CN107561351A - 并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法 - Google Patents

并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法 Download PDF

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CN107561351A CN201710825195.7A CN201710825195A CN107561351A CN 107561351 A CN107561351 A CN 107561351A CN 201710825195 A CN201710825195 A CN 201710825195A CN 107561351 A CN107561351 A CN 107561351A
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Abstract

本发明提出了一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法，包括电压互感器、电流互感器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一正弦波‑方波转换电路、第二正弦波‑方波转换电路、四象限乘法器和控制器。本发明使用两个正弦波‑方波转换电路分别将正弦波变成方波，用于检测输出电压与输出电流的频率与相位关系，用当前得到的一次A/D转换结果即可判断出并网逆变系统的输出电压以及电流是否出现升压或负载急剧变化的情况，可以实时判断并网逆变系统是否出现无法长期承受的过流和升压现象。本发明提高了检测精度，提高了检测速度，能在控制器内判断逆变器的工作状态，为并网逆变器自动控制提供信号检测的依据。

Description

并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法
技术领域
本发明涉及电力电子及自动控制的技术领域，尤其涉及一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法。
背景技术
并网逆变系统经常遇到孤岛效应、过电压以及振荡等现象，这些现象如不采取果断的应对措施极易导致并网逆变系统损毁。其中，孤岛效应是指电力系统断电而逆变系统仍然持续输出功率。
并网逆变系统的电压和电流的采样信号是交流信号，其变化规律缺乏直观性，由于不能高速分析电压和电流的采样信号的幅值关系和相位关系，控制器对于瞬时出现的孤岛效应、过电压以及振荡等现象的判断带来一定的难度。目前的控制器一般采用ARM、DSP、FPGA等器件，这些器件的A/D采样端口只能输入不能过零的正信号，且信号电压上限一般为2.5V~3.3V，采样之前要对信号作一些处理才能得到正信号，因此这些处理电路的实时性、误差等级和线性度对信号采样的影响较大。
并网逆变系统的电压和电流的采样信号是交流信号，其变化规律缺乏直观性，如何快速采样是一个难题。传统的处理电路将采样信号由交流转变成直流的办法是整流或电压抬升。整流电路的二极管是一个非线性元件，恒定电压降会严重影响到波形的质量。电压抬升电路是将电压叠加一个直流分量，使交流信号抬升到不过零的程度，为了确保抬升后的电流不过零，通常采取缩小交流信号幅值的办法，这样会严重影响信号的采样精度。
发明内容
针对控制器无法直接和快速的检测并网逆变系统出现孤岛效应、过电压以及振荡等现象的技术问题，本发明提出一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置与快速分析方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置，包括电压互感器、电流互感器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一正弦波-方波转换电路、第二正弦波-方波转换电路、四象限乘法器和控制器，所述电压互感器和电流互感器的输入端均与并网逆变器相连接，电压互感器与第一低通滤波器相连接，第一低通滤波器与四象限乘法器的第一路乘法器相连接，四象限乘法器的第一路乘法器与控制器相连接；所述电压互感器与第一正弦波-方波转换电路相连接，第一正弦波-方波转换电路与控制器相连接；所述电流互感器与第二低通滤波器相连接，第二低通滤波器与四象限乘法器的第二路乘法器相连接，四象限乘法器的第二路乘法器与控制器相连接；电流互感器与第二正弦波-方波转换电路相连接，第二正弦波-方波转换电路与控制器相连接。
所述并网逆变器的输出电压u o的参考输出正端与电阻R 11串联后连接电压互感器的原边线圈的异名端，电压互感器的原边线圈的同名端与输出电压u o的参考输出负端相连，电压互感器的副边线圈两端连接电阻R 12的两端；所述电压互感器的副边线圈的同名端与电阻R 13相连接，电阻R 13与电容C 11串联构成的支路与电阻R 12并联，电容C 11与电阻R 12之间的连接点与接地端GND相连接，电阻R 13与电容C 11串联的连接点与运算放大器AMP2的同相输入端相连接，运算放大器AMP2与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 14与电阻R 15串联构成的支路两端分别连接运算放大器AMP2的输出端和接地端GND，电阻R 14与电阻R 15之间的连接点与运算放大器AMP2的反相输入端相连；所述运算放大器AMP2的输出端分别与四象限乘法器的第一路乘法器的输入引脚X1和输入引脚Y1相连接，四象限乘法器的第一路乘法器的输出引脚W1与控制器的输入引脚A/D1相连接。
