CN111521862A - 一种校验精准型过零检测方法 - Google Patents

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王国安
王莉
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王成
孙家亮
刘怀晗
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Abstract

本发明公开了一种校验精准型过零检测方法，过零检测方法分为软硬两部分模块，主要包括硬件鉴相电路、Clark变换、Park变化、PI控制器和双同步坐标系解耦算法；其中，过零检测方法包括以下步骤：步骤一：将三相交流电A、B、C输入硬件鉴相电路，硬件鉴相电路跨接于继电器两端，继电器为断开状态，以A相为例，输入信号分别为A_IN与A_OUT,分别通过150KΩ大功率电阻连接到整流桥MB6S，整流完成后通过光耦TLP383进行隔离输出，后端通过电阻与三极管组合电路输出检测过零脉冲，B、C相同理，MCU通过判断A、B、C三相过零脉冲的时序，即可完成相序鉴别；步骤二：相序鉴别完成之后，分别对A、B、C三相进行Clark变换。

Description

一种校验精准型过零检测方法
技术领域
本发明涉及过零检测方法技术领域，尤其涉及一种校验精准型过零检测方法。
背景技术
三相交流电的过零检测为无功补偿领域较为重要的一项技术，检测到真正的过零点可以保证设备安全、稳定以及可靠的运行；目前，过零检测的主要检测方法基本为单一检测，在特殊电网环境下，则不能较为准确以及稳定的检测到过零点，例如高次谐波、三相不平衡较为严重的用电环境中。因此，需要一种校验精准型过零检测方法来解决现有技术中所存在的不足之处。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种校验精准型过零检测方法，旨在解决上述过零检测不够准确和稳定的缺点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种校验精准型过零检测方法，过零检测方法分为软硬两部分模块，主要包括硬件鉴相电路、Clark变换、Park变化、PI控制器和双同步坐标系解耦算法；
其中，过零检测方法包括以下步骤：
步骤一：将三相交流电A、B、C输入硬件鉴相电路，硬件鉴相电路跨接于继电器两端，继电器为断开状态，以A相为例，输入信号分别为A_IN与A_OUT,分别通过150KΩ大功率电阻连接到整流桥MB6S，整流完成后通过光耦TLP383进行隔离输出，后端通过电阻与三极管组合电路输出检测过零脉冲，B、C相同理，MCU通过判断A、B、C三相过零脉冲的时序，即可完成相序鉴别；
步骤二：相序鉴别完成之后，分别对A、B、C三相进行Clark变换；
步骤三：Clark变换完成之后进行Park变换两相旋转坐标系是通过使Ud轴与U的相位一致，并同时一起旋转的坐标系，其中Uq与Ud垂直，Uq超前Ud90°，在三相电路中，与U同相位的电流矢量与U的乘积即可表示为有功，而Q轴与U成90度，因此Q轴用作表示无功；
步骤四：在直流电压量中分别对正序分量和负序分量进行滤波处理，得到Q轴分量，对Q轴进行PI控制，继而计算出频率以及角度值；
步骤五：硬件鉴相电路检测的过零点与软件检测的过零点结合使用，共同决定最终零点位置。
进一步的，所述硬件鉴相电路由百K级大功率电阻、整流桥、光耦器件以及三极管组成。
进一步的，所述硬件鉴相电路主要用来鉴别相序以及一级过零检测。
进一步的，所述Chark变换主要是将三相静止坐标系交流电压量转换到两相静止坐标系。
进一步的，所述Park变换主要是将两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的直流电压量。
进一步的，所述PI控制器主要是对Q轴分量进行PI控制，继而计算出电网频率以及角度，从而得到过零点，该过零点检测为二级过零点。
