CN102709927B - 一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法，包括：初始化A相电网电压u_a第一个周波的频率为50Hz；然后设定u_a其他周波的频率均为通过过零点检测电路检测到的u_a的上一周波的频率，若检测到此频率异常，则发出频率故障报警信号；若检测到此频率正常，则通过u_a当前周波的频率与相应的计数器时间△t相乘及相关简单运算即得到A相电网电压u_a的相位角θ_A，进而得到三相平衡电网的相位角θ_ABC。该数字锁相方法动态逐周波刷新、快速准确并且稳定可靠。

Description

一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法

技术领域

本发明涉及三相电网控制技术应用领域，具体涉及一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法。

背景技术

目前，应用于三相电网中的锁相方法一般是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成的相位闭环控制方法，当闭环调节到稳态时，输出信号和输入信号的相位、频率即实现同步。该锁相方法主要有以下几个缺点：(1)锁相环跟踪方式本质上是一种有差跟踪，通过相位差实现相位跟踪，特别是在锁相环路的增益调节不恰当时其跟踪误差更为明显；(2)同步响应速度慢。锁相环存在跟踪延迟，不能实时跟踪相位变化，当频率或相位变化较大时需要一定时间才能跟踪相位变化；(3)若采用硬件方式实现此锁相方法，将需要设计较为复杂的硬件电路，同时还需解决一些硬件上较难处理的问题，如直流零点漂移、器件饱和、初始校准等；若采用软件方式实现这种锁相方法，计算将较为复杂，实时性较差，同时系统可靠性也较差。

因此，如何保证快速精确地实现锁相，同时保证锁相的稳定可靠，是三相电网锁相技术的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法，实现三相平衡电网的动态逐周波刷新、快速准确并且稳定可靠等功能。

本发明首先初始化A相电网电压u_a第一个周波的频率为50Hz；然后设定u_a其他周波的频率均为通过过零点检测电路检测到的u_a的上一周波的频率，若检测到此频率异常，则发出频率故障报警信号；若检测到此频率正常，则通过u_a当前周波的频率与相应的计数器时间△t相乘及相关简单运算即得到A相电网电压u_a的相位角θ_A，进而得到三相平衡电网的相位角θ_ABC。

本发明提供的一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）通过过零检测电路检测A相电网电压u_a的过零点上升沿脉冲信号u_ap，且将u_ap送入数字处理器；

（2）初始化计数值k＝2，k为自然数且k≥2，给定A相电网电压u_a的初始频率f₀=50Hz；

（3）检测到第一个过零点上升沿脉冲信号u_ap(1)时，设定所述过零点时刻为T(1)，计数器时间△t清零且从0开始计时；

（4）第二个过零点上升沿脉冲信号u_ap(2)到的前一时刻，判断计数器时间△t：若0≤Δt＜设定值1，则计算角度θ₁、A相电网电压u_a的相位角θ_A和三相平衡电网的相位角θ_ABC，并进入步骤（5）；若Δt≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；

（5）当第二个过零点上升沿脉冲信号u_ap(2)到达后，设定此过零点时刻为T(2)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若（T(2)-T(1)）≥设定值2，则计算角度θ₂、A相电网电压u_a的相位角θ_A和三相平衡电网的相位角θ_ABC，并进入步骤（6）；若（T(2)-T(1)）＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号；

（6）计数值加1，即取k=k+1，当第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到的前一时刻，n为自然数且n=k，判断计数器时间△t：若0≤Δt＜设定值1，则继续检测直到第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到；若Δt≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；当第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到时，设定此过零点时刻为T(n)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若(T(n)-T(n-1))≥设定值2，则计算角度θ₂、A相电网电压u_a的相位角θ_A和三相平衡电网的相位角θ_ABC，并循环此步骤；若（T(n)-T(n-1))＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号。

其中，所述角度θ₁的计算公式为：

θ₁＝2πf₀Δt                                            （1）

其中，所述角度θ₂的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}\frac{1}{T\left(k\right)-T(k-1)}\mathrm{\Δt},k=2,\mathrm{3,4}\·\·\·\·\·\·---\left(2\right)$

其中，所述A相电网电压u_a的相位角θ_A的计算公式为

${\mathrm{\θ}}_A=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_1,2\mathrm{\π})\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_2,2\mathrm{\π})\end{array}---\left(3\right)\right.$

其中，mod(θ₁,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之前的相位角值；mod(θ₂,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之后的相位角值；mod为求余函数，θ_A的单位为rad。

其中，所述三相平衡电网的相位角θ_ABC的计算公式为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ABC}}=\frac{180\×{\mathrm{\θ}}_A}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

式(4)中θ_ABC的单位为度。

其中，所述设定值1为三相平衡电网电压欠频保护阈值的倒数。

其中，所述设定值2为三相平衡电网电压过频保护阈值的倒数。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

