牵引变流器热场控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及电力电子技术领域，公开一种牵引变流器热场控制方法，以实现牵引变流器热场的均匀分布。方法包括：构建各功率模块对应系统热场控制量的功耗预测模型；根据对应系统热场控制量的功耗预测模型构建基于功耗方差的热场分布控制目标函数，然后将基于功耗方差的热场分布控制目标函数与各非热场控制量的控制目标函数相结合以构建基于性能的归一化控制目标函数；根据归一化控制目标函数建立基于性能归一化的初始奖励函数，并将初始奖励函数优化为根据外环反馈值动态调整热权重系数的目标奖励函数；选取使得目标奖励函数值最大化的系统电平状态组合作为系统控制指令输出，实现相对应功率模块热量的智能调控。现相对应功率模块热量的智能调控。现相对应功率模块热量的智能调控。

【技术实现步骤摘要】
牵引变流器热场控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种牵引变流器热场控制方法及系统。

技术介绍

[0002]随着我国高铁事业的快速发展，运行时速高、运行里程长等高铁发展趋势已向高安全、高可靠运行的高铁发展新诉求发生转变。特别是，以主动安全保障为核心的高铁安全可靠运行技术成为当前高速列车科技发展的趋势。
[0003]牵引变流器作为永磁高速列车等高端轨道交通装备的核心设备，负责列车牵引驱动的能量供给与转换。作为列车的高发故障源，牵引变流器一旦发生故障将影响列车的正常运行，严重时将导致列车被迫停车，由此可见，其可靠性直接影响着整车的安全运行水平。据各轨道交通装备运营机构的统计结果表明，功率模块是牵引变流器故障的主要来源，属于列车高频次维修器件之一，带来较高维修成本。
[0004]据实验结果表明，除遭受过电应力和其他极端异常情况外，热循环应力累积和冲击是功率模块(如：IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator，绝缘栅双极型晶体管)模块)的失效主因。因此，降低工作过程中功率模块的热循环应力强度，成为提高功率模块运行可靠性、延长使用寿命的最为有效方案，其中，又以主动温度管理技术最受关注，已成为世界各大轨道交通科研机构的重点研究方向。然后，现有研究主要针对单个功率模块的热应力改善，对由多个功率模块组成的牵引变流器热应力改善的研究处于起步阶段。
[0005]目前，在牵引变流器集成化、模块化的普及和应用下，一旦某个功率模块因热应力损坏，整个牵引变流器设备将被替换维修，其中包括大量还有较长剩余寿命的其它正常功率模块。事实上，当前列车牵引变流器都以电气性能为主的控制目标，且因功率模块的热应力难以简单的加入到传统的闭环控制中，造成牵引变流器的热应力状况被忽视，特别是在多电平牵引变流器的应用中，牵引变流器中各功率模块的热应力不平衡问题更为凸显。这样不仅会造成资源浪费，维修成本的提升，且将降低牵引变流器整体服役寿命和运行可靠性。然而，仅关注单个功率器件模块的热应力改善/主动温度管理技术，将难以实现对整个牵引变流器热应力的改善。
[0006]因此，如何实现牵引变流器各功率器件的主动温度/热应力平衡成为一个亟待解决的关键技术，此问题的解决将有利于提高牵引变流器乃至整车的整体服役寿命和运行可靠性，降低资源浪费和维修成本，具有重要的意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于公开一种引变流器热场控制方法及系统，以通过智能调控牵引变流器中各功率器件模块产生的热量，实现牵引变流器热场的均匀分布，进而有效延长牵引变流器整体服役寿命，提高列车运行可靠性水平，降低设备维护成本。
[0008]为达上述目的，本专利技术公开一种牵引变流器热场控制方法，包括：
[0009]步骤S1：根据各功率模块产生功耗与所属桥臂电平状态和与功耗间接关联的非热
场控制量的关系，构建各功率模块对应系统热场控制量的功耗预测模型；
[0010]步骤S2：根据对应系统热场控制量的功耗预测模型构建基于功耗方差的热场分布控制目标函数，然后将基于功耗方差的热场分布控制目标函数与各所述非热场控制量的控制目标函数相结合以构建基于性能的归一化控制目标函数；
[0011]步骤S3：根据所述归一化控制目标函数建立基于性能归一化的初始奖励函数，并将所述初始奖励函数优化为根据外环反馈值动态调整热权重系数的目标奖励函数；
[0012]步骤S4：在总数为L的牵引变流器各相桥臂电平状态所有可能组合中，选取使得所述目标奖励函数值最大化的系统电平状态组合作为系统控制指令输出，实现相对应功率模块热量的智能调控。
