CN108448642A - 一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法 - Google Patents
一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电力电子装置控制技术领域,具体涉及一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法。发明所要解决的技术问题是提出一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法,通过基于异步通讯方式,解决了在较为复杂的硬件系统里难以实现电网电压的相位跟踪问题。为了解决上述技术问题,本发明提出这样一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法,包括并网逆变器模块、电网电压检测模块、储能器件、IGBT模块、隔离变压器和并网接触器;并网逆变器模块和电网电压检测模块之间进行CAN通讯。本发明具有能在较为复杂的硬件系统里实现电网电压的相位跟踪的效果。
Description
技术领域
本发明属于电力电子装置控制技术领域,具体涉及一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法。
背景技术
随着各种非线性负载的大量使用,电能质量问题日益突出,用来改善电能质量的各种电力电子装置得了较广泛的应用。它们直接或通过变压器、电抗器等设备与电网并联或串联,并依赖电源电压与电网保持同步运行。要实现并网逆变电源与电网的同步运行,首先必须检测电网电压的频率和相位,并以此来控制变换器,使其与电网电压保持同步。在此过程中,相位跟踪是控制的一个关键环节,是电力电子装置实现有效控制的基础。
目前,并网逆变器的相位跟踪方案多是:通过硬件过零检测法或者复杂的同步坐标变换、滤波及反变换等软件方式获得系统电压、电网电压的相位,根据两个相位信号的相对情况,实施对系统电压相位的控制,实现系统电压与电网电压信号的同步。不管是硬件检测法还是软件处理法,系统电压、电网电压的相位信号均为同步输送到同一个主控芯片中,在相同的主控频率下同步实施相同的处理。而两相位信号输送到不同主频的控制芯片,实现电网电压的相位跟踪的方法则几乎无相关文献和专利进行论述。为解决这一问题,本发明提出了一种两主控芯片基于异步通讯方式实现电网相位跟踪的方法,该法能在较为复杂的硬件系统里实现电网电压的相位跟踪。
发明内容
根据以上现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是提出一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统及方法,通过基于异步通讯方式,解决了在较为复杂的硬件系统里难以实现电网电压的相位跟踪的问题,具有能在较为复杂的硬件系统里实现电网电压的相位跟踪的效果。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,包括并网逆变器模块和电网电压检测模块;并网逆变器模块包括储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器、并网接触器和DSP主控板;储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器和并网接触器顺次连接,并网接触器再连接至电网,并网逆变器模块和电网电压检测模块之间进行CAN通讯。
优选的,所述并网逆变器模块的DSP主控板包括DSP主控单元、PWM控制单元和AD采样/捕获单元;AD采样/捕获单元用于逆变器信号的AD采样,采集的信号包括经过IGBT模块的电压udc、总电流idc及其各支路电流ia、ib和ic,还对隔离变压器输出端的电流va、vb和vc进行采样,并将采集的信号传送给DSP主控板;DSP主控板用于数据处理和算法运行,并通过SVPWM技术形成驱动脉冲,驱动IGBT模块,最后通过滤波器输出正弦信号。
优选的,所述电网电压检测模块包括ARM通讯单元和AD采样单元,AD采样单元采集电网电压vsa、vsb和vsc,并将采集的信号传送给ARM通讯单元;DSP主控板采用主频90MHz的TMS320F2812PGFA;ARM通讯板采用主频72MHz的STM32F107VCT6;ARM通讯板和DSP主控板之间通过波特率1MHz的CAN异步通讯交互数据。
优选的,所述并网逆变器模块的软件部分包括下溢中断单元、相位跟踪单元和异步通讯接收中断单元;下溢中断为定时中断,可根据电力电子器件的开关频率确定定时时间;定时下溢中断单元中有系统电压相位指针和电网电压相位指针,下溢中断每触发一次,两个指针加一,当两个指针数值超过定时下溢中断的采样倍率后,两指针清零,同时,当异步通讯接收中断被触发时,电网电压相位指针清零。
优选的,所述电网电压检测模块的软件部分包括AD采样单元、数据处理单元、电网电压过零判定单元以及异步通讯发送单元,分别用于实现对电网电压信号的AD采样、过零处理以及异步通讯发送处理。
优选的,所述AD采样单元的AD采样频率为8.2kHz,即一个正弦周波20ms内有164个采样点;每个循环有且唯有一个采样点进行AD数据读取、数据处理、软件滤波处理,当前采样点和上一个采样点幅值通过与零作比较,判断出该点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若是,则立即触发CAN发送相应信息,若不是,则等待对下一点采样点进行处理。
