電力牽引變流器故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、高速鐵路由于其運(yùn)輸能力大、安全舒適、全天候運(yùn)輸、環(huán)境友好和可持續(xù)性等優(yōu)勢(shì)，近十年以來在我國取得了飛速發(fā)展。截止2015年底，我國高速鐵路營業(yè)里程達(dá)到了1.9萬公里。電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)作為高速鐵路核心關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其高可靠性是高速列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。統(tǒng)計(jì)研究表明，電力牽引變流器作為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能量變換的重要部件，在運(yùn)行過程中承受主要的電熱應(yīng)力，且應(yīng)用場(chǎng)合大多處于電、磁、熱、機(jī)械等多場(chǎng)域耦合，故障率較高。因此，通過在線實(shí)時(shí)診斷牽引變流

2、器故障，并及時(shí)采取故障隔離或故障容錯(cuò)控制策略，對(duì)提高牽引傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性和維修效率、降低故障影響和損失具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
　　本文以高速動(dòng)車組兩電平電力牽引變流器為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究四象限脈沖整流器和牽引逆變器功率模塊故障診斷技術(shù)、中間直流回路和各傳感器故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先，通過建立電力牽引變流器四象限脈沖整流器和牽引逆變器的IGBT模塊與反并聯(lián)二極管開路故障數(shù)學(xué)模型，中間直流回路L

3、C諧振電感和電容、持續(xù)放電電阻與接地檢測(cè)電阻開路和短路故障數(shù)學(xué)模型，以及傳感器增益故障、偏移故障和卡死故障數(shù)學(xué)模型，結(jié)合牽引變流器故障拓?fù)洌瑢?duì)比分析了各故障對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，獲取了相應(yīng)故障特征，為有效診斷和容錯(cuò)控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，針對(duì)四象限脈沖整流器運(yùn)行過程中物理參數(shù)和控制參數(shù)變化較小的特點(diǎn)，采用一種基于模型的方法在線診斷IGBT模塊開路故障。通過比較實(shí)際系統(tǒng)與建立的四象限脈沖整流器精確動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建并分析評(píng)價(jià)

4、系統(tǒng)狀態(tài)殘差，在幾個(gè)毫秒之內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確診斷IGBT模塊開路故障。四象限脈沖整流器無故障時(shí)，狀態(tài)殘差等于零或在一個(gè)較小的閾值區(qū)間內(nèi);IGBT模塊故障時(shí)，狀態(tài)殘差偏離零點(diǎn)，完成故障快速診斷。
　　針對(duì)四象限脈沖整流器網(wǎng)側(cè)電流傳感器和中間直流側(cè)電壓傳感器，采用一種基于狀態(tài)觀測(cè)器的方法在線故障診斷和容錯(cuò)控制。結(jié)合四象限脈沖整流器精確動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，建立網(wǎng)側(cè)電流和中間直流側(cè)電壓狀態(tài)觀測(cè)器。通過分析評(píng)價(jià)狀態(tài)估計(jì)誤差，在線診斷故障傳感器。同時(shí)采取故

5、障隔離措施，并采用狀態(tài)觀測(cè)器輸出信號(hào)替代故障傳感器輸出信號(hào)，在幾個(gè)毫秒之內(nèi)完成系統(tǒng)故障容錯(cuò)控制運(yùn)行。
　　中間直流回路諧振電感短路故障時(shí)，直流側(cè)電壓脈動(dòng)幅值較小，具有潛伏性。但脈動(dòng)電壓輸入牽引電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大幅值的低頻諧波電流，威脅牽引傳動(dòng)系統(tǒng)安全。本文通過檢測(cè)中間直流側(cè)脈動(dòng)電壓含量，在線診斷諧振電感故障。同時(shí)激活故障容錯(cuò)控制算法，向牽引電機(jī)定子頻率函數(shù)疊加一個(gè)體現(xiàn)脈動(dòng)電壓分量的時(shí)間函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，抑制牽引電機(jī)低頻諧波電流，完成故障下

6、容錯(cuò)控制運(yùn)行。
　　針對(duì)牽引電機(jī)精確數(shù)學(xué)模型難以獲得，且物理參數(shù)和控制參數(shù)隨運(yùn)行狀態(tài)變化的特點(diǎn)，本文通過分析牽引電機(jī)定子電流信號(hào)幅值和對(duì)稱性特點(diǎn)，在一個(gè)基波周期之內(nèi)準(zhǔn)確診斷定位牽引逆變器IGBT模塊單管和多管故障，以及電流傳感器增益、偏移和卡死故障。完成診斷并隔離故障傳感器的同時(shí)，利用正常相電流傳感器信號(hào)替代故障傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)控制。
　　最后，本文為驗(yàn)證上述故障診斷與容錯(cuò)控制算法的有效性和可行性，搭建了基于Matl

7、ab/Simulink的牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)純數(shù)字仿真模型和基于RT-lab仿真器的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)整流側(cè)控制外環(huán)采用比例積分控制器、內(nèi)環(huán)采用比例諧振控制器;逆變側(cè)采用異步調(diào)制、分段同步調(diào)制和方波控制，以及直接磁場(chǎng)定向矢量控制;系統(tǒng)參數(shù)采用CRH3型高速動(dòng)車組實(shí)際參數(shù);并在不同工況、網(wǎng)壓波動(dòng)和負(fù)載變化等條件下開展仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的電力牽引變流器故障診斷與容錯(cuò)控制算法均無需新增硬件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)