CN102914687A - 一种精确计算电压或电流有效值的方法 - Google Patents

Abstract

一种精确计算电压或电流有效值的方法，属于大功率变流器技术领域。该方法无需采用过零点检测。在二维坐标系下，当单相电压的角度从0到2π连续变化时，电压的幅值也周期性地连续变化。此时在互成2π/3的abc三相坐标系下，三相电压变化一个周期相当于在dq坐标系下电压矢量旋转了2π.主程序每隔一定时间采集一次交流电压，同时主程序启动软件锁相环，根据采集到的电压瞬时值得出当前的电压矢量的角频率。因为电压的采集与锁相环角频率的输出是在同一个中断服务程序中进行，所以要判断一个周期内采样了多少个电压值可以通过计算电压矢量转过一个周期经过了多少步。优点在于，低成本、高精度、高可靠性。

Description

一种精确计算电压或电流有效值的方法

技术领域

本发明属于大功率变流器技术领域，特别是提供了了一种精确计算电压或电流有效值的方法。适用于通过锁定交流电压或电流的角频率并结合交流电压或电流值来计算其有效值。

技术背景

大功率电力电子变流技术是集半导体材料技术、电力电子技术、现代控制理论技术、电网技术及电力系统技术于一体的综合性技术，是当今发电领域尤其是新能源发电领域的研究热点之一。所以对变流器以及涉及到的其它设备进行保护，尤其是对操作人员的人身安全进行保护就显得尤为重要。而系统自身的过压或者过流保护一方面依据检测到的电压或者电流的瞬时值，另一方面依据检测到的电压或者电流的有效值。一般情况下，系统的硬件保护依据瞬时值，软件保护依据有效值。所以有效值计算的误差直接决定系统保护的精确性。如果有效值计算偏离过大或者延时过长，将会导致系统误保护或者不保护，进而造成系统损坏甚至人员伤亡。

所以有必要研究一种能精确计算电压或者电流的有效值的方法来满足要求。

现阶段，有效值的计算基本通过检测被测量过零点来实现。有的依靠硬件电路检测过零点，有的依靠软件检测过零点。而设计硬件电路不仅增加了成本，还要考虑硬件的电磁兼容性等问题。如果软件检测过零点则需要进行两个零点补偿，补偿不当会影响计算精度。而且当电压或者电流在零点处有波动时会造成有效值计算错误。

所以有必要研究一种低成本、高精度、高可靠性的方法，用于计算交流电压或电流的有效值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确计算电压或电流有效值的方法。该方法无需采用过零点检测。其原理介绍以计算交流电压有效值为例。

设三相交流电压对称且为正弦波，数学表达式为：

U_a=Asinω₀t；

U_b=Asin(ω₀t-2π/3)；

U_c=Asin(ω₀t+2π/3)；

上述三个公式中，U_a、U_b、U_c分别为交流A相、B相、C相电压的瞬时值；A为交流A相、B相、C相电压的最大值；ω₀为交流A相、B相、C相电压角频率；ω₀t为交流A相电压的角度，t为时间。

在二维坐标系下，当A相电压的角度ω₀t从0到2π连续变化时，A相电压的幅值也周期性地连续变化。同理，B相、C相的电压值也在周期性变化。此时在互成2π/3的abc三相坐标系下,三相电压变化一个周期相当于在dq坐标系下电压矢量以ω₀的角频率旋转了2π.而程序每隔一定时间采集一次交流电压，得到的交流电压的瞬时值,记为U_i，这里i的取值为1,2，…,nint；nint为一个周期内的采样点数。同时程序启动软件锁相环，根据采集到的电压瞬时值U_i得出当前的电压矢量的角频率，记为ω_i. ω_i是对上述角频率ω₀的反映。因为U_i的采集与ω_i的输出是在同一个中断服务程序中进行。所以要判断一个周期内采样了多少个电压值可以通过计算电压矢量转过一个周期经过了多少步。

根据文献以及实际情况可知软件锁相环输出的角频率ω_i会有一些谐波，比如基次，三次，五次，七次等谐波。虽然可以通过软件滤波器将其滤掉，但是软件滤波器要滤掉基次谐波需要的反应时间比较长，往往大于半个周期10ms.如果要求程序每隔10ms输出一个有效值，利用本发明所述的方法就会因为ω_i跟不上导致输出有效值误差较大。为了避免这种情况，该方法先对ω_i适当滤波，并且容许ω_i中含有幅值较小的基次，三次，五次，七次等谐波，滤波后的角频率,记为ω_i＇.

真实的电网的角频率基本是稳定的，但是滤波后的角频率ω_i＇因为叠加谐波的缘故而上下浮动。该方法可通过下列公式的迭代避免ω_i＇的浮动影响采样点数nint的精度。

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i^{\′}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δt}}$

上述公式中Δt为该计算所在的中断服务程序的时间间隔。因为该方法计算中所取的采样值是一个周期即20ms内的采样值，而角频率ω_i＇的迭代也是在一个周期即20ms中迭代，所以相当于将角频率取了平均值，将关于时间轴对称的基次，三次，五次，七次等谐波基本滤掉了。所以这样计算出来的nint的值可以反映真实的采样点数。

该方法是通过三个中断服务程序来实现的，即中断服务程序1、中断服务程序2、中断服务程序3. 所述的中断服务程序1、中断服务程序2、中断服务程序3可以为250us中断服务程序、10ms中断服务程序或1ms中断服务程序，但是不局限于此，可以按照需求通过定时器来配置。

