辅助变流器输出不平衡功率检测方法及装置与流程

本发明属于轨道交通技术领域，涉及辅助变流器检测技术，具体地说，涉及一种辅助变流器输出不平衡功率检测方法及装置。

背景技术：

辅助变流器是轨道交通车辆重要的电器设备，主要用于将电网上的直流电转换成三相交流电供空气压缩机、照明、空调等交流负载设备使用。然而，在实际运行中，由于变流器三相交流滤波参数不一致、三相交流负载不对称或者单相负载运行会给辅助变流器造成三相输出不平衡影响。该影响产生的零序电流流经变压器绕组，造成绕组磁通不平衡，导致绕组磁通饱和并发热过高，产生绝缘失效的危险。

辅助变流器常在变压器原边安装电流采集装置，该装置目前仅为功率开关器件提供保护。针对功率不平衡问题，需要为变流器安装额外的三相负载电流采集装置，通过三相负载电流判断是否存在不平衡现象。该方法需要配备额外的负载电流传感器，增加了辅助变流器的复杂程度，提高了生产成本，维护性差。

技术实现要素：

本发明针对现有辅助变流器功率不平衡检测方法存在的需要配备额外的负载电流传感器等上述问题，提供了一种辅助变流器输出不平衡功率检测方法及装置，能够在不需要配备额外负载电流采集装置的实现对辅助变流器输出不平衡功率的检测。

为了达到上述目的，本发明提供了一种辅助变流器输出不平衡功率检测方法，其具体步骤为：

利用采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ipc计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc；

对采集的辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电压uα、uβ，将电压uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电压uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，进行双dq解耦得到电压解耦分量；

对变压器副边三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，进行双dq解耦得到电流解耦分量；

根据电压解耦分量和电流解耦分量的滤波输出值计算不平衡功率。

优选的，计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc的具体方法为：利用采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ipc，通过变压器原副边匝比和相位变换，利用公式(1)计算出变压器副边三相输出电流isa、isb、isc，公式(1)表示为：

式中，np/ns为变压器原副边匝比，np为变压器原边匝数，ns为变压器副边匝数。

优选的，通过公式(2)对三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电压uα、uβ，公式(2)表示为：

通过公式(3)将电压uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，通过公式(4)将电压uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，公式(3)、公式(4)表示为：

式中，ud+为电压uα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的d⁺轴分量，uq+为电压uα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的q⁺轴分量，ud-为电压uβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-轴分量，uq-为电压uβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的q^-轴分量，θ为多同步旋转坐标角度，θ＝ωt，t为时间。

优选的，通过公式(5)对分量ud+、分量uq+、分量ud-、分量uq-进行双dq解耦得到电压解耦分量，公式(5)表示为：

式中，udp为分量ud+的电压解耦分量，uqp为分量uq+的电压解耦分量，udn为分量ud-的电压解耦分量，uqn为分量uq-的电压解耦分量，udpfltr为电压解耦分量udp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，uqpfltr为电压解耦分量uqp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，udnfltr为电压解耦分量udn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，uqnfltr为电压解耦分量uqn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值。

进一步的，通过spll锁相环对电压解耦分量uqp进行锁相环补偿控制，得到多同步旋转坐标角度θ。

优选的，通过公式(6)对三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，公式(6)表示为：

通过公式(7)将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，通过公式(8)将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，公式(7)、公式(8)表示为：

式中，id+为电流iα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的d⁺轴分量，iq+为电流iα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的q⁺轴分量，id-为电流iβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-轴分量，iq-为电流iβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的q^-轴分量。

优选的，通过公式(9)对分量id+、分量iq+、分量id-、分量iq-进行双dq解耦得到电流解耦分量，公式(9)表示为：

式中，idp为分量id+的电流解耦分量，iqp为分量iq+的电流解耦分量，idn为分量id-的电流解耦分量，iqn为分量iq-的电流解耦分量，idpfltr为电流解耦分量idp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，iqpfltr为电流解耦分量iqp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，idnfltr为电流解耦分量idn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，iqnfltr为电流解耦分量iqn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值。

优选的，通过公式(10)计算不平衡功率，公式(10)表示为：

式中，pub为不平衡功率。

为了达到上述目的，一种辅助变流器输出不平衡功率检测装置，包括：

数据采集单元，用于采集变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip和辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc；

