CN111025056B - 一种基于三角函数特性的电网参数检测方法和可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三角函数特性的电网参数检测方法，包括：S1、软启动电网并网系统中的母线电容器；S2、在所述电网并网系统的电网电压的幅值和频率正常且母线电容电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态；S3、采集所述电网并网系统的电网电压并基于三角函数特性根据所述电网电压检测所述电网的掉电参数和/或采集所述电网并网系统的并网电流并基于三角函数特性根据所述并网电流检测所述并网电流的特定次谐波。本发明还涉及计算机存储介质。本发明可以有效减小电网掉电参数的检测时间，减少误判；还可以检测并网电流谐波，并可对其进行补偿。

Description

一种基于三角函数特性的电网参数检测方法和可读存储介质

技术领域

本发明涉及电力参数检测领域，更具体地说，涉及一种基于三角函数特性的电网参数检测方法和可读存储介质。

背景技术

目前，随着能源危机的日益加剧和环保意识的提高，绿色可再生能源发电成为各国研究应用的重点。太阳能光伏发电系统、风力发电系统、微网系统、并离网储能系统的应用也越来越广泛。其中，不可避免的需要对电网参数，例如电网掉电情况，并网电流谐波进行检测。然而，目前的电网参数的检测方法，不但触发条件要求高、运算复杂并且容易产生误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种易于实现、运算简单、测量准确的基于三角函数特性的电网参数检测方法和可读存储介质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于三角函数特性的电网参数检测方法，包括：

S1、软启动电网并网系统中的母线电容器；

S2、在所述电网并网系统的电网电压的幅值和频率正常且母线电容电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态；

S3、采集所述电网并网系统的电网电压并基于三角函数特性根据所述电网电压检测所述电网的掉电参数；和/或采集所述电网并网系统的并网电流并基于三角函数特性根据所述并网电流检测所述并网电流的特定次谐波。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，所述步骤S3进一步包括：

S31、对所述电网电压取绝对值，从而获取电网电压瞬时绝对值；

S32、对所述电网电压瞬时绝对值进行离散后再进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值；

S33、对所述电网电压瞬时值进行离散后再计算电网电压有效值、电网电压频率、载波比；

S34、基于所述电网电压有效值、电网电压频率、载波比，设置所述半周期迭代累加值的波动上限值和波动下限值；

S35、基于所述半周期迭代累加值、所述波动上限值和所述波动下限值，检测所述电网的掉电参数。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，每个工频周期更新所述波动上限值和所述波动下限值。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，所述步骤S3进一步包括：

S3a、对所述电网电压进行锁相运算以获得所述并网电流的特定次谐波相位；

S3b、基于所述特定次谐波相位合成特定次谐波并对所述并网电流进行谐波补偿。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，所述步骤S3b进一步包括：

S3b1、获取所述电网电压的并网电流瞬时值，并基于所述并网电流瞬时值和所述特定次谐波相位，利用三角函数特性计算特定次谐波幅值并基于所述特定次谐波幅值合成所述特定次谐波；

S3b2、采用并网电流闭环控制，将并网电流闭环参考值减去所述特定次谐波以产生于所述特定次谐波大小相同、相位相反的补偿量，并基于所述补偿量对所述并网电流进行谐波补偿。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，在所述步骤S1中，通过控制电网并网系统中LLC电路的功率器件的占空比和频率实现对所述母线电容器的软启动充电。

在本发明所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法中，所述步骤S2进一步包括在待母线电容器的电压值达到电压设定幅值时，判定母线电容器的电压达到并网要求；以及通过软件锁相获得电网电压的频率和相位值，进而产生与所述电网电压同步的SPWM信号。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是构造一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述任意一种基于三角函数特性的电网参数检测方法。

实施本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法和计算机可读存储介质，利用三角函数特性，一方面可以将电网电压瞬时绝对值离散再进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，并且将其作为判断电网掉电的依据，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确，能有效减小电网掉电参数的检测时间，减少误判；另一方面可以检测并网电流谐波，并且可以对其进行补偿，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的第一优选实施例的流程图；

