高速铁路由于其运输能力大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势,近十年以来在我国取得了飞速发展。截止2015年底,我国高速铁路营业里程达到了1.9万公里。电力牵引传动系统作为高速铁路核心关键系统之一,其高可靠性是高速列车安全稳定运行的重要保障。统计研究表明,电力牵引变流器作为牵引传动系统能量变换的重要部件,在运行过程中承受主要的电热应力,且应用场合大多处于电、磁、热、机械等多场域耦合,故障率较高。因此,通过在线实时诊断牵引变流器故障,并及时采取故障隔离或故障容错控制策略,对提高牵引传动系统可靠性和维修效率、降低故障影响和损失具有重要的理论意义和工程价值。本文以高速动车组两电平电力牵引变流器为研究对象,重点研究四象限脉冲整流器和牵引逆变器功率模块故障诊断技术、中间直流回路和各传感器故障诊断与容错控制技术。具体研究内容如下：首先,通过建立电力牵引变流器四象限脉冲整流器和牵引逆变器的IGBT模块与反并联二极管开路故障数学模型,中间直流回路LC谐振电感和电容、持续放电电阻与接地检测电阻开路和短路故障数学模型,以及传感器增益故障、偏移故障和卡死故障数学模型,结合牵引变流器故障拓扑,对比分析了各故障对牵引传动系统的影响,获取了相应故障特征,为有效诊断和容错控制提供了理论基础。其次,针对四象限脉冲整流器运行过程中物理参数和控制参数变化较小的特点,采用一种基于模型的方法在线诊断IGBT模块开路故障。通过比较实际系统与建立的四象限脉冲整流器精确动态数学模型,构建并分析评价系统状态残差,在几个毫秒之内实现精确诊断IGBT模块开路故障。四象限脉冲整流器无故障时,状态残差等于零或在一个较小的阈值区间内；IGBT模块故障时,状态残差偏离零点,完成故障快速诊断。针对四象限脉冲整流器网侧电流传感器和中间直流侧电压传感器,采用一种基于状态观测器的方法在线故障诊断和容错控制。结合四象限脉冲整流器精确动态数学模型,建立网侧电流和中间直流侧电压状态观测器。通过分析评价状态估计误差,在线诊断故障传感器。同时采取故障隔离措施,并采用状态观测器输出信号替代故障传感器输出信号,在几个毫秒之内完成系统故障容错控制运行。中间直流回路谐振电感短路故障时,直流侧电压脉动幅值较小,具有潜伏性。但脉动电压输入牵引电机会产生较大幅值的低频谐波电流,威胁牵引传动系统安全。本文通过检测中间直流侧脉动电压含量,在线诊断谐振电感故障。同时激活故障容错控制算法,向牵引电机定子频率函数叠加一个体现脉动电压分量的时间函数进行补偿,抑制牵引电机低频谐波电流,完成故障下容错控制运行。针对牵引电机精确数学模型难以获得,且物理参数和控制参数随运行状态变化的特点,本文通过分析牵引电机定子电流信号幅值和对称性特点,在一个基波周期之内准确诊断定位牵引逆变器IGBT模块单管和多管故障,以及电流传感器增益、偏移和卡死故障。完成诊断并隔离故障传感器的同时,利用正常相电流传感器信号替代故障传感器信号,实现故障容错控制。最后,本文为验证上述故障诊断与容错控制算法的有效性和可行性,搭建了基于Matlab/Simulink的牵引传动控制系统纯数字仿真模型和基于RT-lab仿真器的半实物实验验证平台。牵引传动控制系统整流侧控制外环采用比例积分控制器、内环采用比例谐振控制器；逆变侧采用异步调制、分段同步调制和方波控制,以及直接磁场定向矢量控制；系统参数采用CRH3型高速动车组实际参数；并在不同工况、网压波动和负载变化等条件下开展仿真和实验验证。仿真和实验结果表明,本文所提出的电力牵引变流器故障诊断与容错控制算法均无需新增硬件,具有结构简单、成本低和可靠性高等特点,适用于高速列车牵引传动控制系统应用。