优选的,所述定时下溢中断的定时周期为156.25us,即一个正弦周波20ms128个定时周期。每次触发定时下溢中断,系统电压相位指针Ua_Pointer加一,电网电压相位指针Usa_Pointer加一;如果Ua_Pointer、Usa_Pointer在定时下溢中断中大于127,清零;另外,如果CAN接收中断被触发时,Usa_Pointer也被清零。
优选的,所述跟踪系统的电压相位指针和电网电压相位指针分别代表逆变器系统电压和电网电压相位的实际运行情况;依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位;
跟踪相位可用下式表示:跟踪相位=(系统电压相位指针+补偿量)*2π/下溢中断采样倍率,跟踪相位即是并网逆变器离网算法中三相参考电压信号的基准相位。
优选的,所述定时下溢中断中运行离网算法,离网算法需要构造三相参考电压信号,其中,参考电压的相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),1608=(2π/128)*32768;由参考电压相位以及电网电压幅值构造出三相参考电压信号,三相参考电压信号和三相实际电压信号进行坐标变换,变换出的信号经过PI算法调节、坐标变换反变换得到Ualpha、Ubeta,再经过SVPWM算法得到脉冲驱动信号,驱动逆变电路中的IGBT模块,并通过LC滤波器输出正弦信号。
一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统的跟踪方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:依次采集电网电压AD分离采样值;
步骤二:通过数据处理单元得到电网电压分离采样点幅值;
步骤三:再通过过零判定单元判断该采样点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若不是则结束;若是,则立即触发异步通讯发送单元,向并网逆变器模块发送电网电压过零标志位,依电网电压检测模块异步通讯发送时刻点作为电网电压过零点时刻;
步骤四:DSP主控板的CAN接收中断接收到ARM通讯板的电网电压过零标志位时,电网电压相位指针清零;
步骤五:每次触发定时下溢中断,电网电压相位指针和系统电压相位指针加一,若超过下溢中断采样倍率时,清零;
步骤六:依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位;
步骤七:系统电压基准相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),其中Ua_Pointer是系统电压相位指针,1608=(2π/128)*32768;
步骤八:由基准相位构造出三相电压的参考相位;
步骤九:由三相电压的参考相位和幅值构造出三相参考电压;
步骤十:参考电压与实际电压经瞬时无功变换,PI算法调节得Ualpha、Ubeta;
步骤十一:SVPWM算法控制IGBT模块。
本发明有益效果是:软件设计简单,稳定性强,动态性好的特点,能够适用于较复杂的硬件环境,具有良好的工程应用价值。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明:
图1是本发明的具体实施方式的系统整体结构图。
图2是本发明的具体实施方式的电网电压检测模块工作流程图。
图3是本发明的具体实施方式的电压跟踪电网电压相位算法流程图。
图4是本发明的具体实施方式的并网逆变器模块离网算法流程图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述,本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等,作进一步详细的说明,以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示,一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,包括并网逆变器模块和电网电压检测模块;并网逆变器模块包括储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器、并网接触器和DSP主控板;储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器和并网接触器顺次连接,并网接触器再连接至电网,并网逆变器模块和电网电压检测模块之间进行CAN通讯。
其中并网逆变器模块的DSP主控板包括DSP主控单元、PWM控制单元和AD采样/捕获单元;AD采样/捕获单元用于逆变器信号的AD采样,采集的信号包括经过IGBT模块的电压udc、总电流idc及其各支路电流ia、ib和ic,还对隔离变压器输出端的电流va、vb和vc进行采样,并将采集的信号传送给DSP主控板;DSP主控板用于数据处理和算法运行,并通过SVPWM技术形成驱动脉冲,驱动IGBT模块,最后通过滤波器输出正弦信号。
电网电压检测模块包括ARM通讯单元和AD采样单元,AD采样单元采集电网电压vsa、vsb和vsc,并将采集的信号传送给ARM通讯单元。
DSP主控板采用主频90MHz的TMS320F2812PGFA;ARM通讯单元采用主频72MHz的STM32F107VCT6;ARM通讯单元和DSP主控板之间通过波特率1MHz的CAN异步通讯交互数据。
并网逆变器模块包括下溢中断单元、相位跟踪单元和异步通讯接收中断单元。下溢中断为定时中断,可根据电力电子器件的开关频率确定定时时间;定时下溢中断单元中有系统电压相位指针和电网电压相位指针,下溢中断每触发一次,两个指针加一,当两个指针数值超过定时下溢中断的采样倍率后,两指针清零,同时,当异步通讯接收中断被触发时,电网电压相位指针清零。
