基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法技术

本发明专利技术公开基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，涉及AC

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法


[0001]本专利技术涉及涉及AC
‑
DC变流器的建模技术与状态监测领域，具体涉及基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法。

技术介绍

[0002]单相两电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器具有网侧功率因数高、电流谐波小、可实现能量可双向流动等优点，在新能源发电、不间断电源及铁路机车牵引等领域广泛应用，并且在新型电力系统中占有重要地位，因此工程应用对其可靠性要求日益提高。故障与老化是可靠性下降的两种体现形式，由于故障通常会使系统产生显著的电压和电流变化，因此监测较为容易，目前对此的研究较多；而系统特性在老化过程中变化微弱且缓慢，因此监测整流器健康状态具有较大的工程应用价值和较高的实现难度。
[0003]针对PWM整流器的健康监测通常指监测可表征其健康状态的关键参数，且实际应用中传感器数量与位置通常会受到限制。单相两电平PWM整流器中的关键参数主要包括网侧电感、支撑电容以及开关器件的参数，其中绝缘栅双极型晶体管(Insulated
‑
gate
‑
bipolar
‑
transistor,IGBT)是如今最常用的变流器开关器件，其综合了MOSFET器件驱动功率小、开关速度快和双极型器件饱和压降低、容量大的优点，但其寿命预测与可靠性提升仍是亟待解决的难题。
[0004]现有监测方法主要分为模型分析法和数据驱动法。模型分析法主要指根据系统原理与部件工作特性，结合实验测试结果，估算待测参数；而数据驱动法通常需要大量的实测数据用于训练模型，进而实现参数监测。数字孪生技术是指对实际物理系统的虚拟数字表达，可实现对真实系统的模拟，不仅可以用于参数监测，也可以实现对实际物理系统运行状态的模拟和预测，为大型系统的数字化和智能化提供技术手段。目前该方法仍未用于单相两电平PWM整流器方面。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术拟提供了基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，拟解决现有技术无法在不加入额外的传感器或监测电路的情况下实现对整流器系统状态监测的问题。
[0006]基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：基于基尔霍夫定律，构建单相两电平PWM整流器数学模型，将网侧电感等效为：一个电感L与一个电阻R串联，其中电容只考虑其容值C；而后利用四阶Runge
‑
Kutta法，搭建单相两电平PWM整流器的主电路拓扑离散化数学模型；
[0008]步骤2：将单相两电平PWM整流器数学模型中的IGBT功率器件的饱和压降等效为：一个电压源V
o
串联一个电阻R
o
，同理，二极管的导通压降等效为V
Do
和R
Do
的串联；时单相两电平PWM整流器数学模型中的参数包括L、R、C、V
o
、R
o
、V
Do
、R
Do
，均为可表征PWM整流器各部件健康状态的关键参数，代入步骤1的离散化数学模型中，得到考虑功率器件健康状态参数的单
相两电平PWM整流器离散化数学模型；
[0009]步骤3：搭建无差拍电流预测控制系统的离散化数学模型；
[0010]步骤4：将PWM整流器的采样环节采用离散化处理，再结合步骤2所得考虑功率器件健康状态参数的单相两电平PWM整流器离散化数学模型和步骤3所得控制系统离散化数学模型，最终得到单相两电平PWM整流器的离散化闭环数学模型；
[0011]步骤5：将步骤4中的闭环数学模型与实际单相两电平PWM整流器实验平台的外特性数据相结合，以智能算法为载体，迭代寻优模型内部关键参数，使闭环数学模型的外特性逼近实际物理电路的外特性；
[0012]步骤6：当数学模型与实际物理电路的外特性残差小于阈值时，步骤5中迭代寻优得到的关键参数结果称为单相两电平PWM整流器的健康状态监测结果，最后采用多次监测和平均的方式，得到最终的监测结果。
[0013]优选的，所述步骤6还包括：当离散化闭环数学模型与实际物理电路的外特性残差小于阈值时，获得的离散化闭环数学模型即为单相两电平PWM整流器的闭环数字孪生模型。
[0014]优选的，所述步骤1包括：
[0015]基于基尔霍夫定律，单相两电平PWM整流器数学模型为
[0016][0017]其中，u
s
为网侧电压，i
s
为网侧电流，U
dc
为直流侧电压，L为网侧电感等效感值，R为网侧电感等效阻值，C为支撑电容容值，R
L
为负载阻值，u
ab
为两桥臂中点间的电压，i
o
为整流桥输出电流；
[0018]利用四阶Runge
‑
Kutta法，将主电路拓扑的数学模型离散化，即
[0019][0020]其中，h为计算步长，k
a1
‑
k
a4
、k
b1
‑
k
b4
为四阶Runge
‑
Kutta法系数。
[0021]优选的，所述步骤2包括：
