CN101673954B - 发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路及锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路及锁相方法，该电路包括同步变压器取样电路，用于相位信号进行取样；相位补偿电路，与同步变压器取样电路连接，用于补偿相位信号的延时；信号放大电路与相位补偿电路连接，用于进行放大；比较输出电路与信号放大电路连接，用于零相位时的上升沿和180度时相位的下降沿。该方法包括：对相位信号进行取样；补偿相位信号的延时；进行信号放大；将相位在过零时的上升沿和180度时的下降沿输出。本发明有益效果如下：采用同步变压器和运放电路构成锁相环电路，避免了复杂的电压采样调理电路，免去了模拟数字转换电路，实现了电路结构简单，稳定性高，且成本低。

Description

发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路及锁相方法

技术领域

本发明涉及电力系统，特别是涉及电力系统中的发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路及锁相方法。

背景技术

在风力发电并网系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相必须使用锁相环技术。

目前大多采用的是软件锁相环的方法。软件锁相环的实现首先要对电网电压和并网电流进行检测，运用精密的硬件调理电路和模拟/数字(A/D)转换电路对电压和电流进行采样，而后运用信号处理器对获得的电流和电压的采样数据进行处理，通过软件锁相环算法实现对电网电压相位的跟踪。

但是，现有的软件锁相环算法需要有复杂的软件锁相程序，同时要求精密的调理电路和模拟数字转换器，极大地增加了系统的软硬件成本和复杂度。

发明内容

本发明提供一种发电并网中电网电压相位检测的锁相环及锁相方法，用以解决现有技术中软硬件成本高和复杂度高的问题。

本发明一种发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路，包括：

同步变压器取样电路，用于对电网电压相位信号进行取样；

相位补偿电路，与所述同步变压器取样电路连接，用于补偿取样的所述电网电压的相位信号的延时；

信号放大电路，与所述相位补偿电路连接，用于对所述电网电压的相位信号进行放大；

比较输出电路，与所述信号放大电路连接，用于给出所述电网电压的零相位时的上升沿和180度时相位的下降沿。

所述同步变压器取样电路包括变压器副边三相中的一相和低通滤波电路，其中所述变压器的副边三相中的一相与所述低通滤波电路连接。

所述相位补偿电路包括：第一电阻R2、第二电阻R3、第三电阻R4、第一电容C2、第一稳压管和第二稳压管D1、D2以及第一运算放大器，其中所述第一电阻与所述低通滤波电路中的电阻连接，第二电阻R3和第一电容C2并联后与所述第一电阻R2串联，以及连接在所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述第一稳压管的阴极和第一运算放大器的反向输入端连接，所述第二稳压管的阴极与所述第一运算放大器的同向输入端连接，并且通过所述第三电阻接地，所述第一运算放大器的反向输入端接高电平。

所述信号放大电路包括第四电阻R5、第五电阻R6、第六电阻R7和第二运算放大器，其中所述第四电阻R5与所述第一运算放大器的输出端以及所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第五电阻与所述第二运算放大器的反向输入端和输出端连接，所述第六电阻R7与所述第二运算放大器的同向输入端连接，并接地。

所述比较输出电路包括第七电阻R8，第八电阻R9，第九电阻R10，第十电阻R11，第一二极管D3和第一比较器，其中所述第八电阻与所述第一比较器的反向输入端连接，并接地；第七电阻R8通过第九电阻R10与第一比较器的正向输入端连接，且通过第一二极管接地以及与第二运算放大器的输出端连接，第十电阻R11的一端连接于第一比较器的输出端，另一端接高电平。

所述变压器的原边绕组分别与所述电网三相连接。

本发明一种发电并网中电网电压相位检测的锁相方法，所述方法包括：

同步变压器取样电路对电网电压相位信号进行取样；

相位补偿电路接收到同步变压器取样电路取样获得的电网电压相位信号后，补偿取样获得的所述电网电压的相位信号的延时；

信号放大电路接收到所述相位补偿电路进行补偿后的所述电网电压的相位信号后，对其进行放大；

比较输出电路接收到信号放大电路输出的放大信号后，将所述电网电压的的相位在过零时的上升沿和180度时的下降沿输出。

滤除电网中和发电系统中的高频干扰分量后对电网电压的相位信号进行采样。

本发明有益效果如下：采用同步变压器和运放电路构成锁相环电路，避免了复杂的电压采样调理电路，免去了模拟数字转换电路，实现了电路结构简单，稳定性高，且成本低。

附图说明

图1为本发明一种发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路原理图；

图2为本发明一种发电并网中电网电压相位检测的锁相方法的流程图。

具体实施方式

为了解决风力发电并网中电网电压相位检测锁相环技术中存在的硬件成本高，运算软件复杂的问题，本发明通过同步变压器和运放电路组成了硬件的锁相环电路，实现对电网三相电压过零点的检测，给出电网电压零相位时的上升沿和180度时的下降沿，从而利用该电路的输出控制并网电流的角度，实现对电网电压的准确跟踪。

