CN102739085B - 逆变器锁相和相序识别的方法 - Google Patents

逆变器锁相和相序识别的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种逆变器锁相和相序识别的方法，包括：对输入的交流电进行波形限幅整形的波形限幅整形电路、用于相序检测和锁相的DSP控制芯片和连接在波形限幅整形电路与DSP控制芯片之间的电平转换电路。方法包括：判断电网的频率，以及相序的识别和锁相识别。本发明在原有的逆变器的基础上仅用波形限幅整形电路和电平转换电路，同时实现了相序的自动检测与锁相两种功能，解决了由于相序错误导致逆变器工作故障和完全软件锁相引起逆变器系统输出电流波形畸变的问题。

Description

逆变器锁相和相序识别的方法
技术领域
本发明涉及变流器领域，特别是一种需要并网的逆变器相序检测锁相装置及其基于该装置进行锁相和相序识别的方法。
背景技术
在逆变器实现并网之前，需要检测电网三相正弦波电压的相序，防止相序的接反影响逆变器的工作。在没有相序自动检测的逆变器中，需要在连接前确认相序的关系，防止出现相序错误。逆变器空间矢量调制的过程中需要通过锁相获得电网的电角度，用于坐标变换。传统的锁相方法如图8所示，它通过采样调理电路对电网电压进行采样，得到三相电网电压A,B和C，对三相电压进行dq变换，获得q轴上的电压分量uq,给定uqref为0，与实际q轴上的电压分量uq比较，误差进行PI调节获得电网频率ω，对其积分获得电角度θ。该锁相方法输入量为电网电压，当电网受到冲击或者有畸变时，该锁相方法将受到影响，导致逆变器输出电流的畸变，相序不能自动检测以及电压畸变等原因引起的锁相精度，将给逆变器的性能带来影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在原有逆变器的基础上，提供一种能够检测电网相序并同时测量电网电角度的装置及其基于该装置进行锁相和相序识别的方法。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的相序检测与锁相装置，包括与三相电网相连的、对输入的交流电进行波形整形的波形限幅整形电路和用于相序检测和锁相的DSP控制芯片，还包括连接在波形限幅整形电路与DSP控制芯片之间的电平转换电路。
三相电网与波形限幅整形电路相连，波形限幅整形电路连接电平转换电路，电平转换电路连接DSP控制芯片。
与现有的技术相比，本发明的逆变器相序检测与锁相装置能够实现并网逆变器的相序检测，同时能在电网电压畸变情况下准确测量电网电角度，实现高性能锁相功能。
作为本发明的一种改进，所述的波形限幅整形电路包括限幅电路与整形电路：
所述限幅电路分别由三个电阻分别和三个稳压二极管连接构成，其中，第一电阻的一端接入电网电压A,另一端与第一稳压二极管连接，第一稳压二极管输出电压信号a至整形电路；第二电阻的一端接入电网电压B,另一端与第二稳压二极管连接，第二稳压二极管输出电压信号b至整形电路；第三电阻的一端接入电网电压C,另一端与第三稳压二极管连接，第三稳压二极管输出电压信号至整形电路。
所述整形电路由三个放大器和用于其放大器输入隔离的两个电阻连接构成，其中，第四电阻的一端与第一稳压二极管相连，另一端与第一放大器正输入端连接；第五电阻的一端与第二稳压二极管连接，另一端与第一放大器的负输入端连接；第六电阻的一端与第二稳压二极管连接，另一端与第二放大器的正输入端连接；第七电阻的一端与第三稳压二极管连接，另一端与第二放大器的负输入端连接；第八电阻的一端与第三稳压二极管连接，另一端与第三放大器的正输入端连接；第九电阻的一端与第一稳压二极管连接，另一端与第三放大器的负输入端连接。
所述电平转换芯片的输入端与第一放大器输出端连接，输出端与DSP控制芯片的捕获引脚I/O_1连接；所述电平转换芯片的输入端还分别与第二放大器和第三放大器的输出端连接，输出端分别与DSP控制芯片的I/O_2和I/O_3连接。
