CN113341293B - 一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法 - Google Patents

一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法，具体为：采集地铁牵引变电所整流器二极管正向导通电流，散热器温度和整流柜外环境温度；根据二极管产品数据手册提供的正向伏安特性曲线，求得二极管各时刻正向导通电压；根据瞬态热阻抗曲线，拟合初始状态下二极管热阻，二极管热容，散热器热阻和散热器热容，并计算初始状态下的辨识量；计算单个采样周期内的二极管导通损耗；使用最小二乘法辨识得到t时刻的辨识量，修正t时刻的热网络模型参数，并以此计算二极管结温。本发明利用整流器温度保护中散热器温度的监控数据，对热网络模型参数进行辨识，得到二极管当前状态下的热网络模型参数，提高了结温计算的精度。

Description

一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法
技术领域
本发明属于二极管结温计算技术领域，尤其涉及一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法。
背景技术
根据电力电子系统可靠性调研，功率器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34％，在各类失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。由于地铁运行中频繁地启动与制动，导致整流器输出电流波动快、摆幅大，从而造成其二极管结温波动剧烈；同时，地铁整流柜柜内无风机，装置的冷却方式为空气自然对流换热，散热条件较差。这些因素都会引起整流器二极管的疲劳损伤，甚至导致二极管的开、短路故障。因此有必要结合地铁牵引整流器实际运行工况，研究准确有效的二极管结温提取方法，对二极管进行状态监测。
由于在实际中二极管会随着服役时间增加而发生老化，进而导致其热阻增大。若一直使用二极管产品数据手册所提供的热阻进行结温计算，将会导致结果偏小，从而无法正确反应二极管当前的状态。因此需要对二极管热阻进行实时修正，提高结温计算的精度。
发明内容
为能辨识出二极管老化造成的热阻变化，修正二极管当前状态下的热网络模型参数，提高结温计算精度。本发明提供一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法。
本发明的一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法，包括以下步骤：
步骤1：以Δt为采样间隔，采集地铁牵引变电所整流器二极管正向导通电流iF(t)、散热器温度Th(t)和整流柜外环境温度Ta(t)。
步骤2：根据二极管产品数据手册提供的正向伏安特性曲线，求得二极管正向导通电压iF(t)所对应的正向导通电压uF(t)；根据二极管产品数据手册提供的瞬态热阻抗曲线，拟合得到初始状态下二极管热阻R1(0)，二极管热容C1(0)，散热器热阻Rh(0)，散热器热容Ch(0)；根据式(1)计算得到初始状态下的辨识量θ1(0)、θ2(0)、θ3(0)和θ4(0)。
Figure BDA0003106485080000021
步骤3：根据式(2)计算t时刻的二极管导通损耗P(t)。
P(t)＝iF(t)uF(t) (2)
步骤4：使用0到t时刻二极管导通损耗、散热器温度和整流柜外环境温度数据，根据式(3)，利用最小二乘法辨识得到t时刻的辨识量θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)和θ4(t)。
Th(t)＝θ1(t)Th(t-1)+θ2(t)Th(t-2)+θ3(t)P(t-1)+θ4(t)Ta(t-1) (3)
步骤5：根据式(4)计算t时刻二极管热阻改变量系数g1(t)和散热器热阻改变量系数gh(t)。
Figure BDA0003106485080000022
步骤6：根据式(5)计算t时刻的热网络模型参数：二极管热阻R1(t)，二极管热容C1(t)，散热器热阻Rh(t)，散热器热容Ch(t)。
Figure BDA0003106485080000023
步骤7：根据t时刻的热网络模型参数计算二极管结温，具体如式(6)：
Figure BDA0003106485080000024
进一步的，采样间隔Δt为0.1s。
本发明的有益技术效果为：
本发明利用整流器温度保护中散热器温度的监控数据，对热网络模型参数进行辨识，得到二极管当前状态下的热网络模型参数，提高了结温计算的精度。
附图说明
图1为本发明适用的地铁牵引整流器二极管二阶连续热网络模型。
图2为仿真实验中二极管正向导通电流信号曲线图。
图3为仿真实验中散热器温度信号曲线图。
图4为仿真实验中二极管导通损耗曲线图。
图5为仿真实验中二极管结温曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实验对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法，包括以下步骤：
步骤1：以Δt为采样间隔，采集地铁牵引变电所整流器二极管正向导通电流iF(t)、散热器温度Th(t)和整流柜外环境温度Ta(t)。
步骤2：根据二极管产品数据手册提供的正向伏安特性曲线，求得二极管正向导通电压iF(t)所对应的正向导通电压uF(t)；根据二极管产品数据手册提供的瞬态热阻抗曲线，拟合得到初始状态下二极管热阻R1(0)，二极管热容C1(0)，散热器热阻Rh(0)，散热器热容Ch(0)；根据式(1)计算得到初始状态下的辨识量θ1(0)、θ2(0)、θ3(0)和θ4(0)。
Figure BDA0003106485080000031
步骤3：根据式(2)计算t时刻的二极管导通损耗P(t)。
P(t)＝iF(t)uF(t) (2)
步骤4：使用0到t时刻二极管导通损耗、散热器温度和整流柜外环境温度数据，根据式(3)，利用最小二乘法辨识得到t时刻的辨识量θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)和θ4(t)。
Th(t)＝θ1(t)Th(t-1)+θ2(t)Th(t-2)+θ3(t)P(t-1)+θ4(t)Ta(t-1) (3)
步骤5：根据式(4)计算t时刻二极管热阻改变量系数g1(t)和散热器热阻改变量系数gh(t)。
Figure BDA0003106485080000041
步骤6：根据式(5)计算t时刻的热网络模型参数：二极管热阻R1(t)，二极管热容C1(t)，散热器热阻Rh(t)，散热器热容Ch(t)。
Figure BDA0003106485080000042
步骤7：根据t时刻的热网络模型参数计算二极管结温，具体如式(6)：
Figure BDA0003106485080000043
进一步的，采样间隔Δt为0.1s。
仿真实验：
为验证本发明方法的有效性，进行以下仿真实验。
利用PLECS软件建立如图1所示的地铁牵引整流器二极管二阶连续热网络模型。
以0.1s为采样间隔，采集地铁牵引变电所整流器二极管正向导通电流iF(t)，散热器温度Th(t)，分别如图2和图3所示。假设整流柜外环境温度Ta(t)为恒定值25℃。
根据产品数据手册提供的瞬态热阻抗曲线，拟合得到获取初始状态下二极管热阻R1(0)＝0.1K/W，二极管热容C1(0)＝10J/K，散热器热阻Rh(0)＝0.2K/W，散热器热容Ch(0)＝20J/K。计算得到初始状态下的辨识量θ1(0)＝1.8489，θ2(0)＝-0.8511，θ3(0)＝4.2553×10-4，θ4(0)＝2.1277×10-3。
计算单个采样周期内的二极管导通损耗P(t)如图4所示。使用0到t时刻二极管导通损耗、散热器温度和整流柜外环境温度数据，利用最小二乘法辨识得到t时刻的辨识量θ1(t)＝1.8532，θ2(t)＝-0.8551、θ3(t)＝4.0997×10-4，θ4(t)＝1.9300×10-3。
计算t时刻二极管热阻改变量系数g1(t)＝1.1068，散热器热阻改变量系数gh(t)＝1.1075.
计算t时刻的热网络模型参数R1(t)＝0.11068K/W，二极管热容C1(t)＝10J/K，散热器热阻Rh(t)＝0.2215K/W，散热器热容Ch(t)＝20J/K。
根据t时刻的热网络模型参数计算二极管结温如图5所示。

