CN104410096A - 线序主动检测及自适应系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线序主动检测及自适应系统及实现方法，用于三相并网PWM变换器检测线和功率线的线序主动检测及自适应运行。本方案首先提取经由检测线采样电网频率、相位和相序信息；接着于特定相位点由三相受控桥输出短路脉冲，通过并网滤波器短路电网；再接着通过短路脉冲电流响应判断检测线与功率线线序关系；最后根据线序关系调整电网相序检测结果，补偿电网相位检测偏移量，正常并网运行。本发明可以在正、负序电网输入条件和检测线功率线任意接线线序组合下实现并网PWM变换器的同步并网运行，消除了检测线功率线接线线序对应要求和错误接线线序时的运行风险。

Description

线序主动检测及自适应系统以及方法

技术领域

本发明涉及并网PWM变换器，具体涉及并网PWM变换器的检测线、功率线线序的检测及自适应并网技术。 

背景技术

并网PWM变换器普遍使用并网滤波器进行并网运行，为准确采样电网电压，需同时设置功率线和检测线，为保证输出电压和采样电压的正确对应，要求严格按照线序关系进行接线，这种对应关系的正确性常常靠操作人员检查确认，不能完全保证可靠性。 

当系统按照错误的接线线序进行启动时可能造成系统异常，甚至一定的设备损坏和人员伤害；即使设置了异常故障保护，故障后仍需断电调整接线线序后再运行，造成一定的使用不便。 

发明内容

针对现有PWM变换器并网运行时，在采样电网电压所存在的问题，本发明提供了一种线序主动检测及自适应系统以及相应的实现方法，据此实现三相并网PWM变换器检测线和功率线的线序主动检测及自适应并网运行。 

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

线序主动检测及自适应系统，所述系统包括： 

信息提取模块，所述信息提取模块通过检测线路提取采样到的电网频率、相位以及相序信息； 

短路模块，所述短路模块控制三相受控桥在相应的相位点输出短路脉冲，并由该短路脉冲控制并网滤波器短路电网； 

线序关系判断模块，所述线序关系判断模块通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系； 

自适应并网控制模块，所述自适应并网控制模块根据线序关系判断模块判 断出的线序关系调整电网相序检测结果和补偿电网相位检测偏移量，并以此控制并网运行。 

在该系统的优选方案中，所述自适应并网控制模块由线序自适应模块和并网矢量控制模块配合组成； 

所述线序自适应模块包括相序反转判断子模块、相序调整子模块、相位偏移计算子模块、相位补偿子模块； 

所述相序反转判断子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系判断电网相序检测结果是否需要反转； 

所述相序调整子模块根据相序反转判断子模块的判断结果对电网相序检测结果进行调整； 

所述相位偏移计算子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系计算电网电压相位采样偏移量； 

所述相位补偿子模块根据相位偏移计算子模块计算得到的偏移量对采样得到的电网电压相位进行补偿； 

所述并网矢量控制模块包括矢量控制子模块、电压前馈子模块以及PWM生成子模块； 

所述矢量控制子模块以经过方向调整的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为电网角度，将电网电压等效为永磁同步旋转电机的反电势进行电网电压跟踪型矢量控制； 

所述电压前馈子模块根据电网电压幅值，以调整后的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为角度，重新进行直流旋转坐标系至三相静止坐标系的坐标变换，得到三相电网相电压瞬时值，直接进行前馈输出。 

作为本发明的第二目的，基于上述的线序主动检测及自适应系统，本发明还提供线序主动检测及自适应的实现方法，该方法可以在运行前主动检测检测线和功率线的线序对应关系并能够实现并网PWM变换器在任意接线线序下的自适应运行，主要包括如下几个步骤： 