[0013]优选地，所述步骤S2所述的热场分布控制目标函数用于在一段时间内，使得牵引变流器各功率模块总功耗趋于相同，进而产生趋于相近的热量，并使得牵引变流器系统中各功率模块所产生的热量将形成热量分布均匀的一种热系统；所述热场是指牵引变流器运行中各功率模块因自身功耗而产生的热量所形成的热系统。
[0014]优选地，所述非热场控制量为电流。
[0015]优选地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0016]S11：建立系统非热场控制量与所属桥臂电平状态的关系，构建系统非热场控制量的预测模型，表示为：
[0017]x
m
[n+1]＝A
m
[n]x
m
[n]+B
m
(S[n])u[n]+C[n][0018]式中，x
m
[n+1]为预测第[n+1]个系统采样周期内第m类系统非热场控制量的状态向量， x
m
[n]为第[n]个系统采样周期第m类系统非热场控制量的状态向量，[n]为第[n]个系统采样周期第m类系统非热场控制量的状态向量，为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的第p 个状态变量，数值为第m类非热场控制量在第[n]个系统采样周期内的采样值，P为与第m 类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的状态变量总数，m＝1,2,
…
,M，M为系统非热场控制量的总数；A
m
[n]为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中与状态变量有关的时变参数矩阵，B
m
(S[n])为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的输入变量的时变参数矩阵，其表达式与S[n]有关，S[n]为第[n]个系统采样周期内牵引变流器各相桥臂的电平状态所有可能组合的集合，S＝[S1,S2,
…
,S
k
,
…
,S
K
]，S
k
表示牵引变流器第k相桥臂的电平状态，其中桥臂的电平状态由若干离散数值组成，具体数量及数值由牵引变流器的拓扑结构所决定，K为牵引变流器的桥臂总数；u[n]为输入向量，u＝[u1,u2,
…
,u
q
,
…
,u
Q
]T
， u
q
为第q个输入变量，Q为输入变量总数；C
m
为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中其它项的时变参数矩阵；
[0019]S12：建立功率模块产生功耗与所属桥臂电平状态的关系，构建基于功耗的系统热场控制量的预测模型，其表达式为：
[0020][0021]式中，为牵引变流器第k相桥臂第j个功率模块在第[n+1]个系统采样周期内的总体功耗预测值，k＝1,2,
…
,K，j＝1,2,
…
,J，J为牵引变流器中桥臂功率模块的总
数；S
k
[n] 表示在第[n]个系统采样周期内牵引变流器第k相桥臂的电平状态；i
k
[n+1]为在第[n+1]个系统采样周期内流经牵引变流器第k相桥臂的电流预测值；和分别为牵引变流器第k相桥臂第j个功率模块的导通损耗和切换损耗，数值与第[n+1]个系统采样周期内流经牵引变流器第k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种牵引变流器热场控制方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据各功率模块产生功耗与所属桥臂电平状态和与功耗间接关联的非热场控制量的关系，构建各功率模块对应系统热场控制量的功耗预测模型；步骤S2：根据对应系统热场控制量的功耗预测模型构建基于功耗方差的热场分布控制目标函数，然后将基于功耗方差的热场分布控制目标函数与各所述非热场控制量的控制目标函数相结合以构建基于性能的归一化控制目标函数；步骤S3：根据所述归一化控制目标函数建立基于性能归一化的初始奖励函数，并将所述初始奖励函数优化为根据外环反馈值动态调整热权重系数的目标奖励函数；步骤S4：在总数为L的牵引变流器各相桥臂电平状态所有可能组合中，选取使得所述目标奖励函数值最大化的系统电平状态组合作为系统控制指令输出，实现相对应功率模块热量的智能调控。2.根据权利要求1所述的牵引变流器热场控制方法，其特征在于，所述步骤S2所述的热场分布控制目标函数用于在一段时间内，使得牵引变流器各功率模块总功耗趋于相同，进而产生趋于相近的热量，并使得牵引变流器系统中各功率模块所产生的热量将形成热量分布均匀的一种热系统；所述热场是指牵引变流器运行中各功率模块因自身功耗而产生的热量所形成的热系统。3.根据权利要求1或2所述的牵引变流器热场控制方法，其特征在于，所述非热场控制量为电流。4.根据权利要求3所述的牵引变流器热场控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：建立系统非热场控制量与所属桥臂电平状态的关系，构建系统非热场控制量的预测模型，表示为：x
