電力牽引交流傳動(dòng)單相三電平脈沖整流器故障建模仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力牽引交流傳動(dòng)單相三電平脈沖整流器故障建模仿真方法：根據(jù)開關(guān)控制脈沖和脈沖整流器交流側(cè)電流極性，計(jì)算單相三電平NPC脈沖整流器在不同開關(guān)管故障下所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)；根據(jù)單相三電平NPC脈沖整流器的電路拓?fù)浼懊}沖整流器工作原理，計(jì)算單相三電平NPC脈沖整流器狀態(tài)方程，得到交流側(cè)電壓、交流側(cè)電流、直流側(cè)電流等輸出變量。本方法可實(shí)現(xiàn)于離線仿真、在線實(shí)時(shí)仿真以及硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，單相三電平NPC脈沖整流器在正常工作下以及不同開關(guān)管故障下的仿真，并且該模型可以實(shí)現(xiàn)正常工作狀態(tài)以及不同開關(guān)管故障狀態(tài)下的切換，彌補(bǔ)了現(xiàn)有單相三電平NPC脈沖整流器仿真模型中無故障仿真模型的技術(shù)問題。
【專利說明】
電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平脈沖整流器故障建模仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力牽引交流傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平 NPC脈沖整流器故障建模仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于電力電子系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)，尤其是大功率電力電力系統(tǒng)，通常需要采用仿真 的方式驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中軟件算法、硬件方案的可行性，進(jìn)一步對(duì)所設(shè)計(jì)硬件控制器 進(jìn)行測(cè)試，W避免在開發(fā)過程中由于技術(shù)理論設(shè)計(jì)層面上的缺陷導(dǎo)致的不必要的時(shí)間及經(jīng) 濟(jì)損失。
[0003] 單相Ξ電平NPC脈沖整流器由于其開關(guān)器件的耐壓要求較兩電平脈沖整流器降 低，且擁有良好的網(wǎng)側(cè)特性，應(yīng)用于電力牽引交流傳動(dòng)領(lǐng)域。單相立電平NPC脈沖整流器將 單相交流電變換為直流電，是牽引變流裝置的前端。電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)裝置運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜， 腐蝕、濕度、溫度等長(zhǎng)期存在的因素，W及電浪涌、靜電等不確定因素都會(huì)影響其運(yùn)行狀態(tài)， 且開關(guān)管受壓高，易發(fā)生故障，對(duì)整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行存在一定的危害?，F(xiàn)今對(duì)于 傳動(dòng)系統(tǒng)中相應(yīng)的故障建模W及故障診斷研究越來越被重視。但目前為止，對(duì)單相Ξ電平 NPC脈沖整流器相應(yīng)的故障仿真手段較少。
[0004] 單相Ξ電平NPC脈沖整流器主電路包含八個(gè)開關(guān)管，開關(guān)管較多，其工作時(shí)存在開 關(guān)管故障的情況。單相Ξ電平NPC脈沖整流器開關(guān)管故障時(shí)，開關(guān)管支路開路，交流側(cè)電流 諧波含量出現(xiàn)變化，出現(xiàn)不同程度的崎變，相應(yīng)的直流側(cè)電壓也會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，在 一定程度上影響整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。因此，對(duì)單相Ξ電平NPC脈沖整流器進(jìn)行故障建 模與仿真，研究不同開關(guān)管故障對(duì)整流器交-直流側(cè)的影響及相應(yīng)的故障診斷技術(shù)非常有 必要。在目前的仿真技術(shù)中，單相Ξ電平NPC脈沖整流器幾乎都只有正常工作狀態(tài)的仿真模 型，尚不存在獨(dú)立的具有不同開關(guān)管故障模式的故障仿真模型。
[0005] 單相Ξ電平NPC脈沖整流器主電路開關(guān)管較多，現(xiàn)有的單相Ξ電平NPC脈沖整流器 故障仿真在某些仿真軟件中采用獨(dú)立的開關(guān)管模型與二極管模型搭建完成，但運(yùn)種模型不 能方便地實(shí)現(xiàn)故障設(shè)置及正常模式與故障模式的切換，不具備研究單相Ξ電平NPC脈沖整 流器正常模式到故障模式時(shí)瞬態(tài)變化的情況。
[0006] 本專利申請(qǐng)的
【申請(qǐng)人】的已授權(quán)中國(guó)專利申請(qǐng)2013105071827對(duì)電力牽引交流傳動(dòng) 兩電平Ξ相逆變器故障建模仿真方法進(jìn)行了處理，有效地解決了兩電平Ξ相逆變器故障建 模仿真的問題，但兩電平結(jié)構(gòu)每個(gè)橋臂只有上下兩個(gè)開關(guān)管，每個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)只 包含兩個(gè)開關(guān)管的控制信號(hào)，電流流通路徑較少，電路模態(tài)簡(jiǎn)單。而Ξ電平NPC結(jié)構(gòu)每個(gè)橋 臂有四個(gè)開關(guān)管，開關(guān)管增多，二極管增多，還增加了錯(cuò)位二極管，開關(guān)狀態(tài)明顯增多，電流 除了流向直流側(cè)兩端，還要流向中點(diǎn)，電流流通路徑更多，需要考慮的電路模態(tài)更復(fù)雜，因 此Ξ電平NPC結(jié)構(gòu)的故障建模更復(fù)雜，兩電平結(jié)構(gòu)故障建模方法顯然不適用于Ξ電平NPC結(jié) 構(gòu)，要求能夠?qū)蝹€(gè)或多個(gè)(兩個(gè)及W上)開關(guān)管設(shè)置故障，故障設(shè)置靈活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于現(xiàn)有單相Ξ電平NPC脈沖整流器仿真技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種 適用離線仿真、在線實(shí)時(shí)仿真及硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈 沖整流器故障建模仿真方法，實(shí)現(xiàn)單相Ξ電平NPC脈沖整流器正常工作狀態(tài)及不同開關(guān)管 故障下的仿真，W及正常工作狀態(tài)和不同開關(guān)管故障狀態(tài)的切換，彌補(bǔ)現(xiàn)有單相Ξ電平NPC 脈沖整流器仿真模型中無故障仿真模型的技術(shù)問題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)手段為：