所述电压互感器的副边线圈的同名端与二极管D 1相连接，二极管D 1与电阻R 1相串联，电阻R 1与电阻R 2构成电阻串联电路，电阻R 2另一端与接地端GND相连接，电阻R 1与电阻R 2的连接点与电阻R 3连接，电阻R 3与电容C 1相连接，电容C 1与接地端GND相连接，电阻R 3与电容C 1的连接点与电阻R 4连接，电阻R 4与运算放大器AMP1的同相输入端相连，运算放大器AMP1与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 5连接运算放大器AMP1的反向输入端和接地端GND，电容C 2和电容C 3均与接地端GND相连接，电容C 2与负5V的电源相连接，电容C 3与正5V的电源相连接；运算放大器AMP1的输出端通过与接地端GND相连接，运算放大器AMP1的输出端通过电阻R 6与正5V电源相连接，运算放大器AMP1的输出端和控制器的I/O1端口相连接。
所述并网逆变器的输出电流i o穿过电流互感器的铁芯，电流互感器与电阻R 21并联连接，电阻R 21与接地端GND相连接，电流互感器的输出端与电阻R 22相连接，电阻R 22与电容C 21串联构成的支路与电阻R 21并联，电阻R 22与电容C 21串联的连接点与运算放大器AMP3的同相输入端相连接，运算放大器AMP3与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 23与电阻R 24串联构成的支路两端分别与运算放大器AMP3的输出端和接地端GND相连接，电阻R 23与电阻R 24之间的连接点与运算放大器AMP3的反相输入端相连接，运算放大器AMP3的输出端与四象限乘法器的第二路乘法器的输入引脚X2和输入引脚Y2相连接，四象限乘法器的第二路乘法器的输出引脚W2和控制器的输入引脚A/D2相连接。
所述电流互感器与二极管D 31相连接，二极管D 31与电阻R 31相串联，电阻R 31与电阻R 32相串联，电阻R 32与接地端GND相连接，电阻R 31与电阻R 32之间的连接点与电阻R 33连接，电阻R 33与电容C 31相连接，电容C 31与接地端GND相连接，电阻R 33与电容C 31的连接点与电阻R 34连接，电阻R 34与运算放大器AMP4的同相输入端相连接，运算放大器AMP4与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 35的两端连接到运算放大器AMP4的反向输入端和接地端GND，电容C 32连接在正5V电源与接地端GND之间，电容C 33连接在负5V电源与接地端GND之间；运算放大器AMP4的输出端通过二极管D 32与接地端GND相连接，运算放大器AMP4的输出端通过电阻R 36与正5V电源相连接，运算放大器AMP4的输出端和控制器的I/O2端口相连接。
所述电压互感器的原边线圈与副边线圈的匝数比为1：1；电阻R 13、电容C 11、运算放大器AMP2、电阻R 14、电阻R 15构成一阶有源的第一低通滤波器；电阻R 22、电容C 21、运算放大器AMP3、电阻R 23、电阻R 24构成一阶有源的第二低通滤波器。
一种并网逆变系统的输出电压电流的快速分析方法，步骤如下：
步骤一：搭建并网逆变系统的输出电压电流检测装置，将电压互感器的原边线圈与并网逆变器的输出电压u o并联，将输出电压u o转化成低压交流的电压信号u op，电压信号u op由第一正弦波-方波转换电路转化成方波信号u od给控制器的I/O1端口；电压信号u op由第一低通滤波器滤波得到电压信号u os，两个电压信号u os分别连接四象限乘法器的第一路乘法器的两个输入端得到信号0.4u os 2，信号0.4u os 2传递到控制器的A/D1端口；电流互感器将并网逆变器的输出电流i o转化成低压交流的电压信号u iop，电压信号u iop由第二正弦波-方波转换电路转化成方波信号u iod给控制器的I/O2端口；电压信号u iop由第二低通滤波器滤波得到电压信号u ios，电压信号u ios分别连接四象限乘法器的第二路乘法器的两个输入端使两个电压信号u ios相乘后再乘以0.4得到信号0.4u ios 2，信号0.4u ios 2传递到控制器的A/D2端口；
步骤二：控制器获取方波信号u od的频率f 1，控制器比较方波信号u od与方波信号u iod的相位差值α-β，α为输出电压u o的相位角，β为输出电流i o的相位角；
步骤三：控制器内部的A/D转换器将信号0.4u os 2转换成数字量并存入存储器，其中u os=|u os|sin(α)；从控制器内部的存储器中取出信号0.4u os 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u os|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电压u o的有效值U CAL=k 1·0.4{(|u os|sinα)2+[|u os|sin(α+90)]2}，其中，k 1为常系数，单位为1/V；
步骤四：控制器内部的A/D转换器将信号0.4u ios 2转换成数字量并存入存储器，其中u ios=|u ios|sin(α)；从控制器内部的存储器中取出信号0.4u ios 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u ios|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电压电流i o的有效值I CAL=k 2·0.4{(|u ios|sinα)2+[|u ios|sin(α+90)]2}，其中，k 2为常系数，单位为1/A；
步骤五：并网逆变系统的额定输出视在功率S e=U CAL·I CAL在二维相平面图中表示为等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ；在等功率曲线Ⅰ与二维相平面的坐标轴之间为可靠工作区；等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ之间为过载区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅰ之后进入过载区；等功率曲线Ⅱ之外为短路区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅱ之后进入短路区；