图2是基于三角函数特性的电网参数检测方法的优选车载电池并网系统的结构示意图；

图3是图2所示车载电池并网系统的电路原理图；

图4是正弦三角函数任意半周期曲线和时间轴围成的面积阴影示意图；

图5示出了本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的电网掉电判断的流程图；

图6示出了本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的特定次谐波的检测补偿逻辑控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种基于三角函数特性的电网参数检测方法，包括：S1、软启动电网并网系统中的母线电容器；S2、在所述电网并网系统的电网电压的幅值和频率正常且母线电容电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态；S3、采集所述电网并网系统的电网电压并基于三角函数特性根据所述电网电压检测所述电网的掉电参数；和/或采集所述电网并网系统的并网电流并基于三角函数特性根据所述并网电流检测所述并网电流的特定次谐波。实施本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法，利用三角函数特性，一方面可以将电网电压瞬时绝对值离散再进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，并且将其作为判断电网掉电的依据，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确，能有效减小电网掉电参数的检测时间，减少误判；另一方面可以检测并网电流谐波，并且可以对其进行补偿，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确。

图1是本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的第一优选实施例的流程图。如图1所示，在步骤S1中，软启动电网并网系统中的母线电容器。在本发明的优选实施例中，该并网系统可以是本领域中任何的适合的电源系统，其可以就有任何适合的电路结构。在本发明的优选实施例中，可以通过控制电网并网系统中LLC电路的功率器件的占空比和频率实现对所述母线电容器的软启动充电。

在步骤S2中，在所述电网并网系统的电网电压的幅值和频率正常且母线电容电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态。在本发明的优选实施例中，可以设置电压传感器模块，获取电网电压的幅值和频率，并通过控制模块或者芯片判断电网电压的幅值和频率是否正常。在本发明的优选实施例中，可以实时检测母线电容器的电压值，待母线电容器的电压值达到340V时，即判断母线电容器的电压达到并网要求。当然，在本发明的其他优选实施例中，可以设置其他母线电容器值。优选的，在判定电压幅值和频率正常，以及母线电容器的电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态。

在图1所示的基于三角函数特性的电网参数检测方法的优选实施例中，其可以只包括步骤S3，或者只包括步骤S4，或者同时包括步骤S3和S4。在其同时包括步骤S3和S4时，两个步骤可以同时执行，也可以一前一后执行，其顺序不限。

在步骤S3中，采集所述电网并网系统的电网电压并基于三角函数特性根据所述电网电压检测所述电网的掉电参数。在本实施例中，掉电参数检测实际上就是判定是否掉电，或者说电网电压是否异常。在本发明的优选实施例中，所述步骤S3进一步包括对所述电网电压取绝对值，从而获取电网电压瞬时绝对值；对所述电网电压瞬时绝对值进行离散后再进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值；对所述电网电压瞬时值进行离散后再计算电网电压有效值、电网电压频率、载波比；基于所述电网电压有效值、电网电压频率、载波比，设置所述半周期迭代累加值的波动上限值和波动下限值；基于所述半周期迭代累加值、所述波动上限值和所述波动下限值，检测所述电网的掉电参数。在本发明的进一步的优选实施例中，每个工频周期更新所述上限值和所述下限值。

在步骤S4中。采集所述电网并网系统的并网电流并基于三角函数特性根据所述并网电流检测所述并网电流的特定次谐波。在本发明的优选实施例中，所述步骤S4进一步包括对所述电网电压进行锁相运算以获得所述并网电流的特定次谐波相位；基于所述特定次谐波相位合成特定次谐波并对所述并网电流进行谐波补偿。优选的，谐波补偿的具体计算过程包括获取所述电网电压的并网电流瞬时值，并基于所述并网电流瞬时值和所述特定次谐波相位，利用三角函数特性计算特定次谐波幅值并基于所述特定次谐波幅值合成所述特定次谐波；采用并网电流闭环控制，将并网电流闭环参考值减去所述特定次谐波以产生于所述特定次谐波大小相同、相位相反的补偿量，并基于所述补偿量对所述并网电流进行谐波补偿。

