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

技术编号:13953058 阅读:164 留言:0更新日期:2016-11-02 08:39
本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力牵引交流传动
,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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于现有单相三电平NPC脉冲整流器仿真技术的不足,本专利技术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。为实现上述专利技术目的,本专利技术的具体技术手段为: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开关状态函数: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is的极性计算不同开关管故障下开关状态函数。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SA、SB分别为A、B桥臂开关状态函数,开关函数有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is不同的极性下,各种情况下的开关状态函数计算方法如下:正常工作情况的开关状态函数计算方法: S A = { 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B 本文档来自技高网
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【技术保护点】
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开关状态函数: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is的极性计算不同开关管故障下开关状态函数;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SA、SB分别为A、B桥臂开关状态函数,开关函数有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is不同的极性下,各种情况下的开关状态函数计算方法如下:正常工作情况的开关状态函数计算方法:SA=1-P3(P4+1)is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>单个开关管故障情况的开关状态函数计算方法:A桥臂上外开关管故障情况,等效为对应控制脉冲P1=0,开关状态函数计算方法:SA=1-P3(P4+1)is>0P2-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1-P3is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7is<0]]>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:SA=1-P3(P4+1)is>0-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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,开关状态函数计算方法:SA=1is>0-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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,开关状态函数计算方法:SA=1is>0P2(P1+1)-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7(P8+1)is<0]]>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,开关状态函数计算方法:SA=1-P3(P4+1)is>0P2-1is<0,SB=P6-1is>01-P7(P8+1)is<0;]]>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,开关状态函数计算方法:SA=1-P3(P4+1)is>0P2-1is<0,SB=P6(P5+1)-1is>01-P7is<0;]]>A桥臂...

【技术特征摘要】
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开关状态函数: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is的极性计算不同开关管故障下开关状态函数;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SA、SB分别为A、B桥臂开关状态函数,开关函数有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is不同的极性下,各种情况下的开关状态函数计算方法如下:正常工作情况的开关状态函数计算方法: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>单个开关管故障情况的开关状态函数计算方法:A桥臂上外开关管故障情况,等效为对应控制脉冲P1=0,开关状态函数计算方法: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = - 1 i s > 0 1 - P 7 ( P 8 + 1 ) i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 i s < 0 ]]>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: S A = 1 - P 3 ( P 4 + 1 ) i s > 0 P 2 ( P 1 + 1 ) - 1 i s < 0 , S B = P 6 ( P 5 + 1 ) - 1 i s > 0 1 - P 7 i s < 0 ]]>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...

【专利技术属性】
技术研发人员:葛兴来蒲俊楷熊成林宋文胜冯晓云
申请(专利权)人:西南交通大学
类型:发明
国别省市:四川;51

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