电流计算单元，用于根据采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc；

电流变换及解耦单元，用于对三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中；以及对正序同步旋转d⁺q⁺坐标的d⁺、q⁺轴分量及负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-、q^-轴分量进行双dq解耦得到电流解耦分量；

电压变换及解耦单元，用于对三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电流uα、uβ，将电流uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中；以及对正序同步旋转d⁺q⁺坐标的d⁺、q⁺轴分量及负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-、q^-轴分量进行双dq解耦得到电压解耦分量；

低通滤波器，用于对电流解耦分量和电压解耦分量进行滤波得到电流解耦分量的滤波值和电压解耦分量的滤波值；

功率计算单元，用于根据电流解耦分量的滤波值和电压解耦分量的滤波值计算不平衡功率。

进一步的，还包括spll锁相环控制器，用于对正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系的q⁺分量uq+进行锁相环补充控制，得到多同步旋转坐标角度θ。

优选的，所述数据采集单元包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器为变压器原边电流传感器，用于采集变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip，所述电压传感器与辅助变流器三相输出连接，用于采集辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明不需要配备额外的负载电流采集装置，仅利用变压器原边电流，通过数学变换，配合三相输出电压计算输出不平衡功率，简化了辅助变流器的复杂程度，降低了安装成本，提高了辅助变流器的可维护性，使辅助变流器具有简洁、高效的运行特点。

附图说明

图1为现有辅助变流器的电路结构示意图；

图2为本发明实施例多同步旋转坐标系进行旋转坐标变换示意图；

图3为本发明实施例电压进行3/2变换、旋转坐标变换及锁相环控制原理图；

图4为本发明实施例电压进行3/2变换、旋转坐标变换及双dq解耦原理图；

图5为本发明实施例电流进行3/2变换、旋转坐标变换及双dq解耦原理图；

图6为本发明实施例所述辅助变流器输出不平衡功率检测装置的结构框图。

图中，1、逆变器模块，2、变压器，3、输出滤波模块，4、变压器原边电流ipa、ipb、ipc，5、变压器副边电流isa、isb、isc，6、输出三相电压ua、ub、uc，7、数据采集单元，701、电流传感器，702、电压传感器，8、电流计算单元，9、电流变换及解耦单元，10、电压变换及解耦单元，11、低通滤波器，12、功率计算单元，13、spll锁相环控制器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了检测辅助变流器的三相输出不平衡功率，简化辅助变流器的复杂程度，降低安装成本，提高辅助变流器的可维护性。本发明提供了一种辅助变流器输出不平衡功率检测方法及装置。以下以具体的实施例对上述方法及装置进行详细说明。

实施例1：参见图2至图5，一种辅助变流器输出不平衡功率检测方法，其具体步骤为：

s1、利用采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ipc计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc。

具体地，计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc的具体方法为：利用采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ipc，通过变压器原副边匝比和相位变换，参见图1中所示变压器，该变压器采用dyn11型变压器，利用公式(1)计算出变压器副边三相输出电流isa、isb、isc，公式(1)表示为：

式中，np/ns为变压器原副边匝比，np为变压器原边匝数，ns为变压器副边匝数。

s2、对采集的辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电压uα、uβ，将电压uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电压uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，进行双dq解耦得到电压解耦分量。

具体地，通过公式(2)对三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电压uα、uβ，公式(2)表示为：

通过公式(3)将电压uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，通过公式(4)将电压uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，公式(3)、公式(4)表示为：

式中，ud+为电压uα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的d⁺轴分量，uq+为电压uα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的q⁺轴分量，ud-为电压uβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-轴分量，uq-为电压uβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的q^-轴分量，θ为多同步旋转坐标角度，θ＝ωt，t为时间。

通过公式(5)对分量ud+、分量uq+、分量ud-、分量uq-进行双dq解耦得到电压解耦分量，公式(5)表示为：

式中，udp为分量ud+的电压解耦分量，uqp为分量uq+的电压解耦分量，udn为分量ud-的电压解耦分量，uqn为分量uq-的电压解耦分量，udpfltr为电压解耦分量udp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，uqpfltr为电压解耦分量uqp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，udnfltr为电压解耦分量udn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，uqnfltr为电压解耦分量uqn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值。