实施本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法，利用三角函数特性，一方面可以将电网电压瞬时绝对值进行离散再半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，并且将其作为判断电网掉电的依据，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确，能有效减小电网掉电参数的检测时间，减少误判；另一方面可以检测并网电流谐波，并且可以对其进行补偿，整个方案不但易于实现而且运算简单、测量准确。

图2是基于三角函数特性的电网参数检测方法的优选车载电池并网系统的结构示意图。图3是图2所示车载电池并网系统的电路原理图。如图2-3所示，车载电池并网系统包括依次相连接的电池模块1、空气开关2、电解电容器3、LLC电路4、母线电容器5、逆变器6、电抗器7、继电器8、电网9。所述电抗器7通过继电器8与电网9相连。所述电池模块1回路中串联有电流传感器。所述电解电容器3的两端直流电压、母线电容器5的两端直流电压，分别通过电阻串联和线性光耦电路进行采样。所述电网9与继电器8回路上串联有电流传感器。所述电网9的两端还装有电压传感器。所述电压传感器和电流传感器的输出端经信号调理电路后均与DSP及控制电路10的输入端连接。所述DSP及控制电路10的输出端分别与空气开关2、继电器8、LLC电路4、逆变器6的输入端相连。所述DSP及控制电路10通过运算输出PWM信号至LLC电路4，通过电流跟踪算法输出正弦PWM信号至逆变器6，通过系统逻辑输出开关信号控制继电器8与空气开关2的开通与关断。

在本优选实施中，车载电池并网系统的运行分成四个阶段，即母线电容器电压软启动，母线电容器电压值与电网异常判断，继电器检测和并网运行。

在第一阶段，进行母线电容器电压软启动：闭合空气开关2，DSP及控制电路10生成PWM信号送至LLC电路4，对母线电容器5充电。在本发明的优选实施例中，DSP及控制电路10通过控制LLC电路4的功率器件占空比与频率，实现电池模块1向母线电容器5充电。

在第二阶段中，进行母线电容器电压值与电网异常判断：DSP及控制电路10判断电网电压幅值和频率是否正常，并判断母线电容器5的电压是否达到并网要求。在本发明的优选实施例中，例如DSP及控制电路10实时检测母线电容器5的电压值，待母线电容器5的电压值达到340V时，即判断母线电容器5的电压达到并网要求。当然，在本发明的其他优选实施例中，可以设置其他母线电容器值。

在第三阶段中，进行继电器检测：当在第二阶段中，判定所述电网9的电压幅值和频率正常，以及母线电容器5的电压达到并网要求后，在电网电压过零点闭合继电器8，并网逆变器6通过电抗器7与电网9连接。

在第四阶段中，进行并网运行：在第三阶段结束之后，DSP及控制电路10对采集的电池模块1的电池电压与电池电流、母线电容器5的电容电压、电网9的电网电压和并网电流进行运算处理，将产生的SPWM信号输出至逆变器6，进入并网阶段。在本发明的优选实施例中，DSP及控制电路10通过软件锁相获得电网电压的频率和相位值，进而产生与电网电压同步的正弦SPWM信号。

在本发明的一个优选实施例中，可以在并网阶段进行电网掉电的检测。下面对电网掉电检测的原理和步骤详细说明如下。

电网电压为正弦三角函数：

其中：U_Rms为电网电压有效值；ω＝2πf为电网电压角速度。图4是正弦三角函数任意半周期曲线和时间轴围成的面积阴影示意图。图5示出了本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的电网掉电判断的流程图。

