本发明涉及电力电子
技术领域：
，尤其涉及一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统。
背景技术：
：牵引传动系统被誉为轨道交通装备的“心脏”，不仅是整个轨道交通装备的核心动力单元，更是其运行安全的关键系统之一，对牵引传动系统中关键器件的健康监测至关重要。牵引传动系统由牵引变压器、牵引变流器等主电路设备，以及牵引电机等装置构成，其中，牵引变流器包括脉冲整流器、中间直流环节以及牵引逆变器。因此，牵引变流器是这枚“心脏”的“起搏器”，由于长期在高温、高压等恶劣的工作环境下，牵引变流器是牵引传动系统的高发故障源。牵引变流器中关键器件，主要是开关管和二极管的性能退化带来的安全隐患若不能及时监测到并得到及时正确的处理，都有可能引发器件的损坏失效，进而导致系统发生连锁事故。因此，保证牵引变流器及其关键器件安全可靠地工作不仅是确保牵引传动系统安全运行的关键，也是确保轨道交通装备安全运行的关键。由开关管和二极管的失效机理分析可知，55％以上的失效原因与器件的结温波动有关，即，器件结温的频繁波动将加速器件键合线脱落和焊料层出现空穴等老化问题，进而引起器件的性能退化，最后导致器件的损坏失效。因此，对关键器件进行结温波动的在线监测将为器件剩余寿命、老化程度的估计和失效机理的分析提供了重要的数据支撑。目前，直接在线测量开关管和二极管的结温的方案大多需要增加额外的测温传感器或模块，虽然精度较高，但成本也较高，且不符合当下及未来工业界对关键器件轻量化和集成化设计的需求。因此，建立系统中关键器件的功耗和结温等模型，通过系统中已有的传感器模块，间接评估器件结温波动成为一种有效的途径。但目前的研究成果主要为两电平的变流器拓扑结构，且集中于恒频工况和采用正弦脉宽调制(sinusoidalpulsewidthmodulation，spwm)策略的应用环境，如风力发电，电网能量传输等，难以适用于三电平，变频调速工况和采用空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)策略的应用环境，如crh2型高速列车牵引传动系统即为变频调速系统，采用的三电平牵引变流器拓扑，其中，脉冲整流器采用spwm调制策略，牵引逆变器采用svpwm调制策略。因此，现需提供一种能实现三电平牵引变流器变频调速系统中关键器件结温波动的在线计算与监测的牵引变流器器件结温在线计算方法及系统。技术实现要素：本发明目的在于提供一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，以实现三电平牵引变流器变频调速系统中关键器件结温波动的在线计算，进一步检测器件的健康，保证系统的稳定性和鲁棒性。为实现上述目的，本发明提供了一种牵引变流器器件结温在线计算方法，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立所述目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；所述目标器件为二极管或开关管，所述功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立所述目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据所述第一、第二及第三关系模型计算所述目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的所述目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及所述目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；然后根据所述平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算所述目标器件在该周期的结温值。与上述方法相对应地，本发明还提供一种牵引变流器器件结温在线计算系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，实现了计及电热耦合下牵引变流器关键器件结温波动的在线监测，能在线计算牵引变流器中目标器件的结温变化。2、本发明提供的一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，仅利用系统中已有的电流传感器数据和各开关管的驱动控制信号，不受系统调制策略和恒频工作条件的约束，能实现变频和不同调制策略条件下牵引变流器关键器件结温的在线计算，提高了器件结温在线计算的灵活性，为牵引变流器系统的健康监测与管理提供了有力的科学支撑。