CN106096278A - 列车用辅助逆变器输出功率计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

列车用辅助逆变器输出功率计算方法及系统，模块电流采集单元采集变压器原边电流；负载电压采集单元采集负载线电压；变压器副边电流计算单元：预置变压器参数，接收模块电流采集单元采集的数据，计算变压器副边电流；电容电流计算单元：接收负载电压采集单元采集的数据，计算电容电流；负载电流计算单元：接收变压器副边电流计算单元和电容电流计算单元的数据，计算负载电流；负载功率计算单元：接收负载电流计算单元的数据及负载电压采集单元的数据，计算负载功率。该方法利用不需要加装负载电流采集单元，节省系统安装成本，保证系统结构的简化性，采用软件程序即可自动完成负载电流及负载有功功率和无功功率的计算，快捷、准确率高。

Description

列车用辅助逆变器输出功率计算方法及系统

技术领域

本发明属于功率测量技术领域，涉及一种列车用辅助逆变器输出功率计算方法。

背景技术

列车辅助逆变器是列车主要的供电设备部件之一，起到提供稳定的三相交流和单相交流电源，为列车空调压缩机、通风装置、空压机、电加热器、充电机等交流辅助设备供电。

考虑到系统结构的简化及生产成本，列车用三相辅助逆变器，通常不安装负载电流采样装置。由于不对负载电流进行采样，因此在负载功率计算时存在困难，一方面精度难以控制，另一方面实时性较差，使得监控显示存在误差，尤其当多台并联进行功率下垂控制时，容易导致环流问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不进行负载电流采样的情况下，根据变压器原边电流进行辅助逆变器功率计算的方法及系统。

本发明的技术方案为：列车用辅助逆变器输出功率计算方法，步骤如下：

A、计算变压器副边电流：采集变压器原边电流I_N1(k)，根据变压器变比n，计算变压器副边电流I_N2(k)，其中N为A或B或C，表示三相电中的某一相；

B、计算电容电流：采集负载电压，得到负载线电压有效值U_ref、负载线电压实时相角ωt，则负载相电压实时相角为(ωt-π/6)，计算负载线电压实时值：则负载相电压幅值为则电容电流为：对IC离散化处理得其中C为每相等效电容；

C、计算负载电流I_Nload(k)：I_Nload(k)＝I_N2(k)-I_NC(k)；

D、计算负载有功功率和无功功率：步骤B中测得负载三相线电压实时值，U_AB、U_BC、U_CA，计算的I_Aload(k)、I_Bload(k)、I_Cload(k)；经克拉克变换得：

U_α(k)＝(U_AB(k)-U_CA(k))/3；

$U_{\mathrm{\β}}=U_{BC}\left(k\right)/\sqrt{3};$

I_α＝(I_Aload(k)-(I_Bload(k)+I_Cload(k))/2)*2/3；

$I_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left(I_{Bload}\right(k)-I_{Cload}(k\left)\right)/\sqrt{3};$

P(k)＝(U_α(k)*I_α(k)+U_β(k)*I_β(k))*3/2；

Q(k)＝(U_α(k)*I_α(k)-U_β(k)*I_β(k))*3/2。

更进一步的：计算变压器副边电流的方法为：计算滞后采样点的个数：对N_delay向下取整，记为N₁；计算副边电流：I₂(k)＝[I₁(N₁)+(N_delay-N₁)*(I₁(N₁+1)-I₁(N₁))]*n；其中θ为原边电压超前副边电压角度，F_S为采样频率，f为输出交流电频率。

列车用辅助逆变器功率输出计算系统，包括：

模块电流采集单元：安装在变压器原边端，采集变压器原边电流；

负载电压采集单元：安装在负载端，采集负载线电压；

变压器副边电流计算单元：预置变压器参数，接收模块电流采集单元采集的数据；

电容电流计算单元：接收负载电压采集单元采集的数据，计算电容电流；

负载电流计算单元：接收变压器副边电流计算单元和电容电流计算单元的数据，计算负载电流；

负载功率计算单元：接收负载电流计算单元的数据及负载电压采集单元的数据，计算负载有功功率和无功功率。

本发明的有益效果为：

该发明针对辅变功率计算问题，提出一种负载电流计算方法，进而用于功率计算。该方法利用不需要加装负载电流采集单元，节省系统安装成本，保证系统结构的简化性，采用软件程序即可自动完成负载电流及负载有功功率和无功功率的计算，快捷、准确率高。