m
[n+1]＝A
m
[n]x
m
[n]+B
m
(S[n])u[n]+C[n]式中，x
m
[n+1]为预测第[n+1]个系统采样周期内第m类系统非热场控制量的状态向量，x
m
[n]为第[n]个系统采样周期第m类系统非热场控制量的状态向量，[n]为第[n]个系统采样周期第m类系统非热场控制量的状态向量，为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的第p个状态变量，数值为第m类非热场控制量在第[n]个系统采样周期内的采样值，P为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的状态变量总数，m＝1,2,
…
,M，M为系统非热场控制量的总数；A
m
[n]为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中与状态变量有关的时变参数矩阵，B
m
(S[n])为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中的输入变量的时变参数矩阵，其表达式与S[n]有关，S[n]为第[n]个系统采样周期内牵引变流器各相桥臂的电平状态所有可能组合的集合，S＝[S1,S2,
…
,S
k
,
…
,S
K
]，S
k
表示牵引变流器第k相桥臂的电平状态，其中桥臂的电平状态由若干离散数值组成，具体数量及数值由牵引变流器的拓扑结构所决定，K为牵引变流器的桥臂总数；u[n]为输入向量，u＝[u1,u2,
…
,u
q
,
…
,u
Q
]
T
，u
q
为第q个输入变量，Q为输入变量总数；C
m
为与第m类系统非热场控制量有关的状态空间方程中其它项的时变参数矩阵；S12：建立功率模块产生功耗与所属桥臂电平状态的关系，构建基于功耗的系统热场控制量的预测模型，其表达式为：
式中，为牵引变流器第k相桥臂第j个功率模块在第[n+1]个系统采样周期内的总体功耗预测值，k＝1,2,
…
,K，j＝1,2,
…
,J，J为牵引变流器中桥臂功率模块的总数；S
k
[n]表示在第[n]个系统采样周期内牵引变流器第k相桥臂的电平状态；i
k
[n+1]为在第[n+1]个系统采样周期内流经牵引变流器第k相桥臂的电流预测值；和分别为牵引变流器第k相桥臂第j个功率模块的导通损耗和切换损耗，数值与第[n+1]个系统采样周期内流经牵引变流器第k相桥臂的电流值i
k
[n+1]和第[n]个系统采样周期内功率模块本身结温T
kj
[n]有关；和分别为判断第j个功率模块是否产生导通损耗和产生切换损耗的函数；其中，i
k
[n+1]根据S11得到的系统电流控制量的预测值。5.根据权利要求3所述的牵引变流器热场控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S21:建立系统非热场控制量的控制目标函数，表示为：式中，g
m
[n]为第[n]个系统采样周期内第m类系统非热场控制量的控制目标函数的值，f
m
为第m类系统非热场控制量的控制目标函数；为第[n]个系统采样周期内第m类系统非热场控制量的系统参考给定值/用户设定值组成的向量，统非热场控制量的系统参考给定值/用户设定值组成的向量，为第m类系统非热场控制量中第p个状态变量的参考值；S22：建立基于功耗方差的热场分布控制目标函数，表示为：式中，g
el
[n]为第[n]个系统采样周期内系统热场控制量的控制目标函数的值，Var(
·
)为基于功耗方差的热场分布控制目标函数；为第[n]个系统采样周期内牵引变流器第k相桥臂第j个功率模块在[n]个系统采样周期前的一个开关周期t
sw
内的总功耗，t
s
为系统采样周期；S23...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，彭涛，黄啸林，阳春华，桂卫华，谢斐然，陶宏伟，陈志文，樊欣宇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：