[0009] 電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方法，實(shí)現(xiàn)單相Ξ電 平NPC脈沖整流器模型在正常工作W及不同開關(guān)管故障下的仿真。包括W下步驟：
[0010] (1)根據(jù)控制脈沖及交流側(cè)電流極性計(jì)算正常工作及不同開關(guān)管故障下開關(guān)狀態(tài) 函數(shù)：
[0011]通過電力牽引交流傳動(dòng)單相立電平NPC脈沖整流器的開關(guān)管控制脈沖Pi、P2、P3、 口4、口5、？6、？7、？擬及交流側(cè)電流13的極性計(jì)算不同開關(guān)管故障下開關(guān)狀態(tài)函數(shù)。控制脈沖口1 ~P8有1、0兩個(gè)取值，1表示導(dǎo)通信號(hào)，0表示關(guān)斷信號(hào)。定義單相Ξ電平NPC脈沖整流器左橋 臂為A橋臂，右橋臂為B橋臂。定義Sa、Sb分別為A、B橋臂開關(guān)狀態(tài)函數(shù)，開關(guān)函數(shù)有1、0、-1Ξ 個(gè)取值。開關(guān)管故障模式包括單個(gè)開關(guān)管故障及多個(gè)(兩個(gè)及W上)開關(guān)管故障情況。在單 相Ξ電平NPC脈沖整流器交流側(cè)電流is不同的極性下，各種情況下的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方 法如下：
[0012] 正常工作情況的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0013]
[0014] 單個(gè)開關(guān)管故障情況的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0015] A橋臂上外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Pi = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0016]
[0017] A橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P2 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： [001 引
[0019] A橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P3 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0020]
[0021] A橋臂下外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P4=0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0022]
[0023] B橋臂上外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P5 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0024]
[0025] B橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P6 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0026]
[0027] B橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P7 = 0,開關(guān)函數(shù)計(jì)算方法：
[002引
[0029] B橋臂下外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P8 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0030]
[0031] 多個(gè)(兩個(gè)及W上)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)管控制脈沖同時(shí)為0。根據(jù)開關(guān)管 的不同位置，具體作如下不同的處理：
[0032] A橋臂上外開關(guān)管和上內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Pi = 0，P2 = 0,開 關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0033]
[0034] A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P2 = 0，P3 = 0,開 關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0035]
[0036] A橋臂下內(nèi)開關(guān)管和下外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P3 = 0，P4 = 0,開 關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0037]
[0038] A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂上外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Pi = 0，P5 =0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0039]
[0040] A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂下外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Pi = 0，Ps =0，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0041]
[0042] A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂上內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P2 = 0，P6 =0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0043]