附图说明

图1为助逆变器功率输出计算系统结构图。

图2为一相负载计算值与测量值比较图。

图3为有功功率计算值与测量值比较图。

图4为无功功率计算值与测量值比较图。

其中：1-A相电流计算值，2-A相电流实际值，3-有功功率实际值，4-有功功率计算值，5-无功功率计算值，6-无功功率实际值

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

如图1所示，辅助逆变系统包括三相全桥逆变器，三相全桥逆变器的输出端经变压器连接至负载端，负载端与变压器之间连接滤波电容。

列车用辅助逆变器功率输出计算系统，用于采集辅助逆变器负载端输出的有功功率和无功功率。包括以下功能模块单元：模块电流采集单元、负载电压采集单元、变压器副边电流计算单元、电容电流计算单元、负载电流计算单元、负载电流计算单元和负载功率计算单元。

辅助逆变器输出功率的计算方法如下：

(1)模块电流采集单元安装在三相全桥逆变器的输出端，即变压器原边端，采集变压器原边电流I_N1(k)；其中N为A或B或C，表示三相电中的某一相；

(2)变压器副边电流计算单元中预置模块电流采样频率F_S、变压器输出交流电频率f、变压器变比n、变压器原边电压超前副边电压角度θ等参数，接收模块电流采集单元采集的原边电流I_N1(k)数据，其中N为A或B或C，表示三相电中的某一相；结合预置参数以及模块电流采集单元采集的变压器原边电流值原边电流I_N1(k)，计算变压器副边电流值：

第一：计算滞后采样点的个数：

第二：对N_delay向下取整，记为N₁；

第三：计算副边电流：I₂(k)＝[I₁(N₁)+(N_delay-N₁)*(I₁(N₁+1)-I₁(N₁))]*n。

(3)负载电压采集单元安装在负载端，采集负载线电压，由负载线电压可得负载线电压的有效值U_ref。电压闭环控制是电压型逆变器的基础，本方案采用定频定幅值控制，由逆变控制原理，可得负载实时相角ωt，在同一系统中，ωt为一确定值。ωt即为进行电压控制时的给定相角，当给定频率时，ωt会随时间周期性变化，不因外界条件而改变，因此可以看作是已知量。

电容电流计算单元接收负载电压采集单元采集的负载电压，进行以下计算：

根据U_ref以及ωt计算负载线电压实时值：

由于线电压超前相电压的相角为π/6，可得相电压的相角为(ωt-π/6)；

根据电容与电压、电流的计算关系，计算电容电流I_C为：

$I_C=C*\frac{d(U_m*\cos (\mathrm{\ω}t-\mathrm{\π}/6\left)\right)}{dt};$

对I_C微分，进行离散化处理，得：

以上两式中，C为每相等效电容。

(4)负载电流计算单元接收变压器副边电流计算单元计算的变压器副边电流I₂(k)，电容电流计算单元计算的电容电流I_C，计算负载电流I_load(k)：

I_Nload(k)＝I_N2(k)-I_NC(k)；

其中N为A或B或C，表示三相电中的某一相。

(5)负载功率计算单元负责计算负载输出的有功功率和无功功率。

对测量得到的U_AB、U_BC、U_CA，计算得到的I_Aload(k)、I_Bload(k)、I_Cload(k)进行克拉克变换，得到：

U_α(k)＝(U_AB(k)-U_CA(k))/3；

$U_{\mathrm{\β}}=U_{BC}\left(k\right)/\sqrt{3};$

I_α＝(I_Aload(k)-(I_Bload(k)+I_Cload(k))/2)*2/3；

$I_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left(I_{Bload}\right(k)-I_{Cload}(k\left)\right)/\sqrt{3};$