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明优选实施例的牵引变流器器件结温在线计算方法的流程图；图2是本发明优选实施例的三电平牵引变流器系统的主电路拓扑结构图；图3是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu1和tu2每个计算周期内功耗的变化示意图；图4是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu3和tu4每个计算周期内功耗的变化示意图；图5是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上二极管du1和du3每个计算周期内功耗的变化示意图；图6是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上二极管du12和du34每个计算周期内功耗的变化示意图；图7是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu1和tu2每个计算周期平均功率变化示意图；图8是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu3和tu4每个计算周期平均功率变化示意图；图9是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管du1和du3每个计算周期平均功率变化示意图；图10是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管du12和du34每个计算周期平均功率变化示意图；图11是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu1和tu2的结温波动示意图；图12是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管tu3和tu4的结温波动示意图；图13是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管du1和du3的结温波动示意图；图14是本发明优选实施例的牵引逆变器u相上开关管du12和du34的结温波动示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1参见图1，本实施例提供一种牵引变流器器件结温在线计算方法，包括以下步骤：针对牵引变流器目标桥臂上的目标器件，建立目标器件功率损耗与交流侧电流及驱动控制信号之间的第一关系模型；目标器件为二极管或开关管，功率损耗包括通断功耗和通态功耗；考虑电热耦合，建立目标器件的当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型；在非第一周期的其他周期内，根据第一、第二及第三关系模型计算目标器件在该周期的平均功率，并计算该周期所对应的目标器件到所在外壳之间的第一等效热阻抗、以及目标器件由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗；然后根据平均功率、第一等效阻抗及第二等效阻抗计算目标器件在该周期的结温值。需要说明的是，牵引变流器的目标桥臂，是指脉冲整流器a相、b相，以及牵引逆变器u相、v相、w相五相桥臂中任一相，桥臂上的目标器件，是指牵引变流器中的开关管和二极管，其中每一相桥臂由上往下由四个开关管组成，分别记为tx1，tx2，tx3和tx4，x＝a,b,u,v,w，且每一相桥臂由上往下由四个续流二极管和两个钳位二极管组成，分别记为dx1，dx2，dx3，dx4和dx12，dx34。优选地，本实施例参照crh2型高速列车的三电平牵引变流器系统为仿真对象，其主电路拓扑结构如图2所示。并以牵引逆变器u相桥臂上的开关管和二极管的结温在线计算为例，仿真时长为1s，其中，三电平牵引变流器系统正常运行时。主要仿真参数如表1所示。表1三电平牵引变流器系统正常运行时主要仿真参数表参数数值直流环节电压给定值1300v给定转速200km/h整流器开关周期0.8ms逆变器开关周期1ms控制器控制周期40μs牵引电机极对数2输出功率300kw转动惯量0.4kg·m2首先，针对牵引变流器中牵引逆变器的u相桥臂，建立各开关管功耗与交流侧电流和各开关管驱动控制信号之间的关系模型，公式为：式中，eiu1表示逆变器u相桥臂上开关管tu1的功耗，eiu2表示逆变器u相桥臂上开关管tu2的功耗，eiu3表示逆变器u相桥臂上开关管tu3的功耗，eiu4表示逆变器u相桥臂上开关管tu4的功耗，其中，表示桥臂交流侧电流极性的标志位，iu表示牵引逆变器u桥臂交流侧电流，在本实施例中该电流为牵引电机u相定子电流isa，su1、su2、su3和su4依次表示牵引逆变器u相桥臂上四个开关管的开关状态，受系统中控制器输出的开关管驱动控制信号控制，为1时代表导通状态，为0时代表关断状态；-、∧和∨分别表示取反、与和或运算；uce_u1表示逆变器u相桥臂上开关管tu1的通态压降，uce_u2表示逆变器u相桥臂上开关管tu2的通态压降，uce_u3表示逆变器u相桥臂上开关管tu3的通态压降，uce_u4表示逆变器u相桥臂上开关管tu4的通态压降，t和t0均表示时间，其中，t-t0到t表示一个控制周期的时间长度；γiu1表示逆变器u相桥臂上开关管tu1的通断功耗，γiu2表示逆变器u相桥臂上开关管tu2的通断功耗，γiu3表示逆变器u相桥臂上开关管tu3的通断功耗，γiu4表示逆变器u相桥臂上开关管tu4的通断功耗。