限幅电路对三相电网电压A、B和C限幅，由电阻R1,R2,R3和稳压二极管D1,D2,D3组成，A、B和C电网电压通过该电路过后，三相电压将被限制在0至15V之间的电压信号ea,eb和ec；整形电路由第一放大器，第二放大器，第三放大器，和用于放大器输入隔离的电阻R4,R5,R6,R7，R8和R9组成。ea和eb经过电路R4,R5,和第一放大器整形，获得脉冲信号PULSE_AB;eb和ec经过电路R6,R7,和第二放大器整形，获得脉冲信号PULSE_BC;ec和ea经过电路R8,R9,和第三放大器整形，获得脉冲信号PULSE_CA。
作为本发明的一种改进，所述的电平转换芯片，将0—5V电平转换为0—3.3V的电平。
本发明的另一种技术解决方案是，提供一种锁相和相序识别的方法，该方法包括判断电网的频率，以及相序的识别和锁相识别。
将PLUSE_AB的脉冲信号输入到DSP控制器的捕获单元引脚，当为高脉冲的时候将触发DSP控制芯片的捕获中断，进行电网频率是否正常的判断；PULSE_AB，PULSE_BC，PULSE_CA输入到DSP控制器的I/O口，在DSP控制芯片的每个定时器中断读取I/O口的状态进行相序识别和电角度的锁相。通过DSP控制芯片实现上述功能，具体步骤如下：
判断电网频率的程序放置在DSP的捕获中断中，PULSE_AB电平由低变为高时将触发该中断；相序检测与锁相程序放置在DSP的定时器中断中。
设变量freq_flag用于表示电网频率是否正常，ORDER用于判断电网相序是正相序还是负相序；I/O_1,I/O_2和I/O_3分别组成一个数据字节的第2位、第1位和第0位，第一次读到的数据字节放入x1中，第二次读到的数据字节放入x2中，第三次读到的数据字节放到x3中,用θ表示电角度，设正相序PULSE_AB过零点电角度为θ1，负相序为θ2，STEP为每次定时中断电角度累加的步长。
（一）判断电网的频率是否在49—51Hz；
（二）相序的识别；
（三）锁相程序。
本发明的上述三个具体步骤将在具体实施方式中结合附图做详述。
本发明的相序识别和锁相技术与现有的技术相比，具有以下优点：
将相序识别和锁相功能统一到一个硬件，硬件设计简单可靠；相序识别和锁相程序均放在定时器中断执行，不影响逆变器进行矢量变换，即不增加系统软件执行的负担；锁相过程将硬件与软件结合，减少了对电网电压瞬时值的依赖，提高了系统锁相的精度，减少了电网电压不干净对并网电流的影响。
附图说明
图1是本发明的相序检测与锁相的结构示意图；
图2是本发明的相序检测与锁相的电路原理图；
图3是正相序电网脉冲和DSP读取字节时序图；
图4是负相序电网脉冲和DSP读取字节时序图；
图5是本发明的判断电网频率是否在正常范围内的程序流程图；
图6是本发明的电网相序检测与识别程序流程图；
图7是本发明的锁相程序流程图；
图8是现有技术作为锁相方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1和图2所示，本发明逆变器相序检测锁相装置，包括与三相电网相连的、对输入的交流电进行波形整形的波形限幅整形电路和用于相序检测和锁相的DSP控制芯片，还包括连接在波形限幅整形电路与DSP控制芯片之间的电平转换电路。三相电网与波形限幅整形电路相连，波形限幅整形电路连接电平转换电路，电平转换电路连接DSP控制芯片。
具体的实施例中，所述波形限幅整形电路由三个包括限幅电路和整形电路相连的电路构成。限幅电路对三相电网电压A,B和C限幅。