(1)提取经由检测线采样电网频率、相位和相序信息； 

(2)于相应的相位点由三相受控桥输出短路脉冲，通过外置滤波器短路电网； 

(3)通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系； 

(4)根据线序关系调整电网相序检测结果，补偿电网相位采样偏移量，正常并网运行。 

进一步的，所述的步骤(1)中，对电网电压进行相位提取的方法为：以其中一相采样电压的正向或负向过零点为相位0度，在一个电网周期之内按照电网角频率进行正向时间积分；其中，产生的相位角在下一个前述过零点进行清零复位。 

进一步的，所述的步骤(1)中，对电网电压进行相序提取的方法为： 

1)根据采集到的电网相位，对采集到的电网相电压瞬时值采用Clarke变换和Park变换得到电网电压的d轴或q轴分量； 

2)判断d轴或q轴分量的类型，若为直流量则相序为正序；若为交流量则为负序。 

进一步的，所述步骤(2)中的相位点设定在任意一相电网采样电压的正向或负向过零点，并且在短路时，根据相位和相序关系，强制将短路时刻三相电网相电压瞬时值划分并标记为如下三种类型：正值、负值、零。 

进一步的，所述的步骤(2)中用于脉冲短路电网的外置滤波为是L、LC、LCL型或以上类型与隔离变压器的复合体。 

进一步的，所述的步骤(3)中，检测线与功率线线序判断方法为： 

1)在短路结束前采样得到相应的脉冲短路相电流的峰值，并以此作为短路电流响应； 

2)预期三相短路电流响应与短路时刻三相电网相电压瞬时值具有正比例关系，根据电流正方向规定，将预期三相短路电流响应对应标记为三种类别：正值、负值、零； 

3)将实际三相短路电流响应根据预期区分阈值划分为三种类别：正值、负值、零； 

4)当实际三相短路电流响应同时兼具上述三种类型时，将预期短路电流响应和实际短路电流响应进行类别匹配，对应出线序连接关系； 

5)当实际三相短路电流响应不同时兼具上述三种类型时，报出检测故障。 

进一步的，所述步骤(4)中对电网相序检测结果调整方法为：根据由短路电 流响应判断出的线序连接关系判断电网相序检测结果是否需要反转； 

对相位检测偏移量补偿方法为：根据由短路电流响应判断出的线序连接关系计算电网电压相位采样偏移量：0度或+120度或-120度，将采样得到电网电压相位进行偏移量补偿后作为并网控制用电网相位。 

进一步的，所述步骤(4)中并网运行控制时，将电网和并网滤波器整体等效成一台永磁同步旋转电机进行矢量控制：以相序为旋转方向、以补偿后并网控制用电网相位作为矢量控制用角度信息、以电网电压作为反电势进行电网电压前馈补偿。 

本发明方案可以在正、负序电网输入条件和检测线功率线任意接线线序组合下实现并网PWM变换器的同步并网运行，消除了检测线功率线接线线序对应要求和错误接线线序时的运行风险。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 

图1为本发明基于实施的并网PWM变换器系统示意图； 

图2为本发明实施时的步骤流程图； 

图3为本发明实施例中相位检测方法示意图； 

图4为本发明实施例中短路时刻三相瞬时电压分类标记示意图； 

图5为本发明实施例中预期短路电流响应分类标记示意图； 

图6为本发明实施例中由短路电流响应判断线序关系示例表； 

图7为本发明实施例中相位偏移量计算表； 

图8为本发明实施例中线序自适应并网控制方式示意图。 

主要附图标记说明： 

10—电网电压检测线； 

20—三相可控桥并网功率线； 

30—电压传感器； 

40—电流传感器； 

50—并网滤波器； 

60—三相可控桥； 

70—检测与控制电路。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

参见图1，所示本实施方案基于实施的并网PWM变换器系统示意图。由图可知，整个并网PWM变换器系统主要由并网滤波器50、三相可控桥60以及检测与控制电路70三部分组成。 