计算有功功率：

P(k)＝(U_α(k)*I_α(k)+U_β(k)*I_β(k))*3/2；

计算无功功率：

Q(k)＝(U_α(k)*I_α(k)-U_β(k)*I_β(k))*3/2。

本实施例中，变压器采用DY5接法，变压器变比n＝n₁:n₂＝1175:440，三相滤波电容采用三角型接法，C＝3*416μF，负载电压有效值U_ref＝440V，变压器输出交流电频率f＝50Hz，额定有功功率120kW，额定无功功率20kVar，系统采样频率F_S＝950Hz。

采用本发明所述方法对负载电流、有功功率和无功功率进行计算，并采用示波器、功率测量仪对负载电流、有功功率和无功功率进行测量，得到图2至图4的比对结果。

如图2所示，采用示波器测量负载电流，获得实际负载电流的波形图，以负载A相电流为例，将示波器测得的实际负载电流与计算得负载电流结果相比较，可见，二者波形曲线基本重合，其中，横坐标为时间5ms每格，纵坐标为幅值100A每格，。

如图3和图4所示，采用功率测量仪测量负载有功功率和无功功率，与本方法计算得到的有功功率和无功功率进行比较，可件，有功功率的最大误差小于4％，平均误差在2％以内；无功功率的最大误差小于3％，平均误差在1％以内。

综上，本方法能够快速且准确的根据模块电流和负载电压计算出负载电流和负载功率。

Claims (3)

1.列车用辅助逆变器输出功率计算方法：其特征在于：步骤如下：

A.计算变压器副边电流：采集变压器原边电流I_N1(k)，根据变压器变比n，计算变压器副边电流I_N2(k)，其中N为A或B或C，表示三相电中的某一相；

B.计算电容电流：采集负载电压，得到负载线电压有效值U_ref、负载线电压实时相角ωt，则负载相电压实时相角为(ωt-π/6)，计算负载线电压实时值：则负载相电压幅值为则电容电流为：对I_C离散化处理得其中C为每相等效电容；

C.计算负载电流I_Nload(k)：I_Nload(k)＝I_N2(k)-I_NC(k)；

D.计算负载有功功率和无功功率：步骤B中测得负载三相线电压实时值，U_AB、U_BC、U_CA，计算得I_Aload(k)、I_Bload(k)、I_Cload(k)；经克拉克变换得：

U_α(k)＝(U_AB(k)-U_CA(k))/3；

$U_{\mathrm{\β}}=U_{BC}\left(k\right)/\sqrt{3};$

I_α＝(I_Aload(k)-(I_Bload(k)+I_Cload(k))/2)*2/3；

$I_{\mathrm{\β}}\left(k\right)=\left(I_{Bload}\right(k)-I_{Cload}(k\left)\right)/\sqrt{3};$

计算有功功率：

P(k)＝(U_α(k)*I_α(k)+U_β(k)*I_β(k))*3/2；

计算无功功率：

Q(k)＝(U_α(k)*I_α(k)-U_β(k)*I_β(k))*3/2。

2.如权利要求1所述的列车辅助逆变器功率输出计算方法：其特征在于：所述计算变压器副边电流的方法为：计算滞后采样点的个数：对N_delay向下取整，记为N₁；计算副边电流：I₂(k)＝[I₁(N₁)+(N_delay-N₁)*(I₁(N₁+1)-I₁(N₁))]*n；其中θ为原边电压超前副边电压角度，F_S为采样频率，f为输出交流电频率。

3.列车用辅助逆变器功率输出计算系统，其特征在于：包括：

模块电流采集单元：安装在变压器原边端，采集变压器原边电流；

负载电压采集单元：安装在负载端，采集负载线电压；

变压器副边电流计算单元：预置变压器参数，接收模块电流采集单元采集的数据，计算变压器副边电流；

电容电流计算单元：接收负载电压采集单元采集的数据，计算电容电流；

负载电流计算单元：接收变压器副边电流计算单元和电容电流计算单元的数据，计算负载电流；

负载功率计算单元：接收负载电流计算单元的数据及负载电压采集单元的数据，计算负载有功功率和无功功率。