Claims (2)

1.一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以Δt为采样间隔，采集地铁牵引变电所整流器二极管正向导通电流iF(t)、散热器温度Th(t)和整流柜外环境温度Ta(t)；
步骤2：根据二极管产品数据手册提供的正向伏安特性曲线，求得二极管正向导通电流iF(t)所对应的正向导通电压uF(t)；根据二极管产品数据手册提供的瞬态热阻抗曲线，拟合得到初始状态下二极管热阻R1(0)，二极管热容C1(0)，散热器热阻Rh(0)，散热器热容Ch(0)；根据式(1)计算得到初始状态下的辨识量θ1(0)、θ2(0)、θ3(0)和θ4(0)；
Figure FDA0003106485070000011
步骤3：根据式(2)计算t时刻的二极管导通损耗P(t)：
P(t)＝iF(t)uF(t) (2)
步骤4：使用0到t时刻二极管导通损耗、散热器温度和整流柜外环境温度数据，根据式(3)，利用最小二乘法辨识得到t时刻的辨识量θ1(t)、θ2(t)、θ3(t)和θ4(t)；
Th(t)＝θ1(t)Th(t-1)+θ2(t)Th(t-2)+θ3(t)P(t-1)+θ4(t)Ta(t-1) (3)
步骤5：根据式(4)计算t时刻二极管热阻改变量系数g1(t)和散热器热阻改变量系数gh(t)；
Figure FDA0003106485070000012
步骤6：根据式(5)计算t时刻的热网络模型参数：二极管热阻R1(t)，二极管热容C1(t)，散热器热阻Rh(t)，散热器热容Ch(t)；
Figure FDA0003106485070000021
步骤7：根据t时刻的热网络模型参数计算二极管结温，具体如式(6)：
Figure FDA0003106485070000022
2.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识的地铁牵引整流器二极管结温提取方法，其特征在于，所述采样间隔Δt为0.1s。
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