参照图4求阴影部分面积，即假定t₀属于区间((k-1)*T/2，k*T/2)，k为正奇数；求时间轴在区间(t₀，t₀+T/2)内与正弦曲线围成的面积，即：

通过以上公式，可以计算获得

那么同理可以获得t₀属于区间(k*T/2，(k+1)*T/2)，k为正奇数；时间轴区间(t₀，t₀+T/2)与正弦曲线围成的面积：

通过以上计算过程可知，正弦或余弦三角函数任意半个周期的曲线与时间轴围成的面积仅与该三角函数的幅值和频率相关。若该三角函数的幅值和频率不变，那么该面积为定值。因此可以通过判断对所述电网电压瞬时绝对值进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，是否落入设定的电网电压波动范围，如果其落入该范围之外则认为电网电压异常，如果其落入该范围中，则认为电网电压正常。例如，可以将电网电压波动范围设置成20％的波动，也可以设置成更高或更低。下面以20％的波动范围为例进行说明。图5示出了本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的电网掉电判断的流程图。

首先DSP及控制电路10对采集的电网9的电网电压取绝对值，从而进一步获取电网电压瞬时绝对值。然后对电网电压瞬时绝对值进行离散再半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值S。半周期迭代累加是指每加一个电网电压瞬时绝对值，必须减去与之相对应并超前半个周期的电网电压瞬时绝对值。

为了获取电网电压半周期迭代累加值S的波动范围，将采集的电网9的电网电压进行离散化，计算电网电压有效值U_Rms、电网电压频率f、载波比N，然后利用电网9的电压曲线与时间轴所围成的面积：

与半周期离散迭代累加值存在的关系，求取电网电压半周期迭代累加值的波动范围：

其中，N为载波比即电网电压迭代累加的频率与电网9频率的商。在本实施例中，设置波动上限值S_max＝1.2*S_o；波动下限值S_min＝0.8*S_o。若S>＝S_max或S<＝S_min，则认为电网电压异常，即所述电网的掉电参数为1。如果S在S_min和S_max范围内，则认为电网电压正常，即所述电网的掉电参数为0。

在本实施例中，根据三角函数特性，将电网电压瞬时绝对值进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，并且将其作为判断电网掉电的依据，可以易于实现、运算简单、测量准确，能有效减小电网掉电参数的检测时间，减少误判。

在本发明的一个优选实施例中，可以在并网阶段进行特定次谐波的检测和补偿。图6示出了本发明的基于三角函数特性的电网参数检测方法的特定次谐波的检测补偿逻辑控制框图。下面对特定次谐波检测和补偿的原理和步骤详细说明如下。

假定并网电流为正弦(余弦)函数，其傅里叶变换表达式为：i(t)＝A₀+A₁sin(ωt)+A₂sin(2ωt)+A₃sin(3ωt)+A₄sin(4ωt)+...+A_nsin(nωt)+...；其中：

为并网电流基波幅值；ω＝2πf为并网电流基波角速度；A_n为第n次谐波的幅值；f为并网电流基波频率；T为并网电流基波周期；n为正整数。

求第n次谐波的幅值A_n，利用三角函数的特性，选取并网电流的n次谐波，其中n均为正整数，即：

利用三角函数特性继续简化上式，进而求得：

通过采DSP及采样电路10将采集的电网9电流瞬时值结合特定次谐波相位进行离散化求和运算可得，其中N为载波比：

其中：

通过以上步骤可知：TS_n/N＝TA_n/2；所以，A_n＝2S_n/N，进而求得第n次谐波的表达式为：A_nsinnωt＝(2S_n/N)sinnωt。

假定并网电流主要含有m次、n次、r次谐波，根据上述计算可知，需要补偿的特定次谐波为：(2S_m/N)sinmωt+(2S_n/N)sinnωt+(2S_r/N)sinrωt。

通过调整并网电流闭环参考值以产生与特定次谐波大小相同、相位相反的补偿量，将特定次谐波抵消。例如首先，母线电压闭环输出并网电流闭环参考值；其次在电流闭环参考值中附加计算所得的特定次谐波(2S_m/N)sinmωt+(2S_n/N)sinnωt+(2S_r/N)sinrωt；最后，通过电流闭环运算输出与特定次谐波大小相同、相位相反的补偿量，以控制逆变器开关器件的占空比，完成对并网电流的任意特定次谐波补偿，控制框图如图6所示。