[0044] A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P2 = 0，P7 =0，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法：
[0045]
[0046] (2)根據(jù)（1)所得開關(guān)狀態(tài)函數(shù)，計(jì)算不同情況下的單相Ξ電平NPC脈沖整流器狀 態(tài)方程：
[0047] 根據(jù)單相Ξ電平NPC脈沖整流器電路拓?fù)浼懊}沖整流器工作原理，列出單相Ξ電 平NPC脈沖整流器狀態(tài)方程：
[004引
[0049] 將（1)所得的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)值輸入到整流器狀態(tài)方程。除開關(guān)狀態(tài)函數(shù)外，單相Ξ 電平NPC脈沖整流器還有4個(gè)輸入變量:變壓器二次側(cè)輸出交流電壓Us、中間直流側(cè)p/o間電 壓化、中間直流側(cè)o/n間電壓化和預(yù)充電開關(guān)狀態(tài)Sp。單相Ξ電平NPC脈沖整流器參數(shù)有變壓 器二次側(cè)漏電阻值Rs、變壓器二次側(cè)漏電感值Ls、預(yù)充電電阻值Rp。
[0050] 經(jīng)上述狀態(tài)方程計(jì)算可得:整流器交流側(cè)電壓Uab、整流器交流側(cè)電流is、整流器輸 出到直流偵虹點(diǎn)電流ip、整流器輸出到直流偵Un點(diǎn)電流in、整流器輸出到直流偵U〇點(diǎn)電流i。。
[0051] (3)將(2)所計(jì)算得仿真值ip、in和i。輸出到中間直流側(cè)模型，進(jìn)行后續(xù)模型計(jì)算。 將Us、is、Ui和化輸出到牽引控制算法，進(jìn)行單相；電平NPC脈沖整流器控制。
[0052] 本發(fā)明提供的電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方法考 慮牽引變壓器二次側(cè)漏電阻、漏電感及預(yù)充電電阻，考慮與開關(guān)管反并聯(lián)二極管的續(xù)流作 用。同時(shí)，將開關(guān)器件作理想化處理，忽略開關(guān)損耗、導(dǎo)通關(guān)斷瞬態(tài)、導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通管 壓降、漏電流等因素。
[0053] 電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器的基本電路拓?fù)淙鐖D1所示，電力牽 引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器的基本工作原理如圖2所示。本發(fā)明所建立的電力牽 引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障仿真建模時(shí)的輸入量為：網(wǎng)側(cè)電壓Us、p/o間電 壓Ui、o/n間電壓化、預(yù)充電電阻投入/切除開關(guān)Sp/Sk、開關(guān)管控制脈沖Pi、P2、P3、P4、Ps、P6、P7、 P8;單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真時(shí)輸出量為交流側(cè)電壓Uab、交流側(cè)電流is、整 流器輸出到直流偵Up點(diǎn)電流ip、整流器輸出到直流偵Un點(diǎn)電流in、整流器輸出到直流偵U〇點(diǎn)電 流i。;單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真時(shí)的需要設(shè)定的參變量有交流側(cè)變壓器漏 電阻Rs、漏電感Ls、預(yù)充電電阻RpW及故障模式化ult Mode。其示意圖如圖3所示。
[0054] 采用本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)離線仿真、在線實(shí)時(shí)仿真及硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，單相Ξ電平 NPC脈沖整流器在正常工作及不同開關(guān)管故障下的仿真，并且實(shí)現(xiàn)正常工作狀態(tài)W及不同 開關(guān)管故障狀態(tài)的切換，彌補(bǔ)了現(xiàn)有仿真模型中無故障仿真模型的技術(shù)問題。所建立的電 力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方法可適用于一切基于計(jì)算機(jī)實(shí) 現(xiàn)的對(duì)交流傳動(dòng)領(lǐng)域中單相Ξ電平NPC脈沖整流器進(jìn)行的仿真試驗(yàn)研究。
【附圖說明】：
[0055] 圖1是電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器的基本電路拓?fù)鋱D。
[0056] 圖2是電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器正常工作時(shí)的基本工作原理 圖。
[0057] 圖3是本發(fā)明所提出的電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障仿真方 法的原理性輸入輸出接口定義圖。
[0058] 圖4是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的一個(gè)實(shí)施例中mdlOutputs(SimSt;ruct巧，int_T tid) 函數(shù)的流程圖。
[0059] 圖5是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的一個(gè)實(shí)施例中mdlDerivatives(SimStruc巧S)函數(shù)的 流程圖。
[0060] 圖6是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MTLAB/Simul ink環(huán)境下做出的一個(gè)實(shí)施例。
[0061] 圖7是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。
[0062] 圖8是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的正常工作情況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電 壓電流波形圖。