本发明是一种风力发电并网电压相位检测的锁相环电路，包括有同步变压器取样电路1、相位补偿电路2、信号放大电路3和比较输出电路4。图1是风力发电并网电网电压相位检测的锁相环电路原理图。如图1中所示，同步变压器取样电路1，用于对电网电压相位信号进行取样；相位补偿电路2，与所述同步变压器取样电路1连接，用于补偿取样的所述电网电压的相位信号的延时；信号放大电路3，与所述相位补偿电路2连接，用于对所述电网电压的相位信号进行放大；比较输出电路4，与所述信号放大电路3连接，用于给出所述电网电压的零相位时的上升沿和180度时相位的下降沿。

如图1中所示，所述同步变压器取样电路1包括同步变压器副边三相中的一相和低通滤波电路，同步变压器的副边三相中的一相与所述低通滤波电路连接，副边中线接地。低通滤波电路由电阻R1和电容C1构成，用于滤除电网中和发电系统中的高频干扰分量，使对电网的采样不受到高频干扰。图1还是出了同步变压器的原边绕组分别与电网三相连接。其中，原边绕组Ua，Ub，Uc三个端子分别连接于电网的a，b，c三相。图1中示处了与副边a相连接的锁相环电路的所有电路。因为三相锁相环电路结构相同，故副边的其他相位连接的锁相环电路的所有电路如图1中所示出的。如图中所示，本发明采用同步变压器的副边的中线与锁相环电路的模拟地联接而直接采样电网电压的相电压。

继续参见图1所示，本发明锁相环电路中的相位补偿电路2包括：第一电阻R2、第二电阻R3、第三电阻R4、第一电容C2、第一稳压管和第二稳压管D1、D2以及运算放大器，其中所述第一电阻与所述低通滤波电路中的电阻连接，第二电阻R3和第一电容C2并联后与所述第一电阻R2串联，以及连接在所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述第一稳压管的阴极和第一运算放大器的反向输入端连接，所述第二稳压管的阴极与所述第一运算放大器的同向输入端连接，并且通过所述第三电阻接地，所述第一运算放大器的反向输入端接高电平。

通过对第一电阻R2、第二电阻R3，第一电容C2的设定，可以实现对电网相位的无延时准确跟踪。也即第一电阻R2的一端与滤通电路中的电阻R1的一端相联接、R2的另一端联接于电阻R3的一端；电阻R3与电容C2并联联接于第一运算放大器的反向输入端2脚与输出端1脚之间；第一和第二稳压管D1和D2串联连接于第一运算放大器的反向输入端2脚和同向输入端3脚，第一稳压管D1的阴极联接于第一运算放大器的反向输入端2脚，第二稳压管D2的阴极连接于第一运算放大器的3脚。在本例中所述第一运算放大器采用的是低功耗低噪声双运放集成电路LF353A。

所述信号放大电路3包括第四电阻R5、第五电阻R6、第六电阻R7和第二运算放大器，其中所述第四电阻R5与所述第一运算放大器的输出端以及所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第五电阻R6与所述第二运算放大器的反向输入端和输出端连接，所述第六电阻R7与所述第二运算放大器的同向输入端连接，并接地。

通过对第四和第五电阻R5、R6的设定减小零相位偏置。即第四电阻R5的一端联接于第一运算放大器的输出端1脚和第二运算放大器的反向输入端6脚之间。第五电阻R6联接于第二运算放大器的反向输入端6脚和输出端7脚之间。第六电阻R7联接于第二运算放大器的正向输入端5脚与接地之间。所述第二运算放大器采用的是低功耗低噪声双运放集成电路LF353B。

所述比较输出电路4包括第七电阻R8，第八电阻R9，第九电阻R10，第十电阻R11，第一二极管D3和第一比较器，其中所述第八电阻与所述第一比较器的反向输入端连接，并接地；第七电阻R8通过第九电阻R10与第一比较器的正向输入端连接，且通过第一二极管接地，以及与第二运算放大器的输出端连接，第十电阻R11的一端连接于第一比较器的输出端，另一端接高电平5V。第一比较器采用的是低功耗四电压四比较器LM239。

结合图1，说明风力发电并网电压相位检测虚拟锁相环电路工作原理如下：通过同步变压器连接电网，副边三相输出分别相应地联接该相的虚拟锁相环电路，电阻R1和C1构成低通滤波电路，用于滤除电网中和发电系统中的高频干扰分量。第一、二和三电阻R2、R3、R4、第一电容C2、第一和第二稳压管D1、D2，第一运算放大器LF353构成相位补偿电路，用于补偿电网相位信号在硬件电路和软件运算中的延时。其中，第一和第二稳压管D1、D2用于保护运放，当运放差模输入电压过大，则第一和第二稳压管D1或D2击穿，防止运放损坏。通过设定第一电容C2、第一和第二电阻R2、R3的值，可以给出相应的相位补偿，实现电压相位的无延时跟踪。第四、五和六电阻R5、R6、R7和第二运算放大器LF353B构成放大电路，通过对电压信号的放大，减小电压零点偏置。第七、八、九和十电阻R8，R9，R10，R11，第一二极管D3和第一比较器LM239构成比较输出电路，用于给出电网电压零相位时的上升沿和180度时的下降沿。

