CN102937672B - 一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置，该检测方法包括：对三相交流电压值进行瞬时值采样、对采样后的三相交流电压值进行Clarke变换，并在u_α的过零周期进内对u_β瞬时值进行正负判断，进而确定三相交流电的相序。该检测装置包括三相交流电采样电路、处理器和显示模块。本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置，该检测方法相比于角频率检测法更简单方便，检测结果准确，不需要同步旋转坐标变换所需的相位角，基于Clarke变换即可实现三相交流电压到两相交流电压的变换。并且本发明的相序检测装置可以无成本集成到并网变频器或变流器等设备的控制系统中。

Description

一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置

技术领域

本发明适用于三相交流电领域的并网装置和设备，具体涉及一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置。

背景技术

三相交流电的相序对三相电机和并网变流器等电压型设备的正常运行起着决定性作用。当三相交流电负序连接电机时，会导致电机倒转，比如电梯、机床和升降机，三相负序连接启动时电机反转，极可能会造成人生财产安全。另外，很多并网型设备需要依赖电网电压的相位来启动和运行，如光伏并网逆变器、风电并网变流器等，当接入三相交流电的相序为负序时，变流器在相序不做调节的情况下难以顺利并网运行。因此对所接入的三相交流电的相序检测在这些情况下就显得尤为重要。

通过相关专利检索发现，目前的三相交流电的相序检测主要分为直接对每相交流电进行独立检测和基于同步旋转坐标系的角频率检测。直接对每相交流电进行独立检测基本属于纯硬件检测，需要特定的电路、开关以及其他显示设备，但是这些设备集成到并网变流器和变频器等设备的控制系统中会增加不少成本，例如公开号为CN1114750、CN1050444的专利。此外，基于同步旋转坐标系的角频率检测是通过判断角频率的正负来验证接入的三相交流电是正序还是负序，如公开号为CN1387048、CN101320063的专利。但是用该方法判断角频率的前提是同步坐标变换的相位必须准确，当所提供的同步坐标变换的相位失误时，该方法将会造成误判或者检测滞后。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置。

本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法，包括以下几个步骤：

步骤一：对三相交流压值进行瞬时值采样；

步骤二：对采样后的三相交流电压值进行Clarke变换，将三相交流电的A相、B相、C相电压变换为两相交流电压u_α和u_β；

步骤三：选定Clarke变换后两相交流电压中u_α瞬时值由正值变为负值时的过零周期，在该过零周期内若u_β值为正值，则接入的三相交流电为正序交流电；若该过零周期内u_β值为负值，则接入三相交流电为负序交流电。

所述的步骤二中Clarke变换的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

其中，u_A表示三相交流电中A相电压、u_B表示三相交流电中B相电压、u_C表示三相交流电中C相电压，u_α和u_β表示Clarke变换后的两相交流电压。

所述步骤三中过零周期为u_α瞬时值由正值变为负值时，零点值前1/4交流电压周期至零点值后1/4交流电压周期。

所述的步骤三中过零周期为u_α瞬时值由正值变为负值时，零点值前1/8交流电压周期至零点值后1/8交流电压周期。

本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测装置，该相序检测装置包括：三相交流电采样电路、处理器和显示模块，该处理器包括Clarke变换模块和过零判断模块；所述的三相交流采样电路用于对三相交流电进行电压值实时采样，所述的Clarke变换模块用于将实时采样后的三相交流电压转变为两相交流电压u_α、u_β；所述的过零判断模块是根据u_α过零周期内u_β的正负来判断三相交流电的正负序情况，所述的显示模块用于显示过零判断模块得出的三相交流电的正负序结果。所述的三相交流采样电路为AD电压采样模块。

本发明具有的优点在于：本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置，该检测方法相比于角频率检测法简单方便，检测结果准确，不需要同步旋转坐标变换所需的相位角，基于Clarke变换，实现三相交流电压到两相交流电压的变换，实现过程简单方便，并且本发明的相序检测装置可以无成本集成到并网变频器或变流器等设备的控制系统中，如变流器、逆变器、整流器、变频器、无功补偿设备和谐波补偿设备的并网相序判断和调节等。

附图说明

图1为三相交流电相序为正序时的波形；

图2为三相交流电相序为负序时的波形；

图3为三相交流电相序为正序时经Clarke变换后u_α、u_β的波形关系；

图4为三相交流电相序为负序时经Clarke变换后u_α、u_β的波形关系；

图5为本发明提供的用于并网设备的三相交流电相序检测装置的硬件模块结构示意图；

图6为本发明提供的用于并网设备的三相交流电相序检测装置的硬件模块结构详细示意图。

图中：1-相序检测装置；      2-三相交流电；  11-三相交流采样电路；

      111-AD电压采样模块；  12-处理器；     1201-Clarke变换模块；

      1202-过零判断模块；   13-显示模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。

本发明提供一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法及其检测装置，可无成本集成到并网变频器或变流器等设备的控制系统中，并且该检测方法相比角频率检测法更加简单准确。本发明可以克服现有技术中对三相交流电相序检测方法和设备的不足，不需要同步旋转坐标变换所需的相位角。该发明基于Clarke变换，即三相交流电到两相交流电的变换，然后通过两相交流电过零点周期的数值分析来判断三相交流电相序的正负。