[0022]除电感考虑其感值与阻值外，为使所建模型中包含可表征IGBT功率器件健康状态的参数，将其饱和压降引入单相两电平PWM整流器数学模型，可得：
[0023]u
ab
＝(S1‑
S3)U
dc
‑
A1V
CE1
+B1V
F1
+A2V
CE2
‑
B2V
F2
+A3V
CE3
‑
B3V
F3
‑
A4V
CE4
+B4V
F4
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0024]其中，u
ab
为两桥臂中点间的电压，S
i
代表IGBT功率模块K
i
的驱动信号(1为开通，0为关断)，V
CE1
‑
V
CE4
为IGBT功率模块K1‑
K4的饱和压降，V
F1
‑
V
F4
为各IGBT反并联二极管的导通压降，A1‑
A4和B1‑
B4为
[0025][0026]其中，i
Lsign
为网侧电流的方向信号(正方向一致为1，反之为0)；
[0027]由于PWM整流器中流经IGBT的电流为交流，因此固定温度下PWM整流器中IGBT的饱和压降会随电流实时变化；将IGBT的饱和压降等效为电压源V
o
与电阻R
o<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于基尔霍夫定律，构建单相两电平PWM整流器数学模型，将网侧电感等效为：一个电感L与一个电阻R串联，其中电容只考虑其容值C；而后利用四阶Runge
‑
Kutta法，搭建单相两电平PWM整流器的主电路拓扑离散化数学模型；步骤2：将单相两电平PWM整流器数学模型中的IGBT功率器件的饱和压降等效为：一个电压源V
o
串联一个电阻R
o
，同理，二极管的导通压降等效为：V
Do
和R
Do
的串联，此时单相两电平PWM整流器数学模型中的参数包括L、R、C、V
o
、R
o
、V
Do
、R
Do
，均为可表征PWM整流器各部件健康状态的关键参数，代入步骤1的离散化数学模型中，得到考虑功率器件健康状态参数的单相两电平PWM整流器离散化数学模型；步骤3：搭建无差拍电流预测控制系统的离散化数学模型；步骤4：将PWM整流器的采样环节采用离散化处理，再结合步骤2所得考虑功率器件健康状态参数的单相两电平PWM整流器离散化数学模型和步骤3所得控制系统离散化数学模型，最终得到单相两电平PWM整流器的离散化闭环数学模型；步骤5：将步骤4中的离散化闭环数学模型与实际单相两电平PWM整流器实验平台的外特性数据相结合，以智能算法为载体，迭代寻优模型内部关键参数，使离散化闭环数学模型的外特性逼近实际物理电路的外特性；步骤6：当数学模型与实际物理电路的外特性残差小于阈值时，步骤5中迭代寻优得到的关键参数结果称为单相两电平PWM整流器的健康状态监测结果，最后采用多次监测和平均的方式，得到最终的监测结果。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，其特征在于，所述步骤6还包括：当离散化闭环数学模型与实际物理电路的外特性残差小于阈值时，获得的离散化闭环数学模型即为单相两电平PWM整流器的闭环数字孪生模型。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，其特征在于，所述步骤1包括：基于基尔霍夫定律，单相两电平PWM整流器数学模型为其中，u
s
为网侧电压，i
s
为网侧电流，U
dc
为直流侧电压，L为网侧电感等效感值，R为网侧电感等效阻值，C为支撑电容容值，R
L
为负载阻值，u
ab
为两桥臂中点间的电压，i
o
为整流桥输出电流利用四阶Runge
‑
Kutta法，将主电路拓扑的数学模型离散化，即其中，h为计算步长，k
a1
‑
k
a4
、k
b1
‑
k
b4
为四阶Runge
‑
Kutta法系数。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的单相PWM整流器健康状态参数监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：除电感考虑其感值与阻值外，为使所建模型中包含可表征IGBT功率器件健康状态的参数，将其饱和压降引入单相两电平PWM整流器数学模型，可得：u
ab
＝(S1‑
S3)U
dc
‑
A1V
CE1
+B1V
F1
+A2V
CE2
‑
B2V
F2
+A3V
CE3
‑
B3V
F3
‑
A4V
CE4
+B4V
F4
(3)其中，u
ab
为两桥臂中点间的电压，S
i
代表IGBT功率模块K
i
的驱动信号(1为开通，0为关断)，V
CE1
‑
V
CE4
为IGBT功率模块K1‑
K4的饱和压降，V
F1
‑
V
F4
为各IGBT反并联二极管的导通压降，A1‑
A4和B1‑
B4为其中，i
Lsign
为网侧电流的方向信号(正方向一致为1，反之为0)；由于PWM整流器中流经IGBT的电流为交流，因此固定温度下PWM整流器中IGBT的饱和压降会随电流实时变化；将IGBT的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋文胜，张思慧，陈健，麻宸伟，唐涛，葛兴来，刘东，王青元，冯晓云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：