（1）动态逐周波刷新。由于本发明方法首先初始化A相电网电压u_a第一个周波的频率为50Hz；然后设定u_a其他周波的频率均为通过过零点检测电路检测到的u_a的上一周波的频率，因此保证了每个工频周期所检测到的三相平衡电网的频率和相位均动态刷新一次，没有累积误差，能更好地动态跟踪当前电网电压的频率变化。

（2）快速准确。由于目前应用于三相电网中的锁相方法一般是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成的相位闭环控制方法，只有当闭环调节到稳态时，输出信号和输入信号的相位、频率才可能实现同步；另外由于此种相位闭环控制方法是通过相位差实现相位跟踪，其本质上是一种有差跟踪，特别是在锁相环路的增益调节不恰当时其跟踪误差更为明显，因此此闭环控制方法的准确性较难保证。而本发明方法实际上是一种开环控制，通过设定A相电网电压u_a当前周波的频率为通过过零点检测电路检测到的u_a的上一周波的频率，保证了每个工频周期所检测到的三相平衡电网的频率和相位均动态刷新一次，能实现快速锁相，并且由于采用数字处理器，如高性能的数字信号处理器DSP或者可编程逻辑门阵列FPGA等，来进行式(1)和式(2)的计算，只需将数字处理器的基准分频器的频率提高，即提高式(1)和式(2)中关键参数△t、T(k)、T(k-1)等的精度，就能提高角度θ_A的精度，最终提高所锁相得到的三相平衡电网的相位角θ_ABC的准确度。

（3）稳定可靠。本发明方法流程简单，仅为如式(1)、(2)、(3)和(4)所示的一些简单运算以及一些分值判断、跳转指令等，极大地提高了算法本身的实时性和可靠性；另外，通过引入对A相电网电压u_a频率异常情况的监测，判断其是否在设定值1到设定值2的范围之内，并相应发出故障报警信息，如步骤（6）中“若（T(n)-T(n-1))＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号”以及“若△t≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号”等，由此充分保证了该数字锁相方法的稳定可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法的流程图；

图2为本发明提供的采用本发明方法仿真时A相电网电压u_a波形；

图3为本发明提供的采用本发明方法仿真时通过过零检测电路检测到的A相电网电压u_a的过零点上升沿脉冲信号u_ap波形；

图4为本发明提供的采用本发明方法仿真时检测到的A相电网电压u_a的频率f波形；

图5为本发明提供的采用本发明方法仿真时计数器时间△t波形；

图6为本发明提供的采用本发明方法仿真时三相平衡电网的相位角θ_ABC波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例的思路为：首先初始化A相电网电压u_a第一个周波的频率为50Hz；然后设定u_a其他周波的频率均为通过过零点检测电路检测到的u_a的上一周波的频率，若检测到此频率异常，则发出频率故障报警信号；若检测到此频率正常，则通过u_a当前周波的频率与相应的计数器时间△t相乘及相关简单运算即得到A相电网电压u_a的相位角θ_A，进而得到三相平衡电网的相位角θ_ABC，实现对三相平衡电网的数字锁相。

本实施例提供的一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：

（1）通过过零检测电路检测A相电网电压u_a的过零点上升沿脉冲信号u_ap，且将u_ap送入数字处理器；

（2）初始化计数值k＝2，k为自然数且k≥2，给定A相电网电压u_a的初始频率f₀=50Hz；

（3）检测到第一个过零点上升沿脉冲信号u_ap(1)时，设定所述过零点时刻为T(1)，计数器时间△t清零且从0开始计时；

（4）第二个过零点上升沿脉冲信号u_ap(2)到的前一时刻，判断计数器时间△t：若0≤△t＜设定值1，则按式(1)计算角度θ₁、按式(3)计算A相电网电压u_a的相位角θ_A和按式（4）计算三相平衡电网的相位角θ_ABC，并进入步骤（5）；若△t≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；

本实施例的设定值1为三相平衡电网电压欠频保护阈值的倒数，本实施例取三相平衡电网电压欠频保护阈值为45Hz。

（5）当第2个过零点上升沿脉冲信号u_ap(2)到达后，设定此过零点时刻为T(2)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若(T(2)-T(1))≥设定值2，则计算角度θ₂、A相电网电压u_a的相位角θ_A和三相平衡电网的相位角θ_ABC，并进入步骤（6）；若(T(2)－T(1))＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号；

（6）计数值加1，即取k=k+1，当第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到的前一时刻，n为自然数且n=k，判断计数器时间△t：若0≤△t＜设定值1，则继续检测直到第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到；若△t≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；当第n个过零点上升沿脉冲信号u_ap(n)到时，设定此过零点时刻为T(n)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若(T(n)－T(n-1))≥设定值2，则计算角度θ₂、A相电网电压u_a的相位角θ_A和三相平衡电网的相位角θ_ABC，并循环此步骤；若(T(n)－T(n-1))＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号。此循环直至数字处理器发出频率故障报警信号时结束。