本发明公开了一种用于风力发电并网检测电网电压相位的锁相环电路，这种电路应用于风力发电并网系统中，通过同步变压器对电网电压采样后由运算放大器和比较器输出电网三相电压过零信号。通过本发明对电网电压相位的检测，弥补了软件锁相环的不足。

如图2所示，本发明一种发电并网中电网电压相位检测的锁相方法的流程图，基于上述锁相环电路，所述方法包括：

步骤21，同步变压器取样电路对电网电压相位信号进行取样；其中滤除电网中和发电系统中的高频干扰分量后对电网电压的相位信号进行采样；

步骤22，相位补偿电路接收到同步变压器取样电路取样获得的电网电压相位信号后，补偿取样获得的所述电网电压的相位信号的延时；

步骤23，信号放大电路接收到所述相位补偿电路进行补偿后的所述电网电压的相位信号后，对其进行放大；

步骤23，比较输出电路接收到信号放大电路输出的放大信号后，将所述电网电压的的相位在过零时的上升沿和180度时的下降沿输出，给出电网电压零相位时的上升沿和180度时的下降沿，从而利用该电路的输出控制并网电流的角度，实现对电网电压的准确跟踪。

本发明采用同步变压器和运放电路构成锁相环，避免了复杂的电压采样调理电路，免去了模拟数字转换电路，电路结构简单，稳定性高，且成本低。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路，其特征在于，包括：

同步变压器取样电路，用于对电网电压相位信号进行取样；

相位补偿电路，与所述同步变压器取样电路连接，用于补偿取样的所述电网电压的相位信号的延时；

信号放大电路，与所述相位补偿电路连接，用于对所述电网电压的相位信号进行放大；

比较输出电路，与所述信号放大电路连接，用于给出所述电网电压的零相位时的上升沿和180度时相位的下降沿；

所述同步变压器取样电路包括变压器副边三相中的一相和低通滤波电路，其中所述变压器的副边三相中的一相与所述低通滤波电路连接；

所述相位补偿电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第一稳压管和第二稳压管以及第一运算放大器，其中所述第一电阻与所述低通滤波电路中的电阻连接，第二电阻和第一电容并联后与所述第一电阻串联，以及第二电阻和第一电容并联后连接在所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，所述第一稳压管的阴极和第一运算放大器的反向输入端连接，所述第二稳压管的阴极与所述第一运算放大器的同向输入端连接，并且通过所述第三电阻接地，所述第一运算放大器的反向输入端接高电平。

2.如权利要求1所述的发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路，其特征在于，所述信号放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二运算放大器，其中所述第四电阻的一端与所述第一运算放大器的输出端连接、所述第四电阻的另一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接，所述第五电阻的一端与所述第二运算放大器的反向输入端连接、所述第五电阻的另一端和所述第二运算放大器的输出端连接，所述第六电阻的一端与所述第二运算放大器的同向输入端连接、所述第六电阻的另一端接地。

3.如权利要求2所述的发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路，其特征在于，所述比较输出电路包括第七电阻，第八电阻，第九电阻，第十电阻，第一二极管和第一比较器，其中所述第八电阻的一端与所述第一比较器的反向输入端连接、所述第八电阻的另一端接地；第七电阻的一端通过第九电阻与第一比较器的正向输入端连接，且第七电阻的所述一端通过第一二极管接地，第七电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接，第十电阻的一端连接于第一比较器的输出端，另一端接高电平。

4.如权利要求1所述的发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路，其特征在于，所述变压器的原边绕组分别与所述电网三相连接。

5.一种使用权利要求1所述的发电并网中电网电压相位检测的锁相环电路的锁相方法，其特征在于，包括：

同步变压器取样电路对电网电压相位信号进行取样；

相位补偿电路接收到同步变压器取样电路取样获得的电网电压相位信号后，补偿取样获得的所述电网电压的相位信号的延时；

信号放大电路接收到所述相位补偿电路进行补偿后的所述电网电压的相位信号后，对其进行放大；

比较输出电路接收到信号放大电路输出的放大信号后，将所述电网电压的的相位在过零时的上升沿和180度时的下降沿输出。

6.如利要求5所述的锁相方法，其特征在于，所述对电网电压相位信号进行取样包括：滤除电网中和发电系统中的高频干扰分量后对电网电压的相位信号进行采样。