本发明的有益效果：本发明解决了一般过零检测方法容易受干扰的问题，适用于高次谐波、三相不平衡较为严重的用电环境，适用性相对较强，并且，通过硬件鉴相电路检测的过零点与软件检测的过零点结合使用，共同决定最终零点位置较为精准。
附图说明
图1为本发明实施例的硬件鉴相电路原理图；
图2为本发明实施例的软件过零检测系统流程图；
图3为本发明实施例的三相静止坐标系转两相静止坐标系示意图；
图4为本发明实施例的两相静止坐标系转两相旋转坐标系示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，一种校验精准型过零检测方法，过零检测方法分为软硬两部分模块，主要包括硬件鉴相电路、Clark变换、Park变化、PI控制器和双同步坐标系解耦算法；
其中，过零检测方法包括以下步骤：
步骤一：将三相交流电A、B、C输入硬件鉴相电路，硬件鉴相电路跨接于继电器两端，继电器为断开状态，以A相为例，输入信号分别为A_IN与A_OUT,分别通过150KΩ大功率电阻连接到整流桥MB6S，整流完成后通过光耦TLP383进行隔离输出，后端通过电阻与三极管组合电路输出检测过零脉冲，B、C相同理，MCU通过判断A、B、C三相过零脉冲的时序，即可完成相序鉴别；
步骤二：相序鉴别完成之后，分别对A、B、C三相进行Clark(两相静止坐标系)变换；
步骤三：Clark变换完成之后进行Park(两相旋转坐标系)变换两相旋转坐标系是通过使Ud轴与U的相位一致，并同时一起旋转的坐标系，其中Uq与Ud垂直，Uq超前Ud90°，在三相电路中，与U同相位的电流矢量与U的乘积即可表示为有功，而Q轴与U成90度，因此Q轴用作表示无功(即：瞬时无功理论)；
步骤四：在直流电压量中分别对正序分量和负序分量进行滤波处理，得到Q轴分量，对Q轴进行PI控制，继而计算出频率以及角度值；
步骤五：硬件鉴相电路检测的过零点与软件检测的过零点结合使用，共同决定最终零点位置。
实施例
如图一所示，硬件鉴相电路连接与继电器开关两端，继电器开关处于断开状态，开关两端电压为380V，以A相为例，硬件鉴相电路首先通过150KΩ大功率电阻R1、R2连接于整流桥D1，将交流电压转化为直流电压，整流桥直流端连接光耦U2，当A相电压过零点时光耦U2不导通，其余时刻光U2为导通状态，光耦U2导通时，三极管Q1基极为高电平状态，此时三极管Q1导通，过零信号检测点为低电平状态，光耦U2关断时，三极管Q1基极为低电平状态，此时三极管Q1关断，过零信号检测点为高电平状态，当A相电压过零时，就会产生一个脉冲信号，此过零信号检测为一级过零信号检测过程，B、C相同理可获得过零信号，过零信号分别输入MCU，通过判断时序即可鉴别相序。系统第一阶段工作完成，进行第二阶段工作。
如图二所示，为系统第二阶段的工作流程图示意图，主要为软件部分，第一阶段已经得到相序，首先对A、B、C三相电压进行实时采样，对A、B、C三相电压信号进行Chark变换，如图三所示，两相静止坐标系是建立在三相静止坐标系上的，其中Ua与Uα同相位，Uβ垂直于Uα，Uβ超前后Uα90°，因此通用矢量U在两相静止坐标系中可表示为：
Figure BDA0002519318980000041
三相静止坐标系转换两相静止坐标系完成后，在将两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系(Park变换)两相旋转坐标系指的是通过使Ud轴与U的相位一致，并同时一起旋转的坐标系，其中Uq与Ud垂直。Uq超前Ud90°，如右图所示。在三相电路中，与U同相位的电流矢量与U的乘积即可表示为有功，而Q轴与U成90度，因此Q轴用作表示无功(即：瞬时无功理论)。通过右图可推导出从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的正序变换式(park变换/T2s/2r)为：
Figure BDA0002519318980000042
对得到的直流电压量分别对正序分量以及负序分量进行低通滤波处理，其低通滤波器传递函数为：
Figure BDA0002519318980000043