步骤六：通过步骤五建立的二维相平面图判断并网逆变器的输出电压u o以及输出电流i o是否出现升压或负载急剧变化的情况。
所述并网逆变器的输出电压u o与输出电流i o增加的比例基本相同时，判断为电压急剧升高且负载基本不变，稳态工作点迅速向二维相平面图的第一象限的右上方移动；当输出电压u o基本不变，输出电流i o急剧增大时，判断为负载急剧增大，稳态工作点迅速向二维相平面第一象限的正上方移动。
工作点如果在二维相平面图内沿着等功率曲线的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现无功振荡，有功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现有功振荡，无功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内既不沿着等功率曲线方向往复振荡，也不沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，而是杂乱无章的振荡，则表示并网逆变系统出现混沌振荡。
本发明的有益效果：将正负交变的电压、电流信号转变成恒正的信号，有效提高了检测精度；尽可能减少乘法和迭代算法，提高了检测速度，用当前得到的一次A/D转换结果即可判断出并网逆变系统的输出电压及电流是否出现升压或负载急剧变化的情况，能在控制器内判断逆变器的工作状态，控制器可以实时判断并网逆变系统是否出现无法长期承受的过流和升压现象，为并网逆变器自动控制提供信号检测的依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电路图。
图3为本发明正弦波转换为方波的波形示意图。
图4为本发明输出电压的采样参数计算示意图。
图5为本发明输出电流的采样参数计算示意图。
图6为本发明对过载与升压情况的判据示意图。
图7为本发明对振荡情况的判据示意图。
图中，1为电压互感器，2为电流互感器，3为第一低通滤波器，4为第二低通滤波器，5为第一正弦波-方波转换电路，6为第二正弦波-方波转换电路，7为四象限乘法器，8为控制器，9为并网逆变器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置，包括电压互感器1、电流互感器2、第一低通滤波器3、第二低通滤波器4、第一正弦波-方波转换电路5、第二正弦波-方波转换电路6、四象限乘法器7和控制器8，所述电压互感器1和电流互感器2的输入端均与并网逆变器9相连接，电压互感器1与第一低通滤波器3相连接，第一低通滤波器3与四象限乘法器7的第一路乘法器相连接，四象限乘法器7的第一路乘法器与控制器8相连接；所述电压互感器1与第一正弦波-方波转换电路5相连接，第一正弦波-方波转换电路5与控制器8相连接；所述电流互感器2与第二低通滤波器4相连接，第二低通滤波器4与四象限乘法器7的第二路乘法器相连接，四象限乘法器7的第二路乘法器与控制器8相连接；电流互感器2与第二正弦波-方波转换电路6相连接，第二正弦波-方波转换电路6与控制器8相连接。
电压互感器1的原边线圈与并网逆变器9的输出电压u o并联，将输出电压u o转化成低压交流的电压信号u op，电压信号u op由第一正弦波-方波转换电路5转化成方波信号u od给控制器8的I/O1端口。电压信号u op由第一低通滤波器3滤波得到电压信号u os，电压信号u os分两路连接四象限乘法器7的第一路乘法器的两个输入端，两个电压信号u os相乘后再乘以0.4得到信号0.4u os 2，信号0.4u os 2传递到控制器8的A/D1端口。使用第一路乘法器的目的是将正负交变的电压信号u os转变成恒正的信号0.4u os 2。
电流互感器2将并网逆变器9的输出电流i o转化成低压交流的电压信号u iop，电压信号u iop由第一正弦波-方波转换电路6转化成方波信号u iod给控制器8的I/O2端口。电压信号u iop由第二低通滤波器4滤波得到电压信号u ios，电压信号u ios分两路连接四象限乘法器7的第二路乘法器的两个输入端，两个电压信号u ios相乘后再乘以0.4得到信号0.4u ios 2，信号0.4u ios 2传递到控制器8的A/D2端口。
如图2所示，第一低通滤波器3由电阻R 13、电阻R 14、电阻R 15、运算放大器AMP2和电容C 11组成。第二低通滤波器4由电阻R 22、电阻R 23、电阻R 24、运算放大器AMP3和电容C 21组成。第一正弦波-方波转换电路5由电阻R 1~R 6、运算放大器AMP1、电容C 1~C 3和二极管D1~D2组成。第二正弦波-方波转换电路6由电阻R 31~R 36、运算放大器AMP4、电容C 31~C 33和二极管D31~D32组成。四象限乘法器7由正负5V电源供电，电容C 12和电容C 13起到对电源滤波的作用。
并网逆变器9的输出电压u o的参考输出正端与电阻R 11串联后连接电压互感器1的原边线圈的异名端，电压互感器1的原边线圈的同名端与输出电压u o的参考输出负端相连，电压互感器1的副边线圈两端连接电阻R 12的两端；所述电压互感器1的副边线圈的同名端与电阻R 13相连接，电阻R 13与电容C 11串联构成的支路与电阻R 12并联，电容C 11与电阻R 12之间的连接点与接地端GND相连接，电阻R 13与电容C 11串联的连接点与运算放大器AMP2的同相输入端相连接。运算放大器AMP2由正负5V电源供电，运算放大器AMP2与正5V和负5V的电源相连接。电阻R 14与电阻R 15串联构成的支路两端分别连接运算放大器AMP2的输出端和接地端GND，电阻R 14与电阻R 15之间的连接点与运算放大器AMP2的反相输入端相连。运算放大器AMP2的输出端分别与四象限乘法器7的第一路乘法器的输入引脚X1和输入引脚Y1相连接，四象限乘法器7的第一路乘法器的输出引脚W1与控制器8的输入引脚A/D1相连接，实现输出电压u o的检测。
