CN104280610A - 一种锁相环机及其检测电网频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锁相环和锁相环检测电网频率的方法，所述方法包括以下步骤：采集电网的三相电压；根据所述电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；根据所述电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；根据所述电网电压的正弦值，电网电压的余弦值以及电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；根据所述电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。该方法可以提高锁相环的动态性能。

Description

一种锁相环机及其检测电网频率的方法

技术领域

本发明涉及供电设备领域，特别涉及一种锁相环及其检测电网频率的方法。

背景技术

近年来，在并网逆变器、整流器等设备中经常需要锁相环跟踪电网的频率，当电网频率变化时，锁相环可以快速地追踪电网的频率变化，否则控制系统会产生错误的控制信号，导致系统崩溃。当电网或者是交流信号源的频率变化速率较大时，锁相环很难实现频率的快速跟踪，因此，锁相环动态特性就受到一定的限制，为了提高锁相环的动态性能，常常是考虑先进行频率跟踪，然后依靠锁相环进行相位的跟踪，这样锁相环的动态特性会得到明显的提高。

目前，常用的锁相环检测电网频率的方法，首先通过硬件电路将交流信号整形成方波信号，然后用DSP等芯片捕获方波信号的上升压或者是下降沿，当检测到相邻两个上升沿或者下降沿之间的时间之后，就可以计算出电网的频率，但是这种方法存在的问题是：当电网的波形很差时，在过零点附近会出现多个过零的现象，导致硬件电路检测失常，那么此时计算电网的频率会产生很大的误差，从而导致硬件成本的增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种锁相环及其检测电网频率的方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案体是这样实现的：

一种锁相环检测电网频率的方法，所述方法包括以下步骤：

采集电网的三相电压；

根据所述电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；

根据所述电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

根据所述电网电压的正弦值，电网电压的余弦值以及电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

根据所述电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

一种锁相环，所述所述锁相环包括：

采集模块，用于采集电网的三相电压；

第一计算模块，用于根据所述采集模块中电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；

第二计算模块，用于根据所述第一计算模块中电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

第三计算模块，用于根据所述第一计算模块中电网电压的正弦值和电网电压的余弦值以及所述第二计算模块中电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

第四计算模块，用于根据所述第三计算模块中电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

由上述的技术方案可见，本发明提出了一种锁相环检测电网频率的方法，通过采集电网的三相电压U_a、U_b和U_c，而计算得到电网的频率值，不需要捕获方波信号的上升压或者是下降沿，那么就不会存在检测到的电网频率会产生很大误差的问题，从而提高锁相环的动态性能。另外，通过采用了线性插值算法和二分之一中点查表法结合得到电网电压的角度值，可以提高精度，减小计算误差，保证计算得到的电网频率的准确性。

附图说明

图1为本发明一实施例的锁相环检测电网频率的方法的流程图；

图2为本发明另一实施例的锁相环检测电网频率的方法的流程图；

图3为本发明一实施例的锁相环的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种实施例的锁相环检测电网频率的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S01，采集电网的三相电压U_a、U_b和U_c；

步骤S02，根据所述电网的三相电压U_a、U_b和U_c，得到电网电压的正弦值sinθ和电网电压的余弦值cosθ；

步骤S03，根据所述电网电压的正弦值sinθ和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

步骤S04，根据所述电网电压的正弦值sinθ，电网电压的余正弦值sinθ以及电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

步骤S05，根据所述电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

由上述的方法可见，通过采集电网的三相电压U_a、U_b和U_c，而计算得到电网的频率值，不需要捕获方波信号的上升压或者是下降沿，那么就不会存在检测到的电网频率会产生很大误差的问题，从而提高锁相环的动态性能。另外，通过采用了线性插值算法和二分之一中点查表法结合得到电网电压的角度值，可以提高精度，减小计算误差，保证计算得到的电网频率的准确性。