针对牵引变流器中牵引逆变器的u相桥臂，建立二极管功率损耗与交流侧电流和驱动控制信号之间的关系模型，公式为：式中，edu1表示逆变器u相桥臂上二极管du1的功耗，edu2表示逆变器u相桥臂上二极管du2的功耗，edu3表示逆变器u相桥臂上二极管du3的功耗，edu4表示逆变器u相桥臂上二极管du4的功耗，edu12表示逆变器u相桥臂上二极管du12的功耗，edu34表示逆变器u相桥臂上二极管du34的功耗，ufd_u1表示逆变器u相桥臂上二极管du1的通态压降，ufd_u3表示逆变器u相桥臂上二极管du3的通态压降，ufd_u12表示逆变器u相桥臂上二极管du12的通态压降，ufd_u34表示逆变器u相桥臂上二极管du34的通态压降，γdu1表示逆变器u相桥臂上二极管du1的通断功耗，γdu2表示逆变器u相桥臂上二极管du1的通断功耗，γdu12表示逆变器u相桥臂上二极管du12的通断功耗，γdu34表示逆变器u相桥臂上二极管du34的通断功耗；假定在一个控制周期tctrl＝40μs内(tctrl远小于桥臂交流侧电流的响应时间常数)，牵引变流器u相桥臂交流侧电流iu和开关管与二极管的通态压降近似为恒值，则公式(1)和(2)分别近似为公式(3)和(4)：进一步地，牵引变流器u相桥臂上开关管的通断功耗的计算公式为：式中，eon_iu1表示逆变器u相桥臂上开关管tu1的导通功耗，eon_iu2表示逆变器u相桥臂上开关管tu2的导通功耗，eon_iu3表示逆变器u相桥臂上开关管tu3的导通功耗，eon_iu4表示逆变器u相桥臂上开关管tu4的导通功耗，eoff_iu1表示逆变器u相桥臂上开关管tu1的关断功耗，eoff_iu2表示逆变器u相桥臂上开关管tu2的关断功耗，eoff_iu3表示逆变器u相桥臂上开关管tu3的关断功耗，eoff_iu4表示逆变器u相桥臂上开关管tu4的关断功耗。牵引变流器u相桥臂上二极管通断功耗的计算公式为：式中，erec_du1表示逆变器u相桥臂上二极管du1的导通功耗，erec_du3表示逆变器u相桥臂上二极管du3的导通功耗，erec_du12表示逆变器u相桥臂上二极管du12的导通功耗，erec_du34表示逆变器u相桥臂上二极管du34的导通功耗。需要说明的是，开关管的通断功耗包括导通功耗和关断功耗，且开关管的通态功耗受初始通态压降和通态等效电阻影响；二极管的通断功耗为反向恢复损耗，且二极管的通态功耗受初始通态压降和通态等效电阻影响；在实际的工作中，由于温度(热场)对电气模型中电气参数存在一定的影响，即，存在热敏效应，且根据温度的大小发生变化，而电气参数能对器件的功耗造成影响，所以，为了使计算结果更为准确，应当考虑考虑电热耦合，因此可以建立逆变器u相桥臂上的各开关管和二极管在当前周期的通断功耗与上一周期结温之间的第二关系模型、以及所述目标器件当前周期的通态功耗与上一周期结温之间的第三关系模型为：式中，tj_iui表示逆变器u相桥臂上第i个开关管的芯片结温，uceo_ui表示该开关管的初始通态压降，和rion_ui表示该开关管的通态等效电阻，i表示某相桥臂上开关管的编号，i＝1,2,3,4；aceo_ui和cceo_ui表示开关管初始通态压降的拟合系数，aion_ui和cion_ui表示开关管通态等效电阻的拟合系数，表示开关管在结温为125℃时的导通功耗，表示开关管在结温为25℃时的导通功耗，表示开关管在结温为125℃时的关断功耗，表示开关管在结温为25℃时的关断功耗，表示开关管在结温为125℃时导通功耗的拟合系数，表示开关管在结温为25℃时导通功耗的拟合系数，表示开关管在结温为125℃时关断功耗的拟合系数，表示开关管在结温为25℃时关断功耗的拟合系数。其中，开关管的各拟合系数由厂商用户数据手册中提供的数据拟合获得，具体数值参见如下表2所示。表2开关管的拟合系数的数值表式中，tj_duk表示二极管的芯片结温，ufdo_uk表示二极管的初始通态压降，ron_uk表示二极管的通态等效电阻，k表示桥臂上开关管的编号，k＝1,2,3,4,12,34，afdo_uk和cfdo_uk表示二极管初始通态压降的拟合系数，aon_uk和con_uk表示二极管通态等效电阻的拟合系数，表示二极管在结温为125℃时的反向恢复功耗，表示二极管在结温为25℃时的反向恢复功耗，表示二极管在结温为125℃时导通功耗的拟合系数，表示二极管在结温为25℃时导通功耗的拟合系数，式中各拟合系数由厂商用户数据手册中提供的数据拟合获得，具体数值参见如下表3所示。表3二极管的拟合系数的数值表进一步地，获取牵引变流器系统中交流侧电流传感器的电流信号和各目标器件的驱动控制信号，以1/n个开关周期作为平均功率的计算周期计算一个计算周期内开关管的总功耗，得到开关管的平均功率，具体地，计算一个计算周期内开关管的总功耗，得到开关管的平均功率，公式为：式中，pavg_iui表示一个计算周期tcal内开关管的平均功率，etot_iui表示一个计算周期tcal内开关管的总功耗，eiui[q]表示一个计算周期tcal中第q个控制周期tctrl内开关管的功耗。