电压互感器1的副边线圈的同名端与二极管D 1相连接，二极管D 1与电阻R 1相串联，电阻R 1与电阻R 2构成电阻串联电路，电阻R 2另一端与接地端GND相连接。电阻R 1与电阻R 2的连接点与电阻R 3连接，电阻R 3与电容C 1相连接，电容C 1与接地端GND相连接，电阻R 3和电容C 1构成阻容滤波电路。电阻R 3与电容C 1的连接点与电阻R 4连接，电阻R 4与运算放大器AMP1的同相输入端相连。运算放大器AMP1由正负5V电源供电，运算放大器AMP1与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 5连接运算放大器AMP1的反向输入端和接地端GND。电容C 2和电容C 3均与接地端GND相连接，电容C 2与负5V的电源相连接，电容C 3与正5V的电源相连接，电容C 2和电容C 3为滤波电容。运算放大器AMP1的输出端通过与接地端GND相连接，运算放大器AMP1的输出端通过电阻R 6与正5V电源相连接，运算放大器AMP1的输出端和控制器8的I/O1端口相连接，电压信号u op经过第一正弦波-方波转换电路5转换成方波信号。
并网逆变器9的输出电流i o穿过电流互感器2的铁芯，电流互感器2与电阻R 21并联连接，电阻R 21与接地端GND相连接，电流互感器2的感应电流i op流过电阻R 21两端。电流互感器2的输出端与电阻R 22相连接，电阻R 22与电容C 21串联构成的支路与电阻R 21并联，电阻R 22与电容C 21串联的连接点与运算放大器AMP3的同相输入端相连接。运算放大器AMP3由正负5V电源供电，运算放大器AMP3与正5V和负5V的电源相连接。电阻R 23与电阻R 24串联构成的支路两端分别与运算放大器AMP3的输出端和接地端GND相连接，电阻R 23与电阻R 24之间的连接点与运算放大器AMP3的反相输入端相连接。电阻R23、电阻R24与运算放大器AMP3构成反相运算放大器。运算放大器AMP3的输出端与四象限乘法器7的第二路乘法器的输入引脚X2和输入引脚Y2相连接，四象限乘法器7的第二路乘法器的输出引脚W2和控制器8的输入引脚A/D2相连接，实现输出电流i o的检测。
感应电流i op流过电阻R 21两端得到电压信号u iop，电流互感器2与二极管D 31相连接，二极管D 31与电阻R 31相串联，电阻R 31与电阻R 32相串联，电阻R 32与接地端GND相连接，电阻R 31与电阻R 32之间的连接点与电阻R 33连接，电阻R 33与电容C 31相连接，电容C 31与接地端GND相连接，电阻R 33和电容C 31构成阻容滤波电路。电阻R 33与电容C 31的连接点与电阻R 34连接，电阻R 34与运算放大器AMP4的同相输入端相连接。运算放大器AMP4由正负5V电源供电，运算放大器AMP4与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 35的两端连接到运算放大器AMP4的反向输入端和接地端GND。电容C 32和电容C 33为滤波电容，电容C 32连接在正5V电源与接地端GND之间，电容C 33连接在负5V电源与接地端GND之间；运算放大器AMP4的输出端通过二极管D 32与接地端GND相连接，运算放大器AMP4的输出端通过电阻R 36与正5V电源相连接，运算放大器AMP4的输出端和控制器8的I/O2端口相连接，从而获得输出电流i o的方波信号。
并网逆变器9的输出电压u o两端经电阻R 11限流后连接电压互感器1，电压互感器1的型号选用DL-PT202H1，该互感器是电流型电压互感器。电压互感器1的原边线圈与副边线圈的匝数比为1：1，电压互感器1的副边线圈并联连接电阻R 12，在电阻R 12两端得到电压信号u op，通过改变电阻R 11和电阻R 12的阻值可以调节输出电压u o与电压信号u op的比例。输出电压u o和电压信号u op成正比，其波形相同、频率相同但是幅值不同，都是50Hz左右的交流正弦波，正常情况下不包含直流分量。电阻R 13、电容C 11、运算放大器AMP2、电阻R 14、电阻R 15构成一阶有源的第一低通滤波器3。第一低通滤波器3将电压信号u op滤波后得到电压信号u os。
四象限乘法器7选用MLT04型号为的四象限乘法器，电压信号u os连接四象限乘法器7的第3引脚X1和第4引脚Y1，由第1引脚W1输出0.4u os 2。四象限乘法器7具有将两个信号相乘再乘以0.4倍的功能。由于控制器8的A/D1引脚的输入上限一般为2.5V~3.3V，如果电压信号u os的幅值为2.5V，则0.4u os 2的幅值刚好也为2.5V。
并网逆变器9的输出电流i o穿过电流互感器2的铁芯，电流互感器2的型号选用DL-CT03，电流互感器2的感应电流i op流过电阻R 21两端，在电阻R 21两端得到电压信号u iop，通过改变电阻R 21的阻值可以调节输出电流i o与电压信号u iop的比例。输出电流i o和电压信号u iop成正比，其波形相同、频率相同但是幅值不同，都是50Hz左右的交流正弦波，正常情况下不包含直流分量。电阻R 22、电容C 21、运算放大器AMP3、电阻R 23、电阻R 24构成一阶有源的第二低通滤波器4。第二低通滤波器4将电压信号u iop滤波后得到电压信号u ios。信号u ios连接四象限乘法器7的第6引脚Y2和第7引脚X2，由第9引脚W2输出0.4u ios 2，该信号送到控制器8的A/D2引脚。四象限乘法器7具有将两个信号相乘再乘以0.4倍的功能，由于控制器8的A/D2引脚的输入上限一般为2.5V~3.3V，如果信号u ios的幅值为2.5V，则0.4u ios 2的幅值刚好也为2.5V。