并网逆变器模块的异步通讯接收中断接收到电网电压过零标志位时,立即对电网电压相位指针进行清零操作,用于校准电网电压相位指针的大小与电网电压实际相位保持正相关关系。
如图2所示,电网电压检测模块负责电网电压的AD采样,经过数据处理单元、过零判定单元判断出电网电压上升过零点最邻近的采样点,若判断结果为是,立即触发异步通讯发送单元,向并网逆变器模块发送电网电压过零标志位;
AD采样单元的AD采样频率为8.2kHz,即一个正弦周波20ms内有164个采样点。如附图2所示,每个循环有且唯有一个采样点进行AD数据读取、数据处理、软件滤波处理,当前采样点和上一个采样点幅值通过与零作比较,判断出该点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若是,则立即触发CAN发送相应信息,若不是,则等待对下一点采样点进行处理。
DSP主控板定时下溢中断的定时周期为156.25us,即一个正弦周波20ms128个定时周期。每次触发定时下溢中断,系统电压相位指针Ua_Pointer加一,电网电压相位指针Usa_Pointer加一。如果Ua_Pointer、Usa_Pointer在定时下溢中断中大于127,清零。另外,如果CAN接收中断被触发时,Usa_Pointer也被清零。
并网逆变器模块中用两个指针分别表示系统电压相位与电网电压相位,两个指针的大小分别表示系统电压与电网电压的实际相位情况。两指针运行于下溢中断模块中,每次触发定时下溢中断,电网电压相位指针和系统电压相位指针加一,若超过下溢中断采样倍率时,清零。依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位。考虑到两主控芯片采样频率的不同、运算速率的不同、异步通讯延时等影响因素,最终的跟踪相位可用下式表示:跟踪相位=(系统电压相位指针+补偿量)*2π/下溢中断采样倍率,跟踪相位即是并网逆变器离网算法中三相参考电压信号的基准相位。
相位跟踪代码运行,工作流程图如图3所示,系统电压相位指针Ua_Pointer、电网电压相位指针Usa_Pointer作差比较,根据两指针的差值情况,对系统电压相位指针Ua_Pointer进行控制调节,直到系统电压相位跟踪上电网电压信号。
定时下溢中断中运行离网算法,离网算法流程图如附图4所示,离网算法需要构造三相参考电压信号,其中,参考电压的相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),1608=(2π/128)*32768;由参考电压相位以及电网电压幅值构造出三相参考电压信号,三相参考电压信号和三相实际电压信号进行坐标变换,变换出的信号经过PI算法调节、坐标变换反变换得到Ualpha、Ubeta,再经过SVPWM算法得到脉冲驱动信号,驱动逆变电路中的IGBT模块,并通过LC滤波器输出正弦信号。
一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统的跟踪方法,包括:
步骤一:依次采集电网电压AD分离采样值;
步骤二:通过数据处理单元得到电网电压分离采样点幅值;
步骤三:再通过过零判定判断该采样点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若不是则结束;若是,则立即触发异步通讯发送单元,向并网逆变器模块发送电网电压过零标志位,依电网电压检测模块异步通讯发送时刻点作为电网电压过零点时刻;
步骤四:DSP主控板的CAN接收中断接收到ARM通讯单元的电网电压过零标志位时,电网电压相位指针清零;
步骤五:每次触发定时下溢中断,电网电压相位指针和系统电压相位指针加一,若超过下溢中断采样倍率时,清零;
步骤六:依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位;
步骤七:系统电压基准相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),其中Ua_Pointer是系统电压相位指针,1608=(2π/128)*32768;
步骤八:由基准相位构造出三相电压的参考相位;
步骤九:由三相电压的参考相位和幅值构造出三相参考电压;
步骤十:参考电压与实际电压经瞬时无功变换,PI算法调节得Ualpha、Ubeta;
步骤十一:SVPWM算法控制IGBT模块。
上面对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,包括并网逆变器模块和电网电压检测模块;并网逆变器模块包括储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器、并网接触器和DSP主控板;储能器件、IGBT模块、滤波器、隔离变压器和并网接触器顺次连接,并网接触器再连接至电网,并网逆变器模块和电网电压检测模块之间进行CAN通讯。
2.根据权利要求1所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述并网逆变器模块的DSP主控板包括DSP主控单元、PWM控制单元和AD采样/捕获单元;AD采样/捕获单元用于逆变器信号的AD采样,采集的信号包括经过IGBT模块的电压udc、总电流idc及其各支路电流ia、ib和ic,还对隔离变压器输出端的电流va、vb和vc进行采样,并将采集的信号传送给DSP主控板;DSP主控板用于数据处理和算法运行,并通过SVPWM技术形成驱动脉冲,驱动IGBT模块,最后通过滤波器输出正弦信号。