该方法包括以下步骤。以下步骤所涉及到的符号在以上文字中都有定义。

步骤1，中断服务程序1中采样交流电压的瞬时值U_i，同时软件锁相环经过锁相输出电压角频率ω；

步骤2，中断服务程序1中，将U_i，ω_i放入双向链表构筑的缓冲区内；

步骤3，中断服务程序2中，对ω_i滤波，得到滤波后的电压角频率ω_i＇，并将其放入缓冲区内；

步骤4，中断服务程序3中，利用ω_i＇计算所需要的采样点数nint以及nint的补偿的小数部分，记为nfloat；

步骤5，中断服务程序3中，利用nint与nfloat以及U_i计算电压有效值,记为U_rms。

下面对步骤4作详细分析，该步骤又包括以下步骤。

(1)对ω_i＇迭代求和，计数器j自增直至满足下面公式。

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i^{\′}\≥\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δt}}$

(2)计算采样点数nint以及nint的补偿的小数部分nfloat.

若

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}<\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}$

则

nint=j-1

$\mathrm{nfloat}=1-\frac{\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}}{{\mathrm{\&omega;}}_j^{\&prime;}}$

若

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}$

则

nint=j

nfloat=0

 (3)计算总的点数，记为n.计算公式为 n=nint+nfloat.

下面对步骤5作详细分析。教科书中有效值的原始计算公式如下：

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\left[\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_i^2\right]}$

该公式说明每一个U_i所占的权重为1，即

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}\left[\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(1\&times;U_i^2)\right]}$

但是一般在U_n-1处，U_n-1所占的权重不是1而是小数。所以该方法利用上述步骤(2)中 nint的补偿的小数部分nfloat表示U_n-1所占的权重。变形后的有效值的计算公式为 $U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}[\underset{i=0}{\overset{\mathrm{nint}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U_i}^2+\mathrm{nfloat}\&CenterDot;{U_{\mathrm{nint}}}^2]}$ .

附图说明

图1为本发明所述的精确计算电压或电流有效值的方法的整体流程图。

图2为本发明所述的整体流程图中步骤4的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。所述的中断服务程序1、中断服务程序2、中断服务程序3以250us中断服务程序、10ms中断服务程序或1ms中断服务程序为例，但是不局限于此，可以按照需求通过定时器来配置。

如图1所示，本实施例采用下列步骤来实现电压有效值的计算。以下步骤所涉及到的符号在以上文字中都有定义。

步骤1，250us中断服务程序中，采样交流电压的瞬时值U_i，同时软件锁相环经过锁相输出电压角频率ω_i；

步骤2，250us中断服务程序中，将U_i，ω_i放入双向链表构筑的缓冲区内；

步骤3，1ms中断服务程序中，对ω_i滤波，得到滤波后的电压角频率ω_i＇，并将其放入缓冲区内；

步骤4，10ms中断服务程序中，利用ω_i＇计算所需要的采样点数nint以及nint的补偿的小数部分，记为nfloat；

所述的步骤4又包括以下步骤。

(1)对ω_i＇迭代求和，计数器j自增直至满足下面式子。

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}\&GreaterEqual;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}$

(2)计算采样点数nint以及nint的补偿的小数部分nfloat.

 若

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}>\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}$

 则

nint=j-1

$\mathrm{nfloat}=1-\frac{\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}}{{\mathrm{\&omega;}}_j^{\&prime;}}$

若

$\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_i^{\&prime;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Delta;t}}$

则

nint=j

nfloat=0

(3)计算总的点数，记为n.计算公式为：n=nint+nfloat.

步骤5，10ms中断服务程序中，利用n以及U_i计算出电压有效值,记为U_rms.

所述的步骤5计算电压有效值的公式为：

$U_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{n}[\underset{i=0}{\overset{\mathrm{nint}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U_i}^2+\mathrm{nfloat}\&CenterDot;{U_{\mathrm{nint}}}^2]}$ .

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例。比如该发明所述的方法还可用于计算交流电流有效值，而且所述的三个中断服务程序也不局限于250us、1ms、10ms。如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种精确计算电压或电流有效值的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）中断服务程序1中采样交流电压的瞬时值，记为U_i，表示第i次的采样值；同时软件锁相环经过锁相输出电压角频率，记为ω_i；

（2）中断服务程序1中，将U_i，ω_i放入双向链表构筑的缓冲区内；

（3）中断服务程序2中，对ω_i滤波，得到滤波后的电压角频率，记为ω_i＇，并将其放入缓冲区内；

（4）中断服务程序3中，利用ω_i＇计算所需要的采样点数，记为nint，并且计算 nint的补偿的小数部分，记为nfloat；

（5）中断服务程序3中，利用nint与nfloat以及U_i计算电压有效值,记为U_rms.

所述的中断服务程序1、中断服务程序2、中断服务程序3为250us中断服务程序、10ms中断服务程序、1ms中断服务程序。

2.根据权利要求1所述的精确计算电压或电流有效值的方法，其特征在于，步骤（4）包括以下步骤：

a、对缓冲区中的角频率ω_i＇，迭代求和，计数器j自增直至满足下面公式。

b、计算采样点数nint以及nint的补偿的小数部分nfloat.

若

则

nint=j-1

若

则

nint=j 

nfloat=0

c、计算总的点数，记为n.计算公式为 n=nint+nfloat。

3.根据权利要求1所述的精确计算电压或电流有效值的方法，其特征在于，步骤（5）中计算电压有效值的公式为：

。 

Images