其中，三相可控桥60通过并网功率线20连接到并网滤波器50，而并网滤波器50连接到三相交流电网，检测与控制电路70其电压采集端通过电网电压检测线10与设置在并网滤波器50和三相交流电网之间的电压传感器30，同时其电流采集端连接至设置在并网功率线20上的电流传感器40。 

针对上述的并网PWM变换器系统，本实施方案采用线序主动检测及自适应系统，来实现三相并网PWM变换器检测线和功率线的线序主动检测及自适应并网运行。 

该系统主要包括：信息提取模块、短路模块、线序关系判断模块以及自适应并网控制模块这几部分。 

其中，信息提取模块通过检测线路提取采样到的电网频率、相位以及相序信息； 

短路模块控制三相受控桥在相应的相位点输出短路脉冲，并由该短路脉冲控制并网滤波器短路电网； 

线序关系判断模块通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系； 

自适应并网控制模块根据线序关系判断模块判断出的线序关系调整电网相序检测结果和补偿电网相位检测偏移量，并以此控制并网运行。 

参见图8，该自适应并网控制模块由线序自适应模块和并网矢量控制模块配合组成。 

线序自适应模块包括相序反转判断子模块、相序调整子模块、相位偏移计算子模块、相位补偿子模块， 

相序反转判断子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系判断 电网相序检测结果是否需要反转； 

相序调整子模块根据相序反转判断子模块的判断结果对电网相序检测结果进行调整； 

相位偏移计算子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系计算电网电压相位采样偏移量； 

相位补偿子模块根据相位偏移计算子模块计算得到的偏移量对采样得到的电网电压相位进行补偿。 

并网矢量控制模块包括矢量控制子模块、电压前馈子模块以及PWM生成子模块， 

矢量控制子模块以经过方向调整的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为电网角度，将电网电压等效为永磁同步旋转电机的反电势进行电网电压跟踪型矢量控制； 

电压前馈子模块根据电网电压幅值，以调整后的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为角度，重新进行直流旋转坐标系至三相静止坐标系的坐标变换，得到三相电网相电压瞬时值，直接进行前馈输出。 

参见图2，其所示基于上述系统，本方案实现并网PWM变换器检测线功率线线序主动检测及自适应的流程图。由图可知，整个过程主要由以下四个步骤组成： 

步骤1.提取经由检测线采样电网频率、相位和相序信息； 

1)本方案中电网相位采样值记为θs，提取方法如附图3所示，以R1相采样电压V_R1的正向过零点为相位0点，在一个电网周期之内按照电网角频率进行正向时间积分，其产生的相位角在下一个R1相采样电压的正向过零点进行清零复位； 

这里的过零点是周期性产生，在时间上以每一次的过零点为起点，角度一直累加，再次出现过零点，则清零重新进行累加，产生三角波。 

2)电网相序提取的方法如附图4所示，根据采集到的电网相位，对采集到的电网相电压瞬时值采用Clarke变换和Park变换，得到电网电压向量{V_R1、V_S1、V_T1}的d轴分量，其中，Park变换矩阵中使用的角度为θs； 

若电网电压d轴分量为直流量，则电网相序为正序，若为交流量则相序为 负序； 

步骤2.于特定相位点在功率端输出短路脉冲，通过并网滤波器短路电网； 

该步骤中的特定的相位点设定在R1相电网电压的正向过零点，也即电网相位0点；如附图4所示，若电网相序检测值为正序，则按照正值、负值、零三种类别强制标记三相相电压瞬时值为： 

V_R1—>零，V_S1—>负值，V_T1—>正值； 

若电网相序检测值为负序，强制标记三相相电压瞬时值为： 

V_R1—>零，V_S1—>正值，V_T1—>负值； 

该步骤中用于脉冲短路电网的并网滤波器采用LCL型并网滤波器； 

该步骤中的短路脉冲信号由采样、控制电路发出，控制由IGBT组成的三相受控桥的三相上桥同时导通，导通时间为一个PWM周期，短路脉冲结束前进行三相电流采样，采样结束后触发PWM关断，结束短路状态； 