3.根据权利要求1所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述电网电压检测模块包括ARM通讯单元和AD采样单元,AD采样单元采集电网电压vsa、vsb和vsc,并将采集的信号传送给ARM通讯单元;DSP主控板采用主频90MHz的TMS320F2812PGFA;ARM通讯板采用主频72MHz的STM32F107VCT6;ARM通讯板和DSP主控板之间通过波特率1MHz的CAN异步通讯交互数据。
4.根据权利要求1所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述并网逆变器模块的软件部分包括下溢中断单元、相位跟踪单元和异步通讯接收中断单元;下溢中断为定时中断,可根据电力电子器件的开关频率确定定时时间;定时下溢中断单元中有系统电压相位指针和电网电压相位指针,下溢中断每触发一次,两个指针加一,当两个指针数值超过定时下溢中断的采样倍率后,两指针清零,同时,当异步通讯接收中断被触发时,电网电压相位指针清零。
5.根据权利要求1所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述电网电压检测模块的软件部分包括AD采样单元、数据处理单元、电网电压过零判定单元以及异步通讯发送单元,分别用于实现对电网电压信号的AD采样、过零处理以及异步通讯发送处理。
6.根据权利要求3所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述AD采样单元的AD采样频率为8.2kHz,即一个正弦周波20ms内有164个采样点;每个循环有且唯有一个采样点进行AD数据读取、数据处理、软件滤波处理,当前采样点和上一个采样点幅值通过与零作比较,判断出该点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若是,则立即触发CAN发送相应信息,若不是,则等待对下一点采样点进行处理。
7.根据权利要求4所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述定时下溢中断的定时周期为156.25us,即一个正弦周波20ms128个定时周期。每次触发定时下溢中断,系统电压相位指针Ua_Pointer加一,电网电压相位指针Usa_Pointer加一;如果Ua_Pointer、Usa_Pointer在定时下溢中断中大于127,清零;另外,如果CAN接收中断被触发时,Usa_Pointer也被清零。
8.根据权利要求4所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述跟踪系统的电压相位指针和电网电压相位指针分别代表逆变器系统电压和电网电压相位的实际运行情况;依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位;
跟踪相位可用下式表示:跟踪相位=(系统电压相位指针+补偿量)*2π/下溢中断采样倍率,跟踪相位即是并网逆变器离网算法中三相参考电压信号的基准相位。
9.根据权利要求4所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统,其特征在于,所述定时下溢中断中运行离网算法,离网算法需要构造三相参考电压信号,其中,参考电压的相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),1608=(2π/128)*32768;由参考电压相位以及电网电压幅值构造出三相参考电压信号,三相参考电压信号和三相实际电压信号进行坐标变换,变换出的信号经过PI算法调节、坐标变换反变换得到Ualpha、Ubeta,再经过SVPWM算法得到脉冲驱动信号,驱动逆变电路中的IGBT模块,并通过LC滤波器输出正弦信号。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于异步通讯方式的电网相位跟踪系统的跟踪方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:依次采集电网电压AD分离采样值;
步骤二:通过数据处理单元得到电网电压分离采样点幅值;
步骤三:再通过过零判定单元判断该采样点是否是电网电压上升过零点最邻近的采样点,若不是则结束;若是,则立即触发异步通讯发送单元,向并网逆变器模块发送电网电压过零标志位,依电网电压检测模块异步通讯发送时刻点作为电网电压过零点时刻;
步骤四:DSP主控板的CAN接收中断接收到ARM通讯板的电网电压过零标志位时,电网电压相位指针清零;
步骤五:每次触发定时下溢中断,电网电压相位指针和系统电压相位指针加一,若超过下溢中断采样倍率时,清零;
步骤六:依电网电压相位指针为参考基准,通过相位跟踪单元对系统电压相位指针进行调节控制,直到系统电压相位跟踪上电网电压相位;
步骤七:系统电压基准相位Phase=1608*(Ua_Pointer+补偿量),其中Ua_Pointer是系统电压相位指针,1608=(2π/128)*32768;
步骤八:由基准相位构造出三相电压的参考相位;
步骤九:由三相电压的参考相位和幅值构造出三相参考电压;
步骤十:参考电压与实际电压经瞬时无功变换,PI算法调节得Ualpha、Ubeta;
步骤十一:SVPWM算法控制IGBT模块。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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