电流互感器2的输出电流i op接电阻R 21，在电阻R 21两端得到电压信号u iop，可以通过改变电阻R 21的阻值调节电压信号u iop的大小。因为电阻R 21的阻值不大于50Ω，电流i op的绝大部分流过电阻R 21，所以近似认为电流i op与电压信号u iop对应成比例。输出电压u o和输出电流i o、电压信号u iop的频率相同，均为50Hz左右的交流正弦波，正常情况下不包含直流分量。
如图3所示，电压信号u op经过第一正弦波-方波转换电路5转换成方波的过程为：电压信号u op先经过二极管D 2，当电压（幅值）u op大于0V时，二极管D 1导通；当电压（幅值）u op小于0V时，二极管D 1截止，将电压u oh箝位到0V以上。电阻R 1和电阻R 2将电压u oh分压，再经过电阻R 3、电容C 1阻容滤波后将信号送到运算放大器AMP1的同相输入端，运算放大器AMP1的反相输入端经过电阻R 5接地，由于运放输入端电流虚断，运算放大器AMP1的反相输入端电位为0V。当运算放大器AMP1的同相端电位大于0V时，输出信号u od为高电平，反之为低电平。当运算放大器AMP1的输出电压小于0V时，二极管D 2导通将电压u od箝位到0V。
如图3所示，电压信号u iop经过第二正弦波-方波转换电路6转换成方波的过程为：电压信号u iop先经过二极管D 31，当电压u iop（幅值）大于0V时，二极管D 31导通；当电压u iop小于0V时，二极管D 31截止，将电压u ioh箝位到0V以上。电阻R 31和R 32将电压u ioh分压，再经过电阻R 33、电容C 31阻容滤波后将信号送到运算放大器AMP4的同相输入端，运算放大器AMP4的反相输入端经过电阻R 35接地，由于运放输入端电流虚断，运算放大器AMP4的反相输入端电位为0V。当运算放大器AMP4的同相端电位大于0V时，输出信号u iod为高电平，反之为低电平。当运算放大器AMP4的输出电压小于0V时，二极管D 32导通将电压u iod箝位到0V。第一正弦波-方波转换电路5和第二正弦波-方波转换电路6的工作原理、元件选型、参数选取完全相同，这样可以确保电压信号u od相对于电压信号u op的移相角完全等于信号u iod相对于电压信号u iop的移相角，从而确保信号u iod相对于电压信号u od的移相角完全等于电流i o相对于电压u o的移相角。
根据方波信号u od和方波信号u iod上升沿的时间差得到方波信号u od滞后（或超前）方波信号u iod的时间T 2，相位差值α-β的弧度值可用下式表示：α-β= 2π (T 2/ T 1) (rad)，相位差示意图如图3所示。相位差值α-β可以用于计算并网逆变器输出的视在功率S、有功功率P和无功功率Q。其中，S=u o· i o；P= u o· i o·cos(α-β) ；P= u o· i o·sin(α-β)。
一种并网逆变系统的输出电压电流的快速分析方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：搭建并网逆变系统的输出电压电流检测装置，将电压互感器1的原边线圈与并网逆变器9的输出电压u o并联，将输出电压u o转化成低压交流的电压信号u op，电压信号u op由第一正弦波-方波转换电路5转化成方波信号u od给控制器8的I/O1端口；电压信号u op由第一低通滤波器3滤波得到电压信号u os，两个电压信号u os分别连接四象限乘法器7的第一路乘法器的两个输入端得到信号0.4u os 2，信号0.4u os 2传递到控制器8的A/D1端口；电流互感器2将并网逆变器9的输出电流i o转化成低压交流的电压信号u iop，电压信号u iop由第二正弦波-方波转换电路6转化成方波信号u iod给控制器8的I/O2端口；电压信号u iop由第二低通滤波器4滤波得到电压信号u ios，电压信号u ios分别连接四象限乘法器7的第二路乘法器的两个输入端使两个电压信号u ios相乘后再乘以0.4得到信号0.4u ios 2，信号0.4u ios 2传递到控制器8的A/D2端口。
步骤二：控制器8获取方波信号u od的频率f 1，控制器8比较方波信号u od与方波信号u iod的相位差值α-β，α为输出电压u o的相位角，β为输出电流i o的相位角。
本发明使用两个正弦波-方波转换电路分别将正弦波变成方波，用于检测输出电压u o与输出电流i o的频率与相位关系。根据国家《供电营业规则》规定：在电力系统正常状况下，供电频率的允许偏差为：当电网装机容量在300万千瓦及以上的，为±0.2赫兹；当电网装机容量在300万千瓦以下的，为±0.5赫兹；当电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1.0赫兹。因此，可以判断并网逆变器9的输出电压u o与输出电流i o的频率范围是49~51 Hz，换算成时间每个周期约为0.019608~0.020408 s之间；输出电压u o与输出电流i o的频率相同，相位角度关系在+90°~-90°之间，换算成时间约为+0.005~-0.005s之间。
方波信号u od的频率对应于并网逆变器9输出电压u o的频率f 1。输出电压u o的相位角为α，设输出电流i o的相位角为β，相位差值α-β对应于输出电压u o和输出电流i o的相位差值α-β，定义周期T 1=1/f 1。
步骤三：控制器8内部的A/D转换器将信号0.4u os 2转换成数字量并存入存储器，其中u os=|u os|sin(α)；从控制器8内部的存储器中取出信号0.4u os 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u os|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电压u o的有效值U CAL=k 1·0.4{(|u os|sinα)2+[|u os|sin(α+90)]2}，其中，k 1为常系数，单位为1/V。