[0063] 圖9是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上外開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0064] 圖10是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0065] 圖11是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0066] 圖12是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂下外開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0067] 圖13是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的B橋臂上外開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0068] 圖14是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的B橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0069] 圖15是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的B橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0070] 圖16是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的B橋臂下外開關(guān)管故障情況下仿真結(jié)果中整 流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0071] 圖17是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上外開關(guān)管和A橋臂上內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故 障下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0072] 圖18是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和A橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0073] 圖19是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂下內(nèi)開關(guān)管和A橋臂下外開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0074] 圖20是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂上外開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0075] 圖21是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂下外開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0076] 圖22是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
[0077] 圖23是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方 法在MATLAB/Simulink環(huán)境下做出的實(shí)施例的A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情 況下仿真結(jié)果中整流器交流側(cè)電壓電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0078] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所 描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明 保護(hù)的范圍。
[0079] 作為本發(fā)明中一種單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障建模仿真方法的具體實(shí)施方 法，設(shè)定編程環(huán)境為MTLAB/Simul ink，編程語言為MTLAB/Simul ink自身的C語言。
[0080] 實(shí)施例
[0081] 電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器故障模型建立可按照本發(fā)明所敘述 方法進(jìn)行：
[0082] 第1步：通過編寫mdlInitializeSizes(SimSt;ruc巧S)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行初始化，設(shè) 定模型的輸入端口個(gè)數(shù)為6，輸出端口個(gè)數(shù)為5，模型可設(shè)定參數(shù)為4，系統(tǒng)狀態(tài)變量個(gè)數(shù)為 1〇
[0083] 第2步：通過編寫mdlInitializeSampleTimes(SimS1:;ruc1:*S)函數(shù)設(shè)定仿真時(shí)間， 仿真步長(zhǎng)等參數(shù)。
[0084] 第3 步：通過編寫mdl Initial izeCondit ions (SimSt;ruc1:*S)函數(shù)對(duì)仿真中所要解 算的狀態(tài)方程的狀態(tài)變量進(jìn)行初始化。
[00化]第4步：通過編寫mdlOutputs(SimSt;ruct巧，int_T tid)函數(shù)W及mdlDerivatives (SimS化UC巧S)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入端口信息的讀取，模型可設(shè)定參數(shù)信息的讀取，開關(guān)狀態(tài)函 數(shù)計(jì)算，狀態(tài)方程的解算，W及輸出端口信息的賦值，函數(shù)mdlOutputs (SimStruct巧,int_T tid)的具體程序流程圖如圖4所示，函數(shù)111(11〇61'；[￥日1:;[￥63(5;[1115付11(31:巧）的具體程序流程圖 如圖5所示。
[0086] 第5步:通過MATLAB的mex指令對(duì)所編寫的函數(shù)進(jìn)行編譯。并在MTLAB/Simul ink環(huán) 境下通過S-化nction模塊對(duì)函數(shù)進(jìn)行封裝。封裝好的模塊如圖6所示，模塊封裝后的參數(shù)設(shè) 置對(duì)話框如圖7所示。