步骤3.通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系，其具体的实现过程如下： 

1)在短路结束前采样得到的三相电流的瞬时值即为脉冲短路相电流的峰值，定义为短路电流响应； 

2)短路前三相电流瞬时值为零，由于并网滤波器高频特性以感性为主且短路时间内认为电网电压保持不变，则短路后电流将随着电压时间积分，即伏秒积线性上升，如附图5所示。因此预期三相短路电流响应(该预期三相短路电流响应为按照正确的线序对应关系施加短路后应有的电流响应，其与短路时刻的相电压幅值，施加短路的相位时刻，短路短路持续时间有关，包含峰值大小和方向)与短路时刻三相电网相电压瞬时值具有正比例关系，根据电流正方向规定，能够将预期三相短路电流响应对应标记为三种类别：正值、负值、零； 

3)计算非零相预期电流峰值Ip，以便后续用于计算预期区分阈值。非零相预期电流峰值Ip由电网电压幅值、并网滤波器等效电感量、PWM周期共同决定，计算公式如下： 

$\underset{\‾}{\sqrt{}}$

其中， 

Vm——电网相电压峰值； 

Lm——并网滤波器等效相电感； 

T_PWM——PWM周期； 

4)将实际三相短路电流响应，即步骤1中采集到的三相短路电流响应(由内部电流采样电路采集得到，包含峰值大小和方向)，根据预期区分阈值(该预期区分阈值为根据理论计算得到的最大峰值电流值预留一定裕量得到，如最大峰值电流的50％，以防止采样偏差造成的误判，同时含有方向符号)划分为三种类别：正值、负值、零，该区分阈值为： 

大于0.5Ip——正值， 

小于(-0.5Ip)——负值， 

大于(-0.2Ip)且小于0.2Ip——零， 

其他——错误区间； 

5)当三相短路电流响应同时兼具上述三种类型：正值、负值、零时(即三种类型同时发生，其中每相电流响应对应为其中的一种类型)，将预期短路电流响应和实际三相短路电流响应进行类别匹配，对应出线序连接关系，以采样相序正序为例，如附图6所示； 

6)当三相短路电流的响应不同时兼具上述三种类型时，报出检测故障； 

步骤4.根据线序关系调整电网相序，补偿电网相位偏移量，正常并网运行。 

该步骤中首先进行自适应的调整：电网相序的自适应调整和电网相位偏移量自适应补偿： 

1)根据所述短路电流响应判断出的线序连接关系判断电网相序检测结果是否需要反转； 

2)根据所述短路电流响应判断出的线序连接关系计算电网电压相位偏移量：0度或+120度或-120度，对应计算关系如附图7所示，将采样得到电网电压相位进行偏移量补偿后作为并网控制用电网相位，补偿方式为：电网采样相位+采样相位偏移量。 

接着，进行线序自适应并网控制(如附图8所示)： 

由图可知，在进行线序自适应并网控制时，将电网和并网滤波器整体等效成一台永磁同步旋转电机进行矢量控制，具体矢量控制如下： 

a.以相序为旋转方向； 

b.以补偿后并网控制用电网相位作为矢量控制用角度信息； 

c.以电网电压作为反电势进行电网电压前馈补偿。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (10)