所述限幅电路分别由三个电阻R分别和三个稳压二极管D连接构成，其中，第一电阻R1的一端接入电网电压A,另一端与第一稳压二极管D1连接，第一稳压二极管D1的另外一端即为整形后的电压信号ea,该信号将输出至整形电路；第二电阻R2的一端接入电网电压B,另一端与第二稳压二极管D2连接，第二稳压二极管D2D2的另外一端即为整形后的电压信号eb,该信号将输出至整形电路；第三电阻R3的一端接入电网电压C,另一端与第三稳压二极管D3连接，第三稳压二极管D3另外一端与稳压二极管D3连接，D3的另外一端即为整形后的电压信号ec,该信号将输出至整形电路；电网电压A，B和C通过该电路限幅后，三相电压将被限制为0至15V之间的电压信号ea,eb和ec。
所述整形电路由三个放大器和用于其放大器输入隔离的两个电阻R连接构成，其中，第四电阻R4的一端与第一稳压二极管D1相连，接收整形后的电压信号ea,另一端与第一放大器1正输入端连接，第五电阻R5的一端与第二稳压二极管D2连接，接收整形后的电压信号eb；另一端与第一放大器1的负输入端连接，输出整形后的脉冲信号PLUSE_AB；第六电阻R6的一端与第二稳压二极管D2连接，接收整形后的电压信号eb，另一端与第二放大器2的正输入端连接；第七电阻R7的一端与第三稳压二极管D3连接，接收整形后的电压信号ec,另一端与第二放大器2的负输入端连接；放大器2的输出端输出整形后的脉冲信号PLUSE_BC;第八电阻R8的一端与第三稳压二极管D3连接，另一端与第三放大器3的正输入端连接，接收整形后的电压信号ec；第九电阻R9的一端与第一稳压二极管D1连接，接收整形后的电压信号ea,另一端与第三放大器3的负输入端连接；放大器3的输出端输出整形后的脉冲信号PLUSE_CA;电压信号ea,eb和ec，经整形电路后获得电压脉冲信号PLUSE_AB,PLUSE_BC和PLUSE_CA。
所述电平转换芯片的输入端与第一放大器1输出端连接，将PLUSE_AB换为3.3V的电压信号，输出端与DSP控制芯片的捕获引脚和I/O_1连接；输出端与DSP的捕获引脚和I/O_1连接；电平转换芯片的输入端与放大器2连接，将PLUSE_BC换为3.3V的电压信号，输出端与I/O_2连接；电平转换芯片的输入端与放大器3连接，将PLUSE_CA换为3.3V的电压信号，输出端与I/O_3连接。
图3和图4给出了正负相序情况下，PLUSE_AB,PLUSE_BC,PLUSE_CA一个周期电平变化时序，I/O_1,I/O_2,I/O_3读到的逻辑高低，以及将I/O_1作为字节的第2位,I/O_2作为字节的第1位,和I/O_3作为字节的第0位情况下，DSP读取到的字节数据。当电压信号ea大于电压信号eb时，放大器1的输出端PLUSE_AB输出高电平，反之将输出低电平；当电压信号eb大于电压信号ec时，放大器2的输出端PLUSE_BC输出高电平，反之将输出低电平；当电压信号ec大于电压信号ea时，放大器3的输出端PLUSE_CA输出高电平，反之将输出低电平；当为正相序的时候，一个时序周期内，DSP读取到的字节数据分别为5、4、6、2、3、1；当为负相序时，读取的字节数据为6、4、5、1、3、2，通过连续读取三个不同字节数据，判断该三个字节输入上面序列的哪一种，即可以判断电网电压的正负相序。
请参阅图5、图6、图7，锁相和相序识别的方法如图所示,包括以下步骤：
判断电网频率的程序放置在DSP的捕获中断中，PULSE_AB电平由低变为高时将触发该中断；相序检测与锁相程序放置在DSP的定时器中断中。
设变量freq_flag用于表示电网频率是否正常，ORDER用于判断电网相序是正相序还是负相序；I/O_1,I/O_2和I/O_3分别组成一个数据字节的第2位、第1位和第0位，第一次读到的数据字节放入x1中，第二次读到的数据字节放入x2中，第三次读到的数据字节放到x3中,用θ表示电角度，设正相序PULSE_AB过零点电角度为θ1，负相序为θ2，STEP为每次定时中断电角度累加的步长。
（一）判断电网的频率是否在49—51Hz，参见图5，具体步骤如下：
(1)进入DSP控制芯片的捕获中断；
(2)设置捕获定时器计数值为0；
(3)读取捕获寄存器的值n；
