CN102136716A - 一种基于锁相环技术的电网频率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，使用软件锁相环的算法跟踪电网角度，在锁相环每个调节周期记录下锁相环环节调整的角度，将此角度在一个电网周期内累加得到一个电网周期内的调整角度值θ₀，通过θ₀和当前的锁相环采样频率f_s计算得到当前的电网频率f_grid。本发明可以有效解决电网电压过欠频保护的问题，同时能够提高软件锁相环的跟踪质量。

Description

一种基于锁相环技术的电网频率检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，属于新能源发电控制系统的技术领域。

背景技术

并网逆变器技术的相关国家标准规定：逆变器交流输出端频率的允许偏差为±0.5Hz，电网额定频率为50Hz。当逆变器交流输出端电压的频率超出这个频率范围时，逆变器应在0.2s内停止向电网供电。这就要求逆变器能够在50Hz的频率点附近能够精确且快速地检测到频率的微小变化。

目前常用的电网频率检测方法通过检测电网电压两个过零点之间的时间并由此计算得到当前的电网频率，可以采用硬件过零点检测法或者由锁相环检测电网电压零点，其中锁相环(Phase Lock Loop，PLL)技术是较常用的电网角度检测方法。但是，当电网频率变化0.1Hz时(如由50.5Hz变化到50.6Hz)，电网周期的时间差值仅为39us，而硬件过零点检测法通常需要在电网电压过零处使用过零滞环比较器，常规的软件锁相环算法每一个采样周期的间隔通常要在50us至100us，因此，采用常规的过零点频率检测法误差较大，较难做到精确且快速实现电网电压过欠频的保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，使用软件锁相环的算法跟踪电网角度，在锁相环每个调节周期记录下锁相环环节调整的角度，将此角度在一个电网周期内累加得到一个电网周期内的调整角度值θ₀，通过θ₀和当前的锁相环采样频率f_s计算得到当前的电网频率f_grid。根据上诉的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，控制步骤如下：

(1)锁相环在一个电网周期内的采样次数为N次，采样频率为f_s，当电网频率有变化时调节采样频率f_s，使一个电网周期内的采样次数固定为N次，其中N可以选择为256；

(2)采样电网电压U_gsinθ以及电网电压的余弦值U_gcosθ，计算其中θ为电网电压实际角度，U_g为电网电压峰值，

为锁相环跟踪的电网电压角度；

(3)将U_q作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为跟踪角度误差Δθ_i，计算锁相环跟踪的电网电压角度

每隔一个电网周期将N次锁相环跟踪角度误差累加，得到一个电网周期内的锁相环频率误差角度总和

(4)由θ₀、N和f_s每隔一个电网周期计算当前的电网频率f_grid，其中

如果f_grid超过允许范围，系统停机报错；否者调节f_s＝f_grid*N，使一个电网周期中采用次数固定为N。

上述的一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，所述步骤(2)中的电网电压U_gsinθ由实际电网电压经调理电路调理后采样获得；电网电压的余弦值U_gcosθ由实际电网电压经移相电路移相90度，并由调理电路调理后采样获得，或者将电网电压U_gsinθ的采样值存储在内存中，通过超前90度查表获得。

本发明具有如下显著优点：本发明涉及的算法能够根据锁相环误差调节锁相环采样频率f_s，从而提高锁相环跟踪性能并精确检测电网频率的变化，实现电网过欠频保护。本发明适用于各种并网逆变器的电网频率检测，具有检测速度快、稳定性好、算法简单等特点。

附图说明

图1是本发明的基于锁相环技术的电网频率检测方法控制框图。

图2是本发明的系统控制流程图。

图3是本发明的锁相环跟踪波形示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，其控制步骤所下：

步骤1：如图1，在频率为f_s中断中，采样电网的瞬时电压U_gsinθ并储存在内存的相应表格，如果当前为整个电网周期中的第i次采样，查表读取第(i-N/4)次电网电压值并取反得到U_gcosθ，读取锁相环跟踪的电网角度

计算 $U_q=U_g\sin \mathrm{\θ}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}-U_g\cos \mathrm{\θ}\sin \widehat{\mathrm{\θ}}.$

步骤2：将U_q作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为跟踪角度的调节量Δθ_i。将锁相环跟踪的电网角度更新，

将θ₀更新，θ₀＝θ₀+Δθ_i。

步骤3：当锁相环计算满N次后，读取θ₀计算当前的电网频率f_grid， $f_{\mathrm{grid}}=(1+\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{360})\frac{f_s}{N}.$

步骤4：如图2所示，判断电网是否过欠频，如果电网过或欠频，立即停止并网并报警；如果电网频率正常，则更新f_s，f_s＝f_grid*N。例如电网频率为50.1Hz，一个电网周期内的采样次数N＝256，则f_s＝12.8256kHz。可以设置微处理器的定时器中断或PWM中断，使锁相环的采样频率为12.8256kHz。初始时f_s按照50Hz设置，当电网频率在50Hz周围波动时，通过上述方法实时地改变f_s可以改善锁相环的性能。

图3是锁相环跟踪电网角度的示意图，图中上面的波形是电网电压采样的波形，下面的波形是锁相环跟踪的电网角度。

应当理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

本发明的电网频率检测的原理简述如下：

锁相环采样频率为f_s，假设电网当前频率为f_grid，则在锁相环N次采样时间内实际电网运行的角度为：

θ_N＝N*f_grid*360°/f_s                    (1)

锁相环在N次采样时间内跟踪的角度由两部分累加构成：一部分是每个采样周期以固定步长(/Δθ＝360°/N)累加，另一部分是每个采样周期中由锁相环PI调节器输出的角度误差Δθ_i的累加：

锁相环稳定后，锁相环跟踪角度等于电网的角度，即

由式(1)和式(2)化解得：

$f_{\mathrm{grid}}=(1+\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{360})\frac{f_s}{N}---\left(3\right)$

由上式可知，利用锁相环进行电网频率检测时，每隔N个采样周期将锁相环PI调节器输出的角度误差进行累加，然后根据式(3)计算获得。

Claims (2)

1.一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，其特征在于控制步骤如下：

(1)锁相环在一个电网周期内的采样次数为N次，采样频率为f_s，当电网频率有变化时调节采样频率f_s，使一个电网周期内的采样次数固定为N次，其中N可以选择为256；

(2)采样电网电压U_gsinθ以及电网电压的余弦值U_gcosθ，计算其中θ为电网电压实际角度，U_g为电网电压峰值，

为锁相环跟踪的电网电压角度；

(3)将U_q作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为跟踪角度误差Δθ_i，更新锁相环跟踪的电网电压角度

每隔一个电网周期将N次锁相环跟踪角度误差累加，得到一个电网周期内的锁相环频率误差角度总和

(4)由θ₀、N和f_s每隔一个电网周期计算当前的电网频率f_grid，其中如果f_grid超过允许范围，系统停机报错；否者调节f_s＝f_grid*N，使一个电网周期中采用次数固定为N。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁相环技术的电网频率检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中的电网电压U_gsinθ由实际电网电压经调理电路调理后采样获得；电网电压的余弦值U_gcosθ由实际电网电压经移相电路移相90度，并由调理电路调理后采样获得，或者将电网电压U_gsinθ的采样值存储在内存中，通过超前90度查表获得。

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