在步骤S03中，通过存储1/4周期的正弦值表，就可以得到电网电压的角度值，可以节省存储空间，此外，通过正弦表求取矢量角度要比用正切表求取矢量角度精确，因为正切值在正负90度时，正切值趋近于无穷大，只能限制正切值在正负57.29(对应角度-89～89度)的范围内求取，而正弦表求取没有这个限制。其次，当开关频率比较低时正切值的线性区比较小，只能在线性区很小的范围内求出矢量角度，而正弦表求取方式线性范围比正切范围大，使得求出矢量角度更精确。另外由于存储的正弦表是离散数据，计算精度会受到一定的限制，但是通过采用了线性插值算法和二分之一中点查表法结合得到电网电压的角度值，可以提高精度，减小计算误差，保证计算得到的电网频率的准确性。

在本发明的一实施例中，如图2所示，所述根据所述电网电压的正弦值sinθ和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值，具体包括：

步骤S031,对所述电网电压的正弦值sinθ进行绝对值计算，得到所述正弦值的绝对值；

步骤S032,根据所述正弦值的绝对值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值。

在本发明的一实施例中，如图2所示，所述步骤S02，具体包括以下步骤：

步骤S021，对所述电网的三相电压U_a、U_b和U_c进行3/2变换，得到两相电压值U_α、U_β和电压矢量模值Mod；

步骤S022，根据所述两相电压值U_α、U_β和电压矢量模值Mod，得到电网电压的正弦值sinθ和电网电压的余弦值cosθ。

在步骤S021中，所述3/2变换具体为在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b之间的变换，或者是三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，也就是说将三相电压等效为两相电压。

在步骤S022中，所述得到电网电压的正弦值sinθ和电网电压的余弦值cosθ的计算公式如下：

正弦值sinθ＝U_α/Mod；

余弦值cosθ-U_β/Mod。

在本发明的一实施例中，如图2所示，所述步骤S04，具体包括以下步骤：

步骤S041，根据所述电网电压的正弦值sinθ和电网电压的余弦值cosθ，得到所述电网电压的角度值所对应象限；

步骤S042，根据所述电网电压的角度值所对应象限和电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值。

在步骤S041中，由于为了节省存储空间，只存储了1/4周期正弦值表以进行查值，因此可以求出矢量角度是0～90度，采用了正弦电压的绝对值作为索引值。为了求出电网电压的准确矢量角度，需要判断角度所处的象限位置，如果是在第1象限矢量角度是0～90度；第2象限矢量角度是90～180度；第3象限矢量角度是180～270，第4象限矢量角度是270～360度，采用了电网电压矢量的正弦值sinθ和余弦值cosθ判断矢量所处的位置，如果电压矢量在第1象限，sinθ大于0且cosθ大于0；第2象限sinθ大于0，且cosθ小于0；第3象限sinθ小于0且cosθ小于0；第4象限，sinθ小于0且cosθ大于0，从而求出矢量角度0～360度变化，也就是说，此时电网电压的角度值是在0～90度之间的，接着根据电网电压矢量的正弦值sinθ和余弦值cosθ判断该角度所处的象限位置，再接着计算电网电压的矢量角度值。如果矢量在第一象限，那么电网电压的矢量角度值等于所述角度值；如果矢量在第二象限，那么电网电压的矢量角度值等于所述角度值加上90度；如果矢量在第三象限，那么电网电压的矢量角度值等于所述角度值加上180度；如果矢量在第四象限，那么电网电压的矢量角度值等于所述角度值加上270度，从而求出电网电压的准确矢量角度值。

在本发明的一实施例中，如图2所示，在步骤S05之后，还包括以下步骤：

步骤S06，对电网的第一频率值进行滤波，得到电网的第二频率值。

在具体实施中，计算电网的第一频率值的公式如下：

其中，dθ1为电网电压电网的当前矢量角度值与电网电压的上一矢量角度值的差值，dt为从得到电网电压的上一矢量角度值到得到电网电压电网的当前矢量角度值的时间值。

在步骤S06中，为了防止频率突变影响频率的计算结果，采用了10Hz的低通滤波器进行滤波对电网的第一频率值，从而输出平滑的频率即得到最终的频率值，将该最终的频率值嵌入到锁相环中，从而提高了锁相环的动态性能。另外，通过采用了线性插值算法和二分之一中点查表法结合得到电网电压的角度值，可以提高精度，减小计算误差，保证计算得到的电网频率的准确性。