计算一个计算周期内二极管的总功耗，得到二极管的平均功率，公式为：式中，pavg_duk表示一个计算周期tcal内二极管的平均功率，etot_duk表示一个计算周期tcal内二极管的总功耗，eduk[q]表示一个计算周期tcal中第q个控制周期tctrl内二极管的功耗。然后，计算逆变器u相桥臂上的开关管芯片到所在外壳之间的第一等效热阻抗为：式中，zjc_iui表示开关管芯片到器件所在模块外壳之间的第一等效热阻抗，n表示芯-壳之间等效热阻抗的阶数，rpjc_iui表示开关管芯-壳之间等效网络的第pjc阶等效热阻抗的等效热阻，cpjc_iui表示开关管芯-壳之间等效网络的第pjc阶等效热阻抗的等效热容，τpjc_duk表示开关管芯-壳之间等效热网络的热时间常数。本实施例中，以系统最小的开关周期0.8ms的1/5作为平均功率的计算周期tcal，tcal＝0.8/5＝0.16ms。建立二极管芯片到所在外壳之间的第一等效热阻抗为：式中，zjc_duk表示二极管芯片到器件所在模块外壳之间的第一等效热阻抗，n表示芯-壳之间等效热阻抗的阶数，rpjc_duk表示二极管芯-壳之间等效网络的第pjc阶等效热阻抗的等效热阻，cpjc_duk表示二极管芯-壳之间等效网络的第pjc阶等效热阻抗的等效热容，τpjc_dxk表示二极管芯-壳之间等效热网络的热时间常数；建立开关管由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗，公式为：式中，zch_iui表示开关管所在模块外壳到散热器再到外部环境之间的第二等效热阻抗，m表示壳-散-环之间等效热阻抗的阶数，rpch_iui表示开关管壳-散-环之间等效网络的第pch阶等效热阻抗的等效热阻，cpch_iui表示开关管壳-散-环之间等效网络的第pch阶等效热阻抗的等效热容，τpch_iui表示开关管壳-散-环之间等效热网络的热时间常数；建立二极管由外壳到外部环境网络之间的第二等效热阻抗，公式为：式中，zch_duk表示二极管所在模块外壳到散热器再到外部环境之间的第二等效热阻抗，m表示壳-散-环之间等效热阻抗的阶数，rpch_duk表示二极管壳-散-环之间等效网络的第pch阶等效热阻抗的等效热阻，cpch_duk表示二极管壳-散-环之间等效网络的第pch阶等效热阻抗的等效热容，τpch_duk表示二极管壳-散-环之间等效热网络的热时间常数。需要说明的是，上述第一等效热阻抗和第二等效热阻抗统称为开关管和二极管的等效热网络模型。本实施例中，每相桥臂上的关键器件均同一厂商的产品，桥臂上不同位置的开关管或二极管芯-壳之间等效热网络模型的参数相同，具体赋值如表4所示。表4桥臂上各器件的等效热网络模型参数进一步地，计算所述目标器件在该周期的结温值具体包括以下步骤：在一个控制周期tctrl内，计算开关管的结温，公式为：式中，tamb表示环境温度；在一个控制周期tctrl内，计算二极管的结温，公式为：将所述开关管的结温和二极管的结温分别代入公式(13)-公式(17)中，以计算下一个平均功率的计算周期内牵引变流器关键器件的结温值。并根据各结温值得到器件的结温波动。值得说明的是，第一周期的结温值根据统计经验设为默认值。基于该设定的默认值完成实时的牵引变流器器件结温在线计算。本实施例中，在第一个控制周期tctrl内计算关键器件的结温中，关键器件平均功率的初始数值为pavg0_ixi和pavg0_dxk，结温的初始数值为tj0_ixi和tj0_dxk，环境温度的初始数值为tamb0。作为可变换的实时方式，将结温的初始数值tj0_iui和tj0_duk都设为25℃，环境温度的初始数值为tamb0为25℃牵引逆变器u相上开关管和二极管每个计算周期内功耗的变化，如图3至图6所示；牵引逆变器u相上开关管和二极管每个计算周期平均功率变化，如图7至图10所示；牵引逆变器u相上开关管和二极管的结温波动，如图11至图14所示。作为本实施例优选的实施方式，等效热阻抗在用于计算器件结温前，针对连续控制系统需要进行拉普拉斯变换，针对离散控制系统需要进行z变换。作为本实施例优选的实施方式，在一个控制周期tctrl内计算关键器件的结温中，关键器件的平均功率的数值通过计算所得，其中，零阶保持器的输出周期为一个计算周期tcal。实施例2与上述方法实施例相对应地，本实施例提供一种牵引变流器器件结温在线计算系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。如上所述，本发明提供的一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统，实现了计及电热耦合下牵引变流器关键器件结温波动的在线监测，能在线计算牵引变流器中目标器件的结温变化。进一步地，本发明仅利用系统中已有的电流传感器数据和各开关管的驱动控制信号，不受系统调制策略和恒频工作条件的约束，能实现变频和不同调制策略条件下牵引变流器关键器件结温的在线计算，提高了器件结温在线计算的灵活性，为牵引变流器系统的健康监测与管理提供了有力的科学支撑。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12