在本实施例中，基于三角函数特性的并网电流特定次谐波检测与补偿方法，可检测出并网电流任意次谐波含量，并通过电压电流双闭环控制进行针对性的补偿，因此可以有效降低并网电流的谐波含量，提高并网电流质量，并且整个方案效果明显，运算简单，易于实现，便于推广应用。

本发明可以通过软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。

本发明还涉及计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三角函数特性的电网参数检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1、软启动电网并网系统中的母线电容器；

步骤S2、在所述电网并网系统的电网电压的幅值和频率正常且母线电容电压达到并网要求后，闭合所述电网并网系统的继电器以并网所述电网并网系统的逆变器从而使得所述电网并网系统进入并网运行状态；

步骤S3、采集所述电网并网系统的电网电压并基于三角函数特性根据所述电网电压检测所述电网的掉电参数；和/或采集所述电网并网系统的并网电流并基于三角函数特性根据所述并网电流检测所述并网电流的特定次谐波；

所述步骤S3包括：

步骤S31、对所述电网电压取绝对值，从而获取电网电压瞬时绝对值；

步骤S32、对所述电网电压瞬时绝对值进行离散后再进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值；

步骤S33、对所述电网电压瞬时值进行离散后再计算电网电压有效值、电网电压频率、载波比；

步骤S34、基于所述电网电压有效值、电网电压频率、载波比，设置所述半周期迭代累加值的波动上限值和波动下限值；

步骤S35、基于所述半周期迭代累加值、所述波动上限值和所述波动下限值，检测所述电网的掉电参数；

所述步骤S3还包括：

步骤S3a、对所述电网电压进行锁相运算以获得所述并网电流的特定次谐波相位；

步骤S3b、基于所述特定次谐波相位合成特定次谐波并对所述并网电流进行谐波补偿；

其中，所述步骤S3b包括：

步骤S3b1、获取所述电网电压的并网电流瞬时值，并基于所述并网电流瞬时值和所述特定次谐波相位，利用三角函数特性计算特定次谐波幅值并基于所述特定次谐波幅值合成所述特定次谐波；

步骤S3b2、采用并网电流闭环控制，将并网电流闭环参考值减去所述特定次谐波以产生于所述特定次谐波大小相同、相位相反的补偿量，并基于所述补偿量对所述并网电流进行谐波补偿；

通过判断对所述电网电压瞬时绝对值进行半周期迭代累加从而获得半周期迭代累加值，是否落入设定的电网电压波动范围，如果其落入该范围之外则认为电网电压异常，如果其落入该范围中，则认为电网电压正常；

所述检测方法应用于车载电池并网系统，所述车载电池并网系统包括依次相连接的电池模块、空气开关、电解电容器、LLC电路、母线电容器、逆变器、电抗器、继电器、电网；所述电抗器通过继电器与电网相连；所述电池模块回路中串联有电流传感器；所述电解电容器的两端直流电压、母线电容器的两端直流电压，分别通过电阻串联和线性光耦电路进行采样；所述电网与继电器回路上串联有电流传感器；所述电网的两端还装有电压传感器；所述电压传感器和电流传感器的输出端经信号调理电路后均与DSP及控制电路的输入端连接；所述DSP及控制电路的输出端分别与空气开关、继电器、LLC电路、逆变器的输入端相连；所述DSP及控制电路通过运算输出PWM信号至LLC电路，通过电流跟踪算法输出正弦PWM信号至逆变器，通过系统逻辑输出开关信号控制继电器与空气开关的开通与关断。

2.根据权利要求1所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法，其特征在于，每个工频周期更新所述波动上限值和所述波动下限值。

3.根据权利要求1-2任一项所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过控制电网并网系统中LLC电路的功率器件的占空比和频率实现对所述母线电容器的软启动充电。

4.根据权利要求3所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括在待母线电容器的电压值达到电压设定幅值时，判定母线电容器的电压达到并网要求；以及通过软件锁相获得电网电压的频率和相位值，进而产生与所述电网电压同步的SPWM信号。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的基于三角函数特性的电网参数检测方法。

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