以输出电压u o为例，其中信号平方(|u os|sinα)2采用硬件乘法器完成，控制器8读取(|u os|sinα)2转换成数字量并存储该数字量，信号平方[|u os|sin(α+90)]2实际上是信号延迟90°（1/4周期，约0.005 s）的值，[|u os|sin(α+90)]2对应的数字量是T 1/4周期之前sin2(α)对应的数字量，该数字量由控制器8从存储器中取出后，与(|u os|sinα)2对应的数字量相加得到直流数字量。该直流数字量与输出电压u o的有效值对应成比例。本发明根据sin2(α)+sin2(α+90°)=1的工作原理，将信号(2 u os|sinα)2与信号[|u os|sin(α+90)]2相加即可得到稳定的直流量，且该直流量与输出电压u o的有效值对应成比例。
如图4所示，控制器8的A/D1端口连接信号0.4u os 2(=0.4|u os|2sin2α)，控制器8内部的A/D转换器将该信号转换成数字量，并将该数字量存入存储器，该数字量与输出电压u o基波的平方对应成比例。从控制器8内部的存储器中取出在信号0.4u os 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u os|sin(α+90)]2对应的数字量，将二者相加得0.4{(|u os|sinα)2+[|u os|sin(α+90)]2}/V2。令U CAL表示电压u o的有效值，忽略谐波影响，则U CAL=k 1·0.4{(|u os|sinα)2+[|u os|sin(α+90)]2}，其中k 1为常系数，单位为1/V。可见，使用控制器8将两个恒正的脉动信号0.4u os 2和0.4[|u os|sin(α+90)]2相加得到与三角函数相位角无关的直流量，且该直流量与输出电压u o的有效值U CAL对应成比例。
步骤四：控制器8内部的A/D转换器将信号0.4u ios 2转换成数字量并存入存储器，其中u ios=|u ios|sin(α)；从控制器8内部的存储器中取出信号0.4u ios 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u ios|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电流i o的有效值I CAL=k 2·0.4{(|u ios|sinα)2+[|u ios|sin(α+90)]2}，其中，k 2为常系数，单位为1/A。
如图5所示，控制器8的A/D2端口连接信号0.4u ios 2(=0.4|u ios|2sin2α)，控制器8内部的A/D转换器将该信号转换成数字量，并将该数字量存入存储器，该数字量与输出电流i o基波的平方对应成比例。从控制器8内部的存储器中取出在信号0.4u ios 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u ios|sin(α+90)]2对应的数字量，将二者相加得0.4{(|u ios|sinα)2+[|u ios|sin(α+90)]2}/V2，令I CAL表示电流i o的有效值，忽略谐波影响，则I CAL=k 2·0.4{(|u ios|sinα)2+[|u ios|sin(α+90)]2}，其中k 2为常系数，单位为1/A。可见，使用控制器8将两个恒正的脉动信号0.4u ios 2和0.4[|u ios|sin(α+90)]2相加得到与三角函数相位角无关的直流量，且该直流量与电流i o的有效值I CAL对应成比例。
步骤五：并网逆变系统的额定输出视在功率S e=U CAL·I CAL在二维相平面图中表示为等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ；在等功率曲线Ⅰ与二维相平面的坐标轴之间为可靠工作区；等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ之间为过载区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅰ之后进入过载区；等功率曲线Ⅱ之外为短路区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅱ之后进入短路区。
如图6所示，电压有效值U CAL和电流有效值I CAL的对应关系可用二维相平面坐标描述，当逆变器稳定输出时，U CAL和I CAL的值基本不变，在二维相平面的第一象限对应一个坐标点。并网逆变系统的额定输出视在功率S e=U CAL·I CAL在二维相平面图中表示为等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ。只要是功率相同的曲线都是等功率曲线，所以相图中有无数条等功率曲线。在等功率曲线Ⅰ与二维相平面的坐标轴之间为可靠工作区，等功率曲线Ⅰ以内为可长期承受的负载；等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ之间为过载区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅰ之后进入过载区；等功率曲线Ⅱ之外为短路区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅱ之后进入短路区。
步骤六：通过步骤五建立的二维相平面图判断并网逆变器9的输出电压u o以及输出电流i o是否出现升压或负载急剧变化的情况。
并网逆变器9的输出电压u o与输出电流i o增加的比例基本相同时，判断为电压急剧升高且负载基本不变，稳态工作点迅速向二维相平面图的第一象限的右上方移动；当输出电压u o基本不变，输出电流i o急剧增大时，判断为负载急剧增大，稳态工作点迅速向二维相平面第一象限的正上方移动。