本实施例的设定值2为三相平衡电网电压过频保护阈值的倒数，本实施例取三相平衡电网电压过频保护阈值为55Hz。

其中，角度θ₁的计算公式为：（θ₁的单位为rad；）

θ₁＝2πf₀Δt                                        （1）

其中，角度θ₂的计算公式为：（θ₂的单位为rad；）

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}\frac{1}{T\left(k\right)-T(k-1)}\mathrm{\Δt},k=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\·\·\·---\left(2\right)$

其中，按式（3）计算得到A相电网电压u_a的相位角θ_A

${\mathrm{\θ}}_A=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_1,2\mathrm{\π})\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_2,2\mathrm{\π})\end{array}---\left(3\right)\right.$

其中，mod(θ₁,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之前的相位角值；mod(θ₂,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之后的相位角值；mod为求余函数，θ_A的单位为rad。

其中，由于是三相平衡电网，则三相平衡电网的相位角θ_ABC可由式(4)得到，θ_ABC的单位为°；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ABC}}=\frac{180\×{\mathrm{\θ}}_A}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

下面参照附图并结合Matlab/Simulink对某三相平衡电网数字锁相的仿真实例对本发明作进一步的详细描述。

本实施例设置三相平衡电网的频率为49.98Hz，仿真效果如图2-图6所示。图2为A相电网电压u_a波形，其频率为49.98Hz；通过过零检测电路检测到的A相电网电压u_a的过零点上升沿脉冲信号为u_ap，如图3所示；通过公式(1)和(2)所计算的A相电网电压u_a的频率f如图4所示，在u_a的第一个周波内，该发明方法默认为u_a的初始频率为50Hz，但是从u_a的第二个周波开始，就精确锁定u_a的频率为49.98Hz，和实际A相电网电压频率一致；图5为每个过零点上升沿脉冲信号到达后，计数器时间△t清零且从0开始计时的波形；图6为根据公式(1)～(4)得到的三相平衡电网的相位角θ_ABC，可见与A相电网电压u_a相位一致，即实现对三相平衡电网的数字锁相。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种适合于三相平衡电网的数字锁相方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）通过过零检测电路检测A相电网电压ua的过零点上升沿脉冲信号uap，且将uap送入数字处理器；

（2）初始化计数值k＝2，k为自然数且k≥2，给定A相电网电压ua的初始频率f0=50Hz；

（3）检测到第一个过零点上升沿脉冲信号uap(1)时，设定所述过零点时刻为T(1)，计数器时间△t清零且从0开始计时；

（4）第二个过零点上升沿脉冲信号uap(2)到的前一时刻，判断计数器时间△t：若0≤Δt＜设定值1，则计算角度θ1、A相电网电压ua的相位角θA和三相平衡电网的相位角θABC，并进入步骤（5）；若Δt≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；

（5）当第二个过零点上升沿脉冲信号uap(2)到达后，设定此过零点时刻为T(2)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若（T(2)-T(1)）≥设定值2，则计算角度θ2、A相电网电压ua的相位角θA和三相平衡电网的相位角θABC，并进入步骤（6）；若（T(2)-T(1)）＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号；

（6）计数值加1，即取k=k+1，当第n个过零点上升沿脉冲信号uap(n)到的前一时刻，n为自然数且n=k，判断计数器时间△t：若0≤Δt＜设定值1，则继续检测直到第n个过零点上升沿脉冲信号uap(n)到；若Δt≥设定值1，则数字处理器发出频率故障报警信号；当第n个过零点上升沿脉冲信号uap(n)到时，设定此过零点时刻为T(n)，计数器时间△t清零且从0开始计时，判断若(T(n)-T(n-1))≥设定值2，则计算角度θ2、A相电网电压ua的相位角θA和三相平衡电网的相位角θABC，并循环此步骤；若（T(n)-T(n-1))＜设定值2，则数字处理器发出频率故障报警信号；

所述角度θ1的计算公式为：

θ1＝2πf0Δt           （1）

所述角度θ2的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_2=2\mathrm{\π}\frac{1}{T\left(k\right)-T(k-1)}\mathrm{\Δt},k=\mathrm{2,3,4}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

所述A相电网电压ua的相位角θA的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_A=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_1,2\mathrm{\π})\\ \mathrm{mod}({\mathrm{\θ}}_2,2\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，mod(θ1,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之前的相位角值；mod(θ2,2π)表示当第二个过零点上升沿脉冲信号到来之后的相位角值；mod为求余函数，θA的单位为rad；

所述三相平衡电网的相位角θABC的计算公式为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ABC}}=\frac{180\×{\mathrm{\θ}}_A}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

式(4)中θABC的单位为度。

2.如权利要求1所述的数字锁相方法，其特征在于，所述设定值1为三相平衡电网电压欠频保护阈值的倒数。

3.如权利要求1所述的数字锁相方法，其特征在于，所述设定值2为三相平衡电网电压过频保护阈值的倒数。

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