本发明提出的一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对三相交流电压值进行瞬时值采样；

步骤二：对采样后的三相交流电压值进行Clarke变换，将三相交流电的A相电压u_A、B相电压u_B、C相电压u_C变换为两相交流电压u_α和u_β。

当u_A、u_B、u_C为正序接入时，即相邻两相相位差为+120°，如图1所示，则有：

u_A＝V_m sin(ωt)

$u_B=V_m\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$u_C=V_m\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

上式中V_m表示三相交流电的电压峰值(电压幅值)，ω表示角频率，t表示时间，对u_A、u_B、u_C进行Clarke变换，得到两相交流电压u_α和u_β分别为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ -V_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ V_m\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right]$

当u_A、u_B、u_C为负序接入时，即相邻两相相位差为-120度，如图2所示，则有

u_A＝V_m sin(ωt)

$u_B=V_m\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$u_C=V_m\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

对u_A、u_B、u_C进行Clarke变换，得到两相交流电压u_α和u_β分别为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ -V_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ V_m\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right]$

可见，当三相交流电为正序接入时，两相坐标系下的电压值u_α超前u_β90°，如图4所示。当三相交流电为负序接入时，两相坐标系下的电压值u_β超前u_α为90°，如图3所示。因此当三相交流电接入的相序不同时，Clarke变换后u_α和u_β的相位关系也就不同，根据步骤三判断u_α和u_β的相位关系，从而确定三相交流电的相序是正序还是负序。

步骤三：选定Clarke变换后两相交流电压中u_α瞬时值由正值变为负值时零点值附近的几个采样值为过零周期，该过零周期的范围优选为u_α瞬时值由正值变为负值时零点值前1/4交流电压周期至零点值后1/4交流电压周期；该过零周期进一步优选为u_α瞬时值由正值变为负值时零点值前1/8交流电压流周期至零点值后1/8交流电压周期。在该过零周期内若u_β平均值均为正值，则说明接入三相交流电为正序交流电，如图4所示；若该过零周期内u_β平均值均为负值，则说明接入三相交流电为负序交流电，如图3所示。优选的，可以在过零周期内根据数值采样频率取10到50个u_β瞬时值，并计算u_β的平均值，通过判断该u_β的平均值的正负来得出三相交流电的正负序。当接入并网设备的三相交流电为负序时，需要互换三相交流电的任意两相后并网设备才能正常工作。

本发明提供一种用于实现上述用于并网设备的三相交流电相序检测方法的相序检测装置，如图5所示，该相序检测装置1包括：三相交流电采样电路11、处理器12和显示模块13，该处理器12包括Clarke变换模块1201和过零判断模块1202，如图6所示。其中三相交流采样电路11连接三相交流电2，对三相交流电2的电压值进行实时采样，该三相交流采样电路11优选为AD电压采样模块111，将采样后的三相电电压值传送至处理器12的Clarke变换模块1202中，Clarke变换模块1202将三相交流电的电压转变为两相交流电压，转变后的两相交流电压经过过零判断模块1202的判断，得出该三相交流电2的正负序情况，并将判断后的三相交流电2的正负序判断结果输出至显示模块13显示。过零判断模块1202具体判断方法为：判断u_α瞬时值由正值变为负值时，在过零点附近的过零周期内u_β瞬时值的正负，进而达到三相交流电的相序判断。

本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种用于并网设备的三相交流电相序检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：对三相交流电压值进行瞬时值采样；

步骤二：对采样后的三相交流电压值进行Clarke变换，将三相交流电的A相、B相、C相电压变换为两相交流电压u_α和u_β；

步骤三：选定Clarke变换后两相交流电压中u_α瞬时值由正值变为负值时的过零周期，在该过零周期内若u_β值为正值，则接入的三相交流电为正序交流电；若该过零周期内u_β值为负值，则接入三相交流电为负序交流电。

2.根据权利要求1所述的用于并网设备的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述的步骤二中Clarke变换的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

其中，u_A表示三相交流电中A相电压、u_B表示三相交流电中B相电压、u_C表示三相交流电中C相电压，u_α和u_β表示Clarke变换后的两相交流电压。

3.根据权利要求1所述的用于并网设备的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述步骤三中过零周期为u_α瞬时值由正值变为负值时，零点值前1/4交流电压周期至零点值后1/4交流电压周期。

4.根据权利要求1所述的用于并网设备的三相交流电相序检测方法，其特征在于，所述的步骤三中过零周期为u_α瞬时值由正值变为负值时，零点值前1/8交流电压周期至零点值后1/8交流电压周期。

5.一种用于并网设备的三相交流电相序检测装置，其特征在于，该相序检测装置包括：三相交流电采样电路、处理器和显示模块，该处理器包括Clarke变换模块和过零判断模块；所述的三相交流采样电路用于对三相交流电进行电压值实时采样，所述的Clarke变换模块用于将实时采样后的三相交流电压转变为两相交流电压u_α、u_β；所述的过零判断模块是根据u_α过零周期内u_β的正负来判断三相交流电的正负序情况，所述的显示模块用于显示过零判断模块得出的三相交流电的正负序结果。

6.根据权利要求5所述的用于并网设备的三相交流电相序检测装置，其特征在于，所述的三相交流采样电路为AD电压采样模块。