1.线序主动检测及自适应系统，其特征在于，所述系统包括：

信息提取模块，所述信息提取模块通过检测线路提取采样到的电网频率、相位以及相序信息；

短路模块，所述短路模块控制三相受控桥在相应的相位点输出短路脉冲，并由该短路脉冲控制并网滤波器短路电网；

线序关系判断模块，所述线序关系判断模块通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系；

自适应并网控制模块，所述自适应并网控制模块根据线序关系判断模块判断出的线序关系调整电网相序检测结果和补偿电网相位检测偏移量，并以此控制并网运行。

2.根据权利要求1所述的线序主动检测及自适应系统，其特征在于，所述自适应并网控制模块由线序自适应模块和并网矢量控制模块配合组成，

所述线序自适应模块包括相序反转判断子模块、相序调整子模块、相位偏移计算子模块、相位补偿子模块；

所述相序反转判断子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系判断电网相序检测结果是否需要反转；

所述相序调整子模块根据相序反转判断子模块的判断结果对电网相序检测结果进行调整；

所述相位偏移计算子模块根据线序关系判断模块判断出的线序连接关系计算电网电压相位采样偏移量；

所述相位补偿子模块根据相位偏移计算子模块计算得到的偏移量对采样得到的电网电压相位进行补偿；

所述并网矢量控制模块包括矢量控制子模块、电压前馈子模块以及PWM生成子模块；

所述矢量控制子模块以经过方向调整的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为电网角度，将电网电压等效为永磁同步旋转电机的反电势进行电网电压跟踪型矢量控制；

所述电压前馈子模块根据电网电压幅值，以调整后的电网相序为旋转方向，以经过相位补偿的电网电压相位作为角度，重新进行直流旋转坐标系至三相静止坐标系的坐标变换，得到三相电网相电压瞬时值，直接进行前馈输出。

3.供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述方法括如下几个步骤：

(1)提取经由检测线采样电网频率、相位和相序信息；

(2)于相应的相位点由三相受控桥输出短路脉冲，通过外置滤波器短路电网；

(3)通过短路电流响应判断检测线与功率线线序关系；

(4)根据线序关系调整电网相序检测结果，补偿电网相位采样偏移量，正常并网运行。

4.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，对电网电压进行相位提取的方法为：以其中一相采样电压的正向或负向过零点为相位0度，在一个电网周期之内按照电网角频率进行正向时间积分；其中，产生的相位角在下一个前述过零点进行清零复位。

5.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，对电网电压进行相序提取的方法为：

1)根据采集到的电网相位，对采集到的电网相电压瞬时值采用Clarke变换和Park变换，得到电网电压的d轴或q轴分量；

2)判断d轴或q轴分量的类型，若为直流量则相序为正序；若为交流量则为负序。

6.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)中的相位点设定在任意一相电网采样电压的正向或负向过零点，并且在短路时，根据相位和相序关系，强制将短路时刻三相电网相电压瞬时值划分并标记为如下三种类型：正值、负值、零。

7.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述的步骤(2)中用于脉冲短路电网的外置滤波为是L、LC、LCL型或以上类型与隔离变压器的复合体。

8.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，检测线与功率线线序判断方法为：

1)在短路结束前采样得到相应的脉冲短路相电流的峰值，并以此作为短路电流响应；

2)预期三相短路电流响应与短路时刻三相电网相电压瞬时值具有正比例关系，根据电流正方向规定，将预期三相短路电流响应对应标记为三种类别：正值、负值、零；

3)将实际三相短路电流响应根据预期区分阈值划分为三种类别：正值、负值、零；

4)当实际三相短路电流响应同时兼具上述三种类型时，将预期短路电流响应和实际短路电流响应进行类别匹配，对应出线序连接关系；

5)当实际三相短路电流响应不同时兼具上述三种类型时，报出检测故障。

9.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述步骤(4)中对电网相序检测结果调整方法为：根据由短路电流响应判断出的线序连接关系判断电网相序检测结果是否需要反转；

对相位检测偏移量补偿方法为：根据由短路电流响应判断出的线序连接关系计算电网电压相位采样偏移量：0度或+120度或-120度，将采样得到电网电压相位进行偏移量补偿后作为并网控制用电网相位。

10.根据权利要求3所述的供线序主动检测及自适应的实现方法，其特征在于，所述步骤(4)中并网运行控制时，将电网和并网滤波器整体等效成一台永磁同步旋转电机进行矢量控制：以相序为旋转方向、以补偿后并网控制用电网相位作为矢量控制用角度信息、以电网电压作为反电势进行电网电压前馈补偿。