(4)根据捕获定时器频率ft,得到采集到的电网频率为f=ft/n；
(5)根据计算得到的f判断电网频率是否在49—51Hz,如果是则设置freq_flag为1，否则设置freq_flag为0；
(6)根据计算得到的频率计算正相序电网PULSE_AB过零点时的电网电角度θ1和负相序电网PULSE_AB过零点时的电网电角度θ2，结束中断。
（二）相序的识别，参见图6，具体步骤如下：
(1)、进入到相序识别程序；
(2)、如果freq_flag等于1，进入下一步，如果freq_flag等于0，结束本函数；
(3)、读取I/O_1,I/O_2,I/O_3的数据，组成一个字节,如果该字节与X1相同则结束本函数，否则将X2的数据放入X3,X1的数据放入X2，将该字节保存在变量X1中；
(4)、判断X1,X2,X3是哪种相序，如果为正相序则ORDER设置为1，如果是负相序设置ORDER为2，否则设置为0，结束本函数。
（三）锁相的具体步骤如下，参见图7所示：
(1)进入到锁相程序；
(2)θ累加一步，即θ=θ+STEP；
(3)如果θ大于360度，θ=θ-360；如果θ小于0度，θ=θ+360；
(4)读取I/O_1状态，判断是否过零，如果没有过零则结束锁相程序，否则进入下一步；
(5)如果为正相序，即ORDER=1，一个周期获得的电角度误差为Δθ=θ1-θ，根据Δθ，采用PID控制的方法对STEP进行调节；
(6)、如果为负相序，即ORDER=2，一个周期获得的电角度误差为Δθ=θ2-θ，
根据Δθ，采用PID控制的方法对STEP进行调节，结束本程序。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种逆变器锁相和相序识别的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（一）判断电网的频率是否在49—51Hz；
（二）相序的识别；
（三）锁相程序；
所述步骤（一）中，判断电网的频率包括下述步骤：
(1)进入DSP控制芯片的捕获中断；
(2)设置捕获定时器计数值为0；
(3)读取捕获寄存器的值n；
(4)根据捕获定时器频率ft,得到采集到的电网频率为f=ft/n；
(5)根据计算得到的f判断电网频率是否在49—51Hz范围内,如果是则设置freq_flag为1，否则设置freq_flag为0；
(6)根据计算得到的频率计算正相序电网脉冲信号PULSE_AB过零点时的电网电角度θ1和负相序电网PULSE_AB过零点时的电网电角度θ2，结束中断；
所述步骤（二）中，相序的识别包括下述步骤：
(1)进入到相序识别程序；
(2)如果freq_flag等于1，进入下一步，如果freq_flag等于0，结束本程序；
(3)读取捕获引脚I/O_1,捕获引脚I/O_2,捕获引脚I/O_3的数据，组成一个字节,如果该字节与变量X1相同则结束本程序，否则将变量X2的数据放入变量X3,X1的数据放入X2，将该字节保存在变量X1中；
(4)判断X1,X2,X3是哪种相序，如果为正相序则ORDER设置为1，如果是负相序设置ORDER为2，否则设置为0，结束本程序；
所述步骤（三）中，锁相包括下述步骤：
(1)进入到锁相程序；
(2)电角度θ累加一步，即θ=θ+STEP；
(3)如果电角度θ大于360度，θ=θ-360；如果θ小于0度，θ=θ+360；
(4)读取I/O_1状态，判断是否过零，如果没有过零则结束锁相程序，否则进入下一步；
(5)如果为正相序，即ORDER=1，一个周期获得的电角度误差为Δθ=θ1-θ，根据Δθ，采用PID控制的方法对STEP进行调节；
(6)如果为负相序，即ORDER=2，一个周期获得的电角度误差为Δθ=θ2-θ，根据Δθ，采用PID控制的方法对STEP进行调节，结束本程序。
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