； (15)

为δ_x取反。

其中，x相的桥臂IGBT开关能量损耗γ_xi的计算公式为：

式中，E_on为IGBT在开关周期内的开通能量损耗，E_off为IGBT在开关周期内的关断能量损耗，S_xi为牵引逆变器x相i号IGBT，t为当前时刻，t₀为时间差。

进一步地，建立目标桥臂IGBT能耗模型：

基于能量守恒原则，可得：

E_tot＝E_on+E_cond+E_off； (17)

式中，E_cond为IGBT在开关周期内的通态能量损耗，E_tot为IGBT在开关周期内的总的量损耗。

具体地，取一个开关周期，采用平均功率模型为：

式中，P_avg为IGBT在采样周期内的平均功率损耗，T_s为采样周期，t_cond为导通时间。

P_{on_avg}＝E_on*f_sw； (19)

式中，P_{on_avg}为IGBT在采样周期内的平均开通功率损耗，f_sw为IGBT开关频率。

P_{off_avg}＝E_off*f_sw； (20)

式中，P_{off_avg}为IGBT在采样周期内的平均关断功率损耗。

P_{cond_avg}＝E_cond*f_cond＝P_cond*t_cond/T_s＝u_ce(t)*i_x(t)*t_cond/T_s； (21)

式中，P_{cond_avg}为IGBT在采样周期内的平均通态功率损耗。

则，开通区间能量损耗为：

式中，

为IGBT在25℃下的开通能量损耗；

为IGBT在125℃时的开通能量损耗；I_C为IGBT集电极电流。

进一步地，计及温敏效应的开通能量损耗为：

式中，T_j为结温，

为IGBT在结温T_j下的开通能量损耗，I_C为IGBT集电极电流。

则，得到关断区间能量损耗为：

式中，

为IGBT在结温T_j下的关断能量损耗；

为IGBT在125℃时的关断能量损耗。

计及温敏效应的关断功率损耗为：

式中，

为IGBT在结温T_j下的关断能量损耗。

通态区间的能量损耗为：

式中，

为IGBT在结温T_j下的通态能量损耗；

为IGBT在结温T_j下的通态功率损耗；

为IGBT在结温T_j下的通态电压；t_cond为IGBT的通态时间。

当0A＜I_C＜60A时，

式中，

为IGBT在结温T_j下的初始通态压降。

式中，

为IGBT在结温T_j下的导通电阻。

则：

当60A＜I_C＜780A时，

则：

建立目标IGBT的热网络模型：

采用4阶Foster热网络模型，拟合函数表达式为：

式中，τ_i＝R_{th_i}·C_{th_i}(i＝1,2,3,4)为第i阶网络的热时间常数，R_{th_i}是第i阶网络的热电阻；C_{th_i}是第i阶网络的热电容。

将Foster热网络模型的拟合函数进行拉普拉斯变换，得到热网络的传递函数：

进一步地，可计算出目标IGBT的结温计算公式如下：

T_j＝P_xi·Z_th(j-c)+T_a； (37)

式中，P_xi为S6中计算得到的两电平牵引逆变器x相i号IGBT的功率损耗，x为a,b或c；i为1或2；T_a为环境温度。

需要说明的是，本实施例中，首先计算得到IGBT总的功率损耗，包括通态损耗和开关损耗；在实际工作中，功率损耗与IGBT热阻抗的乘积加上环境温度为计算出的IGBT的结温。即，IGBT的结温变化是由于功率损耗的变化引起的。本实施例中，通过上述控制方法降低了IGBT损耗，从而降低了结温。因此，通过计算损耗进一步得出结温，可以获知原来的温度曲线和引入方法后的温度曲线之差异。

需要说明的是，在上述的方法的计算中，还包括将牵引电机定子电流i_a,i_b,i_c从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系i_α,i_β的变换和从两相静止坐标系i_α,i_β到两相旋转坐标系i_d,i_q的变换以简化模型该方法中的计算模型，更快速地计算得到结温值。

具体地，本实施例中共模系数k的取值可以为[0,1]。分别取k＝0和k＝1两种情况。采用传统电流滞环跟踪脉冲宽度调制策略(CHBPWM)，系统在3s时达到给定时速，在第4s时采用本发明的两电平牵引逆变器绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温控制方法。图3是本发明优选实施例的当k＝0时两电平牵引逆变器U相上桥臂IGBT器件T_U1结温波动示意图；图4是本发明优选实施例的当k＝0时两电平牵引逆变器U相下桥臂IGBT器件T_U2结温波动示意图；图5是本发明优选实施例的当k＝1时两电平牵引逆变器U相上桥臂IGBT器件T_U1结温波动示意图；图6是本发明优选实施例的当k＝1时两电平牵引逆变器U相下桥臂IGBT器件T_U2结温波动示意图。根据附图3-6可知，本实施例中，取k＝0时，U相上桥臂IGBT的结温波动由原本的84.88℃-111.8℃变为63℃-77.64摄氏度，U相下桥臂IGBT的结温波动由原本的84.49℃-112℃变为64.7℃-82.44摄氏度，对上桥臂IGBT的结温控制效果更明显；取k＝1时，U相上桥臂IGBT的结温波动由原本的85.97℃-112.4℃变为64.49℃-82.84摄氏度，U相下桥臂IGBT的结温波动由原本的84.81℃-111.8℃变为63.38℃-78.41摄氏度，对下桥臂IGBT的结温控制效果更明显。

实施例2

与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种两电平牵引逆变器IGBT结温控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。