在具体实施中，如图3所示，本发明提供一种实施例的锁相环，所述锁相环包括：采集模块1，用于采集电网的三相电压；

第一计算模块2，用于根据所述采集模块1中电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；

第二计算模块3，用于根据所述第一计算模块2中电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

第三计算模块4，用于根据所述第一计算模块2中电网电压的正弦值和电网电压的余弦值以及所述第二计算模块3中电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

第四计算模块5，用于根据所述第三计算模块4中电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

在本发明的一实施例中，所述锁相环还包括滤波模块6，所述滤波模块6用于对所述第四计算模块5中电网的第一频率值进行滤波，得到电网的第二频率值。为了防止频率突变影响频率的计算结果，采用了10Hz的低通滤波器进行滤波对电网的第一频率值，从而输出平滑的频率即得到最终的频率值，将该最终的频率值嵌入到锁相环中，从而提高了锁相环的动态性能。

通过采集电网的三相电压U_a、U_b和U_c，而计算得到电网的频率值，不需要捕获方波信号的上升压或者是下降沿，那么就不会存在检测到的电网频率会产生很大误差的问题，从而提高锁相环的动态性能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锁相环检测电网频率的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

采集电网的三相电压；

根据所述电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；

根据所述电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

根据所述电网电压的正弦值，电网电压的余弦值以及电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

根据所述电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据所述三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值的步骤，具体包括以下步骤：

对所述电网的三相电压进行3/2变换，得到两相电压值U_α、U_β和电压矢量模值Mod；

根据所述两相电压值U_α、U_β和电压矢量模值Mod，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值的公式如下：

电网电压的正弦值＝U_α/Mod；

电网电压的余弦值＝-U_β/Mod。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据所述电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值的步骤，具体包括以下步骤：

对所述电网电压的正弦值进行绝对值计算，得到所述正弦值的绝对值；

根据所述正弦值的绝对值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据所述电网电压的正弦值，电网电压的余弦值以及电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值的步骤，具体包括以下步骤：

根据所述电网电压的正弦值和电网电压的余弦值，得到所述电网电压的角度值所对应象限；

根据所述电网电压的角度值所对应象限和电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值。

6.如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于：在所述根据所述电网电压的矢量角度值，得到电网的频率值的步骤之后，还包括以下步骤：

对电网的第一频率值进行滤波，得到电网的第二频率值。

7.如权利要求1-6任意一项所述的方法，，其特征在于：计算电网的第一频率值的公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\θ}1}{\mathrm{dt}}$

其中，dθ1为电网电压电网的当前矢量角度值与电网电压的上一矢量角度值的差值，dt为从得到电网电压的上一矢量角度值到得到电网电压电网的当前矢量角度值的时间差值。

8.一种锁相环，其特征在于：所述锁相环包括：

采集模块，用于采集电网的三相电压；

第一计算模块，用于根据所述采集模块中电网的三相电压，得到电网电压的正弦值和电网电压的余弦值；

第二计算模块，用于根据所述第一计算模块中电网电压的正弦值和预设的1/4周期正弦值表，采用1/2中点查表法和线性插值方法，得到电网电压的角度值；

第三计算模块，用于根据所述第一计算模块中电网电压的正弦值和电网电压的余弦值以及所述第二计算模块中电网电压的角度值，得到电网电压的矢量角度值；

第四计算模块，用于根据所述第三计算模块中电网电压的矢量角度值，得到电网的第一频率值。

9.如权利要求8所述的锁相环，其特征在于：所述锁相环还包括滤波模块，所述滤波模块用于对所述第四计算模块中电网的第一频率值进行滤波，得到电网的第二频率值。