[0087] 基于上述模型進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)為:變壓器二次側(cè)輸出電壓有效值為1500V，中 間直流側(cè)電壓3000V，PWM開關(guān)頻率為1250化。電力牽引交流傳動(dòng)單相Ξ電平NPC脈沖整流器 正常工作和不同開關(guān)管故障下的交流側(cè)電壓電流仿真結(jié)果如圖8~23所示（圖8為正常工作 情況下的仿真結(jié)果，圖9為A橋臂上外開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖10為A橋臂上內(nèi)開關(guān) 管故障情況下的仿真結(jié)果，圖11為A橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖12為A橋臂 下外開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖13為B橋臂上外開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖14 為B橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖15為B橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié) 果，圖16為B橋臂下外開關(guān)管故障情況下的仿真結(jié)果，圖17為A橋臂上外開關(guān)管和A橋臂上內(nèi) 開關(guān)管同時(shí)故障下的仿真結(jié)果，圖18為A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和A橋臂下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障情況 的仿真結(jié)果，圖19為A橋臂下內(nèi)開關(guān)管和A橋臂下外開關(guān)管同時(shí)故障情況的仿真結(jié)果，圖20 為A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂上外開關(guān)管同時(shí)故障情況的仿真結(jié)果，圖21為A橋臂上外開關(guān) 管和B橋臂下外開關(guān)管同時(shí)故障情況的仿真結(jié)果，圖22為A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂上內(nèi)開 關(guān)管同時(shí)故障情況的仿真結(jié)果，圖23為A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和B橋臂下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障情況 的仿真結(jié)果）。
[0〇8引 W上所述就是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，基于運(yùn)種實(shí)施方式可在MATLAB/Simul ink 下進(jìn)行單相Ξ電平NPC脈沖整流器正常工作W及故障下的仿真，基于運(yùn)種實(shí)施方式亦可W 在dSPACE或者RT-LAB等類似的實(shí)時(shí)仿真器中進(jìn)行單相Ξ電平NPC脈沖整流器正常工作W及 開關(guān)管故障下的仿真，研究不同開關(guān)管故障對(duì)脈沖整流器的影響及相應(yīng)的故障診斷技術(shù)， 研究單相Ξ電平NPC脈沖整流器正常工作和故障下的控制算法等。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些 改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.電力牽引交流傳動(dòng)單相三電平脈沖整流器故障建模仿真方法，實(shí)現(xiàn)單相三電平NPC 脈沖整流器模型在正常工作以及不同開關(guān)管故障下的仿真;包括以下步驟： (1)根據(jù)控制脈沖及交流側(cè)電流極性計(jì)算正常工作及不同開關(guān)管故障下開關(guān)狀態(tài)函 數(shù)： 通過電力牽引交流傳動(dòng)單相三電平NPC脈沖整流器的開關(guān)管控制脈沖PhP^PhPhPs、 P6、P7、P8以及交流側(cè)電流is的極性計(jì)算不同開關(guān)管故障下開關(guān)狀態(tài)函數(shù);控制脈沖? 1~?8有 1、〇兩個(gè)取值，1表示導(dǎo)通信號(hào)，〇表示關(guān)斷信號(hào)；定義單相三電平NPC脈沖整流器左橋臂為A 橋臂，右橋臂為B橋臂；定義Sa、Sb分別為A、B橋臂開關(guān)狀態(tài)函數(shù)，開關(guān)函數(shù)有1、0、-1三個(gè)取 值;開關(guān)管故障模式包括單個(gè)開關(guān)管故障及兩個(gè)及以上開關(guān)管故障情況，在單相三電平NPC 脈沖整流器交流側(cè)電流is不同的極性下，各種情況下的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法如下： 正常工作情況的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： ^ fi) 4>〇 s =^χη + \)-ι κ>ο a~\r(1] + d-i i<Qf 1 li_ 11-^(^ + 1) 4<o 單個(gè)開關(guān)管故障情況的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： a橋臂上外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖丹=〇，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： Jl-/w) JCD-1 (>〇 A-1 4 - 1 15~ + 人<〇 A橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P2=0，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： Jl-c卜I) (.>() jci)-1 (>〇 -1 /s<0，B_]l--P7(P s-f-1) <0 A橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖p3 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： s J 1 (>〇 s =jw +丨)-1 (>〇 +1)-:1 /s<〇? + /· <0 A橋臂下外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P4 = 0,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： s =? 1-4 々>〇 s 十丨)-1 (>〇 A'+1)-1 4<0' B-li -ρ7(ρχ+ι) (<〇 B橋臂上外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖p5 = 0，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： =}1-^(/>+1) 4>〇 " = ? Ρβ-1 i；>0 + 1)-1 /s<0, b"1i-p7(ps + 1) i；<o b橋臂上內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖p6=〇,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： 「1 -P4 R +1) κ > 〇 ? 