电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法

摘要

本发明电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，基于电力牵引变流器中间直流回路拓扑结构完成，具体方法包括：根据电力牵引交流传动变流器中间直流回路在每一种故障模式下所对应的拓扑结构计算得出该故障模式下的状态方程，从而得到不同故障模式下直流回路输出的直流电压值。本方法可实现离线仿真以及在线实时仿真系统中，电力牵引变流器中间直流回路在正常工作状态下以及不同故障模式下的仿真，并且基于状态方程的模型可以实现正常工作状态以及不同故障模式下的切换，弥补了现有仿真模型中无故障仿真模型的技术问题。

主权项

电力牵引交流传动变流器中间直流回路故障建模仿真方法，在Matlab/Simulink下进行电力牵引变流器中间直流回路正常工作以及故障模式下的仿真，包括以下步骤：（1）、读取电力牵引变流器网侧脉冲整流器的输出电信号I_r，电机侧逆变器的输入电流信号I_i，短路保护电路控制信号S_x以及过压保护电路开关信号S_o;（2）、根据不同故障模式下的电力牵引变流器中间直流回路拓扑计算该故障下状态方程：电力牵引交流传动变流器中间直流回路主要有8种故障模式，根据不同故障模式的拓扑结构可计算得到不同故障模式下的状态方程，每种故障模式下的状态方程计算如下：（a）正常工作情况的电力牵引变流器中间直流回路状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& -\frac{1}{L_s}& 0& \frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{C_s}& -\frac{1}{C_s{R}_s}& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ -\frac{1}{C_d}& 0& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_1\\ u_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（b）中间直流回路滤波电感开路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{1}{C_s{R}_s}& 0& 0\\ 0& -\frac{R_1{+R}_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ 0& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（c）中间直流回路滤波电感短路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ \frac{1}{R_1(C_d+C_s)}& -\frac{R_1{R}_s}{R_1{R}_s(C_d+C_s)}-\frac{S_x}{R_x(C_d+C_s)}-\frac{S_o}{R_o(C_d+C_s)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d+C_s}\end{array}\right]$（d）中间直流回路滤波电容开路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{R_s}{L_s}& 0& \frac{1}{L_s}\\ 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ -\frac{1}{C_d}& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（e）中间直流回路滤波电容短路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \frac{1}{L_s}\\ 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ -\frac{1}{C_d}& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（f）中间直流回路放电电阻开路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& -\frac{1}{L_s}& 0& \frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{C_s}& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ -\frac{1}{C_d}& 0& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_1\\ u_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（g）中间直流回路放电电阻短路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& \frac{1}{L_s}\\ 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& \frac{1}{R_1{C}_2}\\ -\frac{1}{C_d}& \frac{1}{R_1{C}_d}& -\frac{1}{R_1{C}_d}-\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（h）中间直流回路接地检测电阻开路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& -\frac{1}{L_s}& 0& \frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{C_s}& -\frac{1}{C_s{R}_s}& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{R_1+R_2}{R_1{R}_2{C}_2}& 0\\ -\frac{1}{C_d}& 0& 0& -\frac{S_x}{R_x{C}_d}-\frac{S_o}{R_o{C}_d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ u_s\\ U_2\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{C_d}\end{array}\right]$（i）中间直流回路接地检测电阻短路故障下状态方程：$\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{dU}}_d}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{L_s}& \frac{1}{L_s}\\ \frac{1}{C_s}& -\frac{1}{C_s{R}_s}& 0\\ -\frac{1}{C_d+C_2}& 0& -\frac{1}{R_1(C_d+C_2)}-\frac{S_x}{R_x(C_d+C_2)}-\frac{S_o}{R_o(C_d+C_2)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ u_s\\ U_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{I_r-I_i}{(C_d+C_2)}\end{array}\right]$其中U_d为中间直流回路输出电压；C_s、L_s谐波回路中电容、电感；R_s为谐振回路持续放电电阻；R₁、R₂、C₂为接地故障检测电路电阻、电容；C_d为支撑电容；R_x为短路保护电路电阻；R_o为限压电路电阻；状态变量i_s、u_s、U₂分别为谐振电感电流、谐振电容电压和接地故障检测电容电压;（3）、将（2）所获得计算值U_d作为模型输出至后续处理单元。