如图7所示，工作点表示二维相平面中，特定的电压有效值U CAL和特定电流有效值I CAL对应相平面内的一个点。工作点如果在二维相平面图内沿着等功率曲线的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现无功振荡，有功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现有功振荡，无功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内既不沿着等功率曲线方向往复振荡，也不沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，而是杂乱无章的振荡，则表示并网逆变系统出现混沌振荡。
采样值(|u ios|sinα)2和(|u os|sinα)2为一个含有直流分量和交流分量的脉动值，当输出电流i o以及输出电压u o急剧增大时，其瞬时值增大的幅值是不断变化的，这使得在异常到来的时刻判断输出电流以及输出电压的增加倍数比较困难。本发明用计算法求出未出现异常时，当前时刻(|u ios|sinα)2和(|u os|sinα)2的瞬时值，计算瞬时值与异常时刻出现时的瞬时值的比值是输出电流i o以及输出电压u o急剧增大的倍数。
本发明尽可能减少乘法和迭代算法，提高检测速度，用当前得到的一次A/D转换结果即可判断出并网逆变系统的输出电压以及电流是否出现升压或负载急剧变化的情况，使控制器实时判断并网逆变系统是否出现无法长期承受的过流和升压现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，包括电压互感器（1）、电流互感器（2）、第一低通滤波器（3）、第二低通滤波器（4）、第一正弦波-方波转换电路（5）、第二正弦波-方波转换电路（6）、四象限乘法器（7）和控制器（8），所述电压互感器（1）和电流互感器（2）的输入端均与并网逆变器（9）相连接，电压互感器（1）与第一低通滤波器（3）相连接，第一低通滤波器（3）与四象限乘法器（7）的第一路乘法器相连接，四象限乘法器（7）的第一路乘法器与控制器（8）相连接；所述电压互感器（1）与第一正弦波-方波转换电路（5）相连接，第一正弦波-方波转换电路（5）与控制器（8）相连接；所述电流互感器（2）与第二低通滤波器（4）相连接，第二低通滤波器（4）与四象限乘法器（7）的第二路乘法器相连接，四象限乘法器（7）的第二路乘法器与控制器（8）相连接；电流互感器（2）与第二正弦波-方波转换电路（6）相连接，第二正弦波-方波转换电路（6）与控制器（8）相连接。
2.根据权利要求1所述的并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，所述并网逆变器（9）的输出电压u o的参考输出正端与电阻R 11串联后连接电压互感器（1）的原边线圈的异名端，电压互感器（1）的原边线圈的同名端与输出电压u o的参考输出负端相连，电压互感器（1）的副边线圈两端连接电阻R 12的两端；所述电压互感器（1）的副边线圈的同名端与电阻R 13相连接，电阻R 13与电容C 11串联构成的支路与电阻R 12并联，电容C 11与电阻R 12之间的连接点与接地端GND相连接，电阻R 13与电容C 11串联的连接点与运算放大器AMP2的同相输入端相连接，运算放大器AMP2与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 14与电阻R 15串联构成的支路两端分别连接运算放大器AMP2的输出端和接地端GND，电阻R 14与电阻R 15之间的连接点与运算放大器AMP2的反相输入端相连；所述运算放大器AMP2的输出端分别与四象限乘法器（7）的第一路乘法器的输入引脚X1和输入引脚Y1相连接，四象限乘法器（7）的第一路乘法器的输出引脚W1与控制器（8）的输入引脚A/D1相连接。
3.根据权利要求2所述的并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，所述电压互感器（1）的副边线圈的同名端与二极管D 1相连接，二极管D 1与电阻R 1相串联，电阻R 1与电阻R 2构成电阻串联电路，电阻R 2另一端与接地端GND相连接，电阻R 1与电阻R 2的连接点与电阻R 3连接，电阻R 3与电容C 1相连接，电容C 1与接地端GND相连接，电阻R 3与电容C 1的连接点与电阻R 4连接，电阻R 4与运算放大器AMP1的同相输入端相连，运算放大器AMP1与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 5连接运算放大器AMP1的反向输入端和接地端GND，电容C 2和电容C 3均与接地端GND相连接，电容C 2与负5V的电源相连接，电容C 3与正5V的电源相连接；运算放大器AMP1的输出端通过与接地端GND相连接，运算放大器AMP1的输出端通过电阻R 6与正5V电源相连接，运算放大器AMP1的输出端和控制器（8）的I/O1端口相连接。
4.根据权利要求1所述的并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，所述并网逆变器（9）的输出电流i o穿过电流互感器（2）的铁芯，电流互感器（2）与电阻R 21并联连接，电阻R 21与接地端GND相连接，电流互感器（2）的输出端与电阻R 22相连接，电阻R 22与电容C 21串联构成的支路与电阻R 21并联，电阻R 22与电容C 21串联的连接点与运算放大器AMP3的同相输入端相连接，运算放大器AMP3与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 23与电阻R 24串联构成的支路两端分别与运算放大器AMP3的输出端和接地端GND相连接，电阻R 23与电阻R 24之间的连接点与运算放大器AMP3的反相输入端相连接，运算放大器AMP3的输出端与四象限乘法器（7）的第二路乘法器的输入引脚X2和输入引脚Y2相连接，四象限乘法器（7）的第二路乘法器的输出引脚W2和控制器（8）的输入引脚A/D2相连接。