ω0：低通滤波器截角止频率；
为研究该传递函数的增益以及相位，令s＝jω，将传递函数从副频域切换到频域；
低通滤波器增益：
Figure BDA0002519318980000051
低通滤波器相位：
Figure BDA0002519318980000052
软件使用的低通滤波器实际是将时域中的低通滤波器经过离散化后的得到的，本次离散化方式采用后向差分法进行离散化，后向差分法代数公式为：
Figure BDA0002519318980000053
T为采样频率；
Figure BDA0002519318980000054
Y(z)为输出信号的拉式变换，X(z)为输入信号的拉式变换；
Y(z)(1+Tω0-z-1)＝Tω0X(z)
(1+Tω0)y(n)-y(n-1)＝Tω0X(n)
Figure BDA0002519318980000055
滤波完成后得到Q轴分量，对Q轴分量进行PI控制，若预估相角与实际相角一致，那么Uq＝0，因此通过PI调节器调节预估相角使其相角无限接近实际相角，若预估相角与实际相角不一致，那么
Figure BDA0002519318980000056
将Uq送入PI调节器，通过调节PI参数达到使Uq趋近于0，根据高数极限可知，PI调节器的输出实际值为实际相角和预估相角的差值，即(ω1-ω0)t，因此将PI调节器结果加上一个ω0t即可获得实际频率，对结果进行积分即可获得相角，即可获得过零点，此过零点判断为第二级过零点，第二级过零点对第一级过零点进行校验，若为同时刻，则此过零点有效，经过两级互相校验判断，即可得到精准的过零点。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种校验精准型过零检测方法，其特征在于：过零检测方法分为软硬两部分模块，主要包括硬件鉴相电路、Clark变换、Park变化、PI控制器和双同步坐标系解耦算法；
其中，过零检测方法包括以下步骤：
步骤一：将三相交流电A、B、C输入硬件鉴相电路，硬件鉴相电路跨接于继电器两端，继电器为断开状态，以A相为例，输入信号分别为A_IN与A_OUT,分别通过150KΩ大功率电阻连接到整流桥MB6S，整流完成后通过光耦TLP383进行隔离输出，后端通过电阻与三极管组合电路输出检测过零脉冲，B、C相同理，MCU通过判断A、B、C三相过零脉冲的时序，即可完成相序鉴别；
步骤二：相序鉴别完成之后，分别对A、B、C三相进行Clark变换；
步骤三：Clark变换完成之后进行Park变换两相旋转坐标系是通过使Ud轴与U的相位一致，并同时一起旋转的坐标系，其中Uq与Ud垂直，Uq超前Ud90°，在三相电路中，与U同相位的电流矢量与U的乘积即可表示为有功，而Q轴与U成90度，因此Q轴用作表示无功；
步骤四：在直流电压量中分别对正序分量和负序分量进行滤波处理，得到Q轴分量，对Q轴进行PI控制，继而计算出频率以及角度值；
步骤五：硬件鉴相电路检测的过零点与软件检测的过零点结合使用，共同决定最终零点位置。
2.根据权利要求1所述一种校验精准型过零检测方法，其特征在于，所述硬件鉴相电路由百K级大功率电阻、整流桥、光耦器件以及三极管组成。
3.根据权利要求1所述一种校验精准型过零检测方法，其特征在于，所述硬件鉴相电路主要用来鉴别相序以及一级过零检测。
4.根据权利要求1所述一种校验精准型过零检测方法，其特征在于，所述Chark变换主要是将三相静止坐标系交流电压量转换到两相静止坐标系。
5.根据权利要求1所述一种校验精准型过零检测方法，其特征在于，所述Park变换主要是将两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系的直流电压量。
6.根据权利要求1所述一种校验精准型过零检测方法，其特征在于，所述PI控制器主要是对Q轴分量进行PI控制，继而计算出电网频率以及角度，从而得到过零点，该过零点检测为二级过零点。
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