[发明专利]一种牵引变流器器件结温在线计算方法及系统

说明书

本发明涉及电力电子技术领域，公开了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；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；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，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；然后计算目标器件在该周期的结温值。

技术领域

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(SinusoidalPulse Width Modulation，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(Space Vector Pulse Width Modulation，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。

发明内容

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；