5.根据权利要求4所述的并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，所述电流互感器（2）与二极管D 31相连接，二极管D 31与电阻R 31相串联，电阻R 31与电阻R 32相串联，电阻R 32与接地端GND相连接，电阻R 31与电阻R 32之间的连接点与电阻R 33连接，电阻R 33与电容C 31相连接，电容C 31与接地端GND相连接，电阻R 33与电容C 31的连接点与电阻R 34连接，电阻R 34与运算放大器AMP4的同相输入端相连接，运算放大器AMP4与正5V和负5V的电源相连接，电阻R 35的两端连接到运算放大器AMP4的反向输入端和接地端GND，电容C 32连接在正5V电源与接地端GND之间，电容C 33连接在负5V电源与接地端GND之间；运算放大器AMP4的输出端通过二极管D 32与接地端GND相连接，运算放大器AMP4的输出端通过电阻R 36与正5V电源相连接，运算放大器AMP4的输出端和控制器（8）的I/O2端口相连接。
6.根据权利要求2或4所述的并网逆变系统的输出电压电流检测装置，其特征在于，所述电压互感器（1）的原边线圈与副边线圈的匝数比为1：1；电阻R 13、电容C 11、运算放大器AMP2、电阻R 14、电阻R 15构成一阶有源的第一低通滤波器（3）；电阻R 22、电容C 21、运算放大器AMP3、电阻R 23、电阻R 24构成一阶有源的第二低通滤波器（4）。
7.一种并网逆变系统的输出电压电流的快速分析方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：搭建并网逆变系统的输出电压电流检测装置，将电压互感器（1）的原边线圈与并网逆变器（9）的输出电压u o并联，将输出电压u o转化成低压交流的电压信号u op，电压信号u op由第一正弦波-方波转换电路（5）转化成方波信号u od给控制器（8）的I/O1端口；电压信号u op由第一低通滤波器（3）滤波得到电压信号u os，两个电压信号u os分别连接四象限乘法器（7）的第一路乘法器的两个输入端得到信号0.4u os 2，信号0.4u os 2传递到控制器（8）的A/D1端口；电流互感器（2）将并网逆变器（9）的输出电流i o转化成低压交流的电压信号u iop，电压信号u iop由第二正弦波-方波转换电路（6）转化成方波信号u iod给控制器（8）的I/O2端口；电压信号u iop由第二低通滤波器（4）滤波得到电压信号u ios，电压信号u ios分别连接四象限乘法器（7）的第二路乘法器的两个输入端使两个电压信号u ios相乘后再乘以0.4得到信号0.4u ios 2，信号0.4u ios 2传递到控制器（8）的A/D2端口；
步骤二：控制器（8）获取方波信号u od的频率f 1，控制器（8）比较方波信号u od与方波信号u iod的相位差值α-β，α为输出电压u o的相位角，β为输出电流i o的相位角；
步骤三：控制器（8）内部的A/D转换器将信号0.4u os 2转换成数字量并存入存储器，其中u os=|u os|sin(α)；从控制器（8）内部的存储器中取出信号0.4u os 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u os|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电压u o的有效值U CAL=k 1·0.4{(|u os|sinα)2+[|u os|sin(α+90)]2}，其中，k 1为常系数，单位为1/V；
步骤四：控制器（8）内部的A/D转换器将信号0.4u ios 2转换成数字量并存入存储器，其中u ios=|u ios|sin(α)；从控制器（8）内部的存储器中取出信号0.4u ios 2之前T 1/4时刻的波形0.4[|u ios|sin(α+90)]2对应的数字量，得到输出电压电流i o的有效值I CAL=k 2·0.4{(|u ios|sinα)2+[|u ios|sin(α+90)]2}，其中，k 2为常系数，单位为1/A；
步骤五：并网逆变系统的额定输出视在功率S e=U CAL·I CAL在二维相平面图中表示为等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ；在等功率曲线Ⅰ与二维相平面的坐标轴之间为可靠工作区；等功率曲线Ⅰ和等功率曲线Ⅱ之间为过载区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅰ之后进入过载区；等功率曲线Ⅱ之外为短路区，当输出视在功率S超越等功率曲线Ⅱ之后进入短路区；
步骤六：通过步骤五建立的二维相平面图判断并网逆变器（9）的输出电压u o以及输出电流i o是否出现升压或负载急剧变化的情况。
8.根据权利要求7所述的并网逆变系统的输出电压电流的快速分析方法，其特征在于，所述并网逆变器（9）的输出电压u o与输出电流i o增加的比例基本相同时，判断为电压急剧升高且负载基本不变，稳态工作点迅速向二维相平面图的第一象限的右上方移动；当输出电压u o基本不变，输出电流i o急剧增大时，判断为负载急剧增大，稳态工作点迅速向二维相平面第一象限的正上方移动。
9.根据权利要求7所述的并网逆变系统的输出电压电流的快速分析方法，其特征在于，工作点如果在二维相平面图内沿着等功率曲线的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现无功振荡，有功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，则表示并网逆变系统出现有功振荡，无功输出基本不变；
工作点如果在二维相平面图内既不沿着等功率曲线方向往复振荡，也不沿着与等功率曲线垂直的方向往复振荡，而是杂乱无章的振荡，则表示并网逆变系统出现混沌振荡。
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