一 ? ζ> 〇 + /；<〇' 5β_[ι-ρ 7(ρχ + ι) ξ<ο Β橋臂下內(nèi)開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Ρ7 = 0，開關(guān)函數(shù)計(jì)算方法： jl -巧(/>4 + 1) /s>0 _i^+ 1)-1 is>Q a_{p3(^+ 1)-1 ，s<0， tB-{ 1 is<Q B橋臂下外開關(guān)管故障情況，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖P8=〇,開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： ^ = + 4>0 5 JP,(P5 + l)-l is>0 A_}p2(/-i + i)-i 4<〇, Β -1 1-巧 is<〇 兩個(gè)及以上開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)管控制脈沖同時(shí)為0;根據(jù)開關(guān)管的不同位 置，具體作如下不同的處理： A橋臂上外開關(guān)管和上內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Ρι = 0，Ρ2 = 0,開關(guān)狀 態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： _ll-R(R+\) i>Q c - JCl)-1 /, >ο A [ -1 4 <0 B \? -Ρ?(Ρ, + \) 4<0 A橋臂上內(nèi)開關(guān)管和下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖p2 = 0，p3 = 0,開關(guān)狀 態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： /1 (>〇 " =Jn(/^ + i)-i /s>o A -1-1 is<of β~)\-ρ?{ρη + \) (<ο Α橋臂下內(nèi)開關(guān)管和下外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖Ρ3 = 0，Ρ4 = 0,開關(guān)狀 態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： ^ J 1 4>〇 沒辯+ 1)-1〈>〇 Α - 1/):(6 + 1)-1 L<0, B-/),(/^ + 1) ?； <ο Α橋臂上外開關(guān)管和Β橋臂上外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈WPiiOJsiO， 開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： ^ _Ji+ 4>0 | Pb-\ 4>〇 A"l 4-1 4<〇? + 4<0 ; A橋臂上外開關(guān)管和B橋臂下外開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈WPiiOJsiO， 開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： C _\\-R{P^\) ^>0 _ + (>〇 0 a - Λ ，. λ-? τ> - Λ j 1 1 4<〇 I 卜戶7 4<〇 Α橋臂上內(nèi)開關(guān)管和Β橋臂上內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖ρ2 = 0，ρ6 = 0， 開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： μ-以 P4 + l) /s>0 f -1 /s > 0 _ A _{ -1 ?<0, β~}\-Ρ?{Ρ, + \) /； <ο ， Α橋臂上內(nèi)開關(guān)管和Β橋臂下內(nèi)開關(guān)管同時(shí)故障時(shí)，等效為對(duì)應(yīng)控制脈沖ρ2 = 0，ρ7 = 0， 開關(guān)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算方法： Ji-/^(/>+i) 4>o jnw + i)-1 (>〇 -i 1 4<〇 ； (2) 根據(jù)（1)所得開關(guān)狀態(tài)函數(shù)，計(jì)算不同情況下的單相三電平NPC脈沖整流器狀態(tài)方 程： 根據(jù)單相三電平NPC脈沖整流器電路拓?fù)浼懊}沖整流器工作原理，列出單相三電平NPC 脈沖整流器狀態(tài)方程：將（1)所得的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)值輸入到整流器狀態(tài)方程;除開關(guān)狀態(tài)函數(shù)外，單相三電平 NPC脈沖整流器還有4個(gè)輸入變量:變壓器二次側(cè)輸出交流電壓us、中間直流側(cè)p/o間電壓山、 中間直流側(cè)o/η間電壓U 2和預(yù)充電開關(guān)狀態(tài)SP;單相三電平NPC脈沖整流器參數(shù)有變壓器二 次側(cè)漏電阻值Rs、變壓器二次側(cè)漏電感值L s、預(yù)充電電阻值RP; 經(jīng)上述狀態(tài)方程計(jì)算可得:整流器交流側(cè)電壓uab、整流器交流側(cè)電流is、整流器輸出到 直流側(cè)P點(diǎn)電流iP、整流器輸出到直流側(cè)η點(diǎn)電流in、整流器輸出到直流側(cè)〇點(diǎn)電流i。； (3) 將(2)所計(jì)算得仿真值。、111和1。輸出到中間直流側(cè)模型，進(jìn)行后續(xù)模型計(jì)算;將118、 i s、山和1]2輸出到牽引控制算法，進(jìn)行單相三電平NPC脈沖整流器控制。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106066911SQ201610371240
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日 公開號(hào)201610371240.1, CN 106066911 A, CN 106066911A, CN 201610371240, CN-A-106066911, CN106066911 A, CN106066911A, CN201610371240, CN201610371240.1
【發(fā)明人】葛興來, 蒲俊楷, 熊成林, 宋文勝, 馮曉云
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)