具体地，通过spll锁相环对电压解耦分量uqp进行锁相环补偿控制，得到多同步旋转坐标角度θ。

s3、对变压器副边三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，进行双dq解耦得到电流解耦分量。

具体地，通过公式(6)对三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，公式(6)表示为：

通过公式(7)将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，通过公式(8)将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中，公式(7)、公式(8)表示为：

式中，id+为电流iα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的d⁺轴分量，iq+为电流iα变换至正序同步旋转d⁺q⁺坐标系的q⁺轴分量，id-为电流iβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-轴分量，iq-为电流iβ变换至负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的q^-轴分量。

具体地，通过公式(9)对分量id+、分量iq+、分量id-、分量iq-进行双dq解耦得到电流解耦分量，公式(9)表示为：

式中，idp为分量id+的电流解耦分量，iqp为分量iq+的电流解耦分量，idn为分量id-的电流解耦分量，iqn为分量iq-的电流解耦分量，idpfltr为电流解耦分量idp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，iqpfltr为电流解耦分量iqp经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，idnfltr为电流解耦分量idn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值，iqnfltr为电流解耦分量iqn经过低通滤波器lpf后的滤波输出值。

s4、根据电压解耦分量和电流解耦分量的滤波输出值计算不平衡功率。

具体地，通过公式(10)计算不平衡功率，公式(10)表示为：

式中，pub为不平衡功率。

根据上述检测方法计算的不平衡功率值可直观的判断出辅助变流器是否存在不平衡现象。具体地，若计算的不平衡功率为0，则说明辅助变流器不存在功率输出不平衡现象，若计算的不平衡功率不为0，则说明辅助变流器存在功率输出不平衡现象。

本实施例上述检测方法，不需要配备额外的负载电流采集装置，仅利用变压器原边电流，通过数学变换，配合三相输出电压计算输出不平衡功率，简化了辅助变流器的复杂程度，降低了安装成本，提高了辅助变流器的可维护性。

实施例2：参见图6，本实施例提供了一种辅助变流器输出不平衡功率检测装置，包括：

数据采集单元7，用于采集变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip和辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc；

电流计算单元8，用于根据采集的变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip计算变压器副边三相输出电流isa、isb、isc；

电流变换及解耦单元9，用于对三相输出电流isa、isb、isc进行3/2变换得到电流iα、iβ，将电流iα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流iβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中；以及对正序同步旋转d⁺q⁺坐标的d⁺、q⁺轴分量及负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-、q^-轴分量进行双dq解耦得到电流解耦分量；

电压变换及解耦单元10，用于对三相输出电压ua、ub、uc进行3/2变换得到电流uα、uβ，将电流uα变换至以转速ω正向旋转的正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系中，将电流uβ变换至以转速-ω负向旋转的负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系中；以及对正序同步旋转d⁺q⁺坐标的d⁺、q⁺轴分量及负序同步旋转坐标d^-q^-坐标系的d^-、q^-轴分量进行双dq解耦得到电压解耦分量；

低通滤波器(简称：lpf)11，用于对电流解耦分量和电压解耦分量进行滤波得到电流解耦分量的滤波值和电压解耦分量的滤波值；

功率计算单元12，用于根据电流解耦分量的滤波值和电压解耦分量的滤波值计算不平衡功率。

继续参见图6，上述装置还包括spll锁相环控制器13，用于对正序同步旋转坐标d⁺q⁺坐标系的q⁺分量uq+进行锁相环补充控制，得到多同步旋转坐标角度θ。

继续参见图6，具体地，所述数据采集单元7包括电流传感器701和电压传感器702，所述电流传感器701为变压器原边电流传感器，用于采集变压器原边三相输入电流ipa、ipb、ip，所述电压传感器702与辅助变流器三相输出连接，用于采集辅助变流器三相输出电压ua、ub、uc。

本实施例上述检测装置，通过功率计算单元计算的不平衡功率可直接判断辅助变流器是否存在功率输出不平衡现象。具体地，若计算的不平衡功率为0，则说明辅助变流器不存在功率输出不平衡现象，若计算的不平衡功率不为0，则说明辅助变流器存在功率输出不平衡现象。

本实施例上述检测装置，不需要配备额外的负载电流采集装置，仅利用变压器原边电流，通过数学变换，配合三相输出电压计算输出不平衡功率，简化了辅助变流器的复杂程度，降低了安装成本，提高了辅助变流器的可维护性。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。