CN111983335A - 一种基于正交面积的相序检测方法 - Google Patents

一种基于正交面积的相序检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于正交面积的相序检测方法，包括一：通过硬件模拟量采集电路将A、B两路电压对应相电压的波形送给CPU，CPU通过内部A/D转换电路将电压波形转换成电压数字量；二：并网逆变器通过PLL锁相环控制A路电压的A相电压与B路电压的A相电压相位一致，确认A路的相序为正相序；三：CPU通过对电压数字量进行运算来判断B路电压的相序为正相序或负相序；具体运算方法为：一个周期内，将A路电压除锁相外任意一相电压与B路电压中对应相电压的瞬时值相乘并进行累加，对得到的累加值进行正负判断，若累加值为正值，说明B路电压为正相序；若累加值为负值，说明B路电压为负相序。

Description

一种基于正交面积的相序检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于正交面积的相序检测方法，属于相序检测技术领域。
背景技术
许多电气设备在使用时需检测市电相序，例如并网逆变器在并网发电之前需判断电网相序，否则会影响逆变器正常工作；在自动控制领域，当A，B两路同频、同幅的三相交流电源进行并联或者切换时，首先要进行的就是相序检测。
目前常见的三相相序检测方法有两种，一种采用复杂的模拟电路加过零比较电路实现，利用市电三相中的两相电压的过零点来产生同频率的两路脉冲信号，送给数字处理器进行判断处理，此检测方法增加电路硬件成本，其稳定性差,反应速度慢；另外一种是通过检测任意相邻的两相电压，通过CLARK和PARK变换分别计算出正序和负序向量，利用正负序的向量和来判别相序的正反，算法复杂，耗时较长，此种方法需要大量计算，非常占用CPU资源，同时由于电压波形畸变会影响锁相准确度，从而影响逆变器性能。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出一种基于正交面积的相序检测方法，技术方案如下，
一种基于正交面积的相序检测方法，包括如下步骤：
步骤一：通过主控板卡的硬件模拟量采集电路将A、B两路三相交流电压对应相电压的波形送给CPU，CPU通过内部A/D转换电路将电压波形转换成电压数字量；
步骤二：并网逆变器通过PLL锁相环控制A路三相交流电压的A相电压与B路三相交流电压的A相电压相位一致，确认A路三相交流电压的相序为正相序；
步骤三：CPU通过对电压数字量进行运算来判断B路三相交流电压的相序为正相序或负相序；具体运算方法为：
一个周期内，将A路三相交流电压除锁相外任意一相电压与B路三相交流电压中对应相电压的瞬时值相乘并进行累加，对得到的累加值进行正负判断，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序。
优选的，所述主控卡板的硬件模拟量采集电路包括L、N输入侧，L、N输入侧之间串联接入电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和滤波电容C1，所述滤波电容C1的两端并联电流互感器T1的一次侧，所述电流互感器T1的二次侧分别与运算放大器U1的引脚2和引脚3连接，所述电流互感器T1的二次侧与运算放大器U1之间的线路上并联设有并联设置的两个二极管D1，所述二极管D1对电流互感器T1做开路保护，所述运算放大器U1的引脚1和引脚2上连接并联设置的电阻R5和电容C2，所述运算放大器U1的引脚1还连接由电阻R6、电阻R7和电容C3组成的RC滤波电路，所述RC滤波电路的输出端与CPU模拟量采集接口连接。
进一步的，所述硬件模拟量采集电路输出的电压波形的电压范围为0-3V。
优选的，所述硬件模拟量采集电路输出的电压波形通过CPU模拟量采集接口输送给CPU。
优选的，所述步骤三中，判断B路三相交流电压的相序为正相序或负相序的具体方法为：
定义A路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000021
Figure BDA0002660573220000022
Figure BDA0002660573220000023
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000024
Figure BDA0002660573220000025
Figure BDA0002660573220000026
设定A路三相交流电压的A相位锁相，将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM1+＝uB*u′B
SUM2+＝uC*u′C
SUM1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM1和SUM2均大于0，则B路三相交流电压为正相序；
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000031
Figure BDA0002660573220000032
Figure BDA0002660573220000033
将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM′1+＝uB*u″B
SUM′2+＝uC*u″C
SUM′1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM′2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM′1和SUM′2均小于0，则B路三相交流电压为负相序。
优选的，所述A路三相交流电压为逆变器自身输出，所述B路三相交流电压对应市电电压。
本发明的硬件电路大大简化，仅由市电电压波形模拟量采集电路组成，所需元器件少，降低了成本同时大大提高了产品的可靠性；CPU运算方面摒弃了复杂的坐标变换计算过程，仅仅通过乘法加法计算就能完成相序判断，占用极少的CPU资源，降低CPU功耗，同时A、B两路电压的谐波及不平衡度也不会影响锁相的准确度，从而进一步提高了产品的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种基于正交面积的相序检测方法的工作流程图。
图2是本发明判断B路三相交流电压为正相序或负相序的工作流程图。
图3是本发明A、B两路电压的相电压波形图及B路电压为正相序的仿真叠加效果图。
图4是本发明A、B两路电压的相电压波形图及B路电压为负相序的仿真叠加效果图。
图5是本发明件模拟量采集电路的电路图。
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做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，一种基于正交面积的相序检测方法，包括如下步骤：
步骤一：通过主控板卡的硬件模拟量采集电路将A、B两路三相交流电压对应相电压的波形通过CPU模拟量采集接口送给CPU，CPU通过内部A/D转换电路将电压波形转换成电压数字量；所述硬件模拟量采集电路输出的电压波形的电压范围为0-3V。对于并网逆变器，所述A路三相交流电压为逆变器自身输出，所述B路三相交流电压对应市电电压，只有A路电压和B路电压相序一致，且相位一致、电压一致时才能实现并网。
步骤二：并网逆变器通过PLL锁相环控制A路三相交流电压的A相电压与B路三相交流电压的A相电压相位一致，且A路三相交流电压的相序为正相序，A路三相交流电压的相序即可作为正相序的参考。
步骤三：CPU通过对电压数字量进行运算来判断B路三相交流电压的相序为正相序或负相序；具体运算方法为：
一个周期T内，将A路三相交流电压除锁相外任意一相电压与B路三相交流电压中对应相电压的瞬时值相乘并进行累加，对得到的累加值进行正负判断，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序，具体执行流程图如图2所示。
A路三相交流电压具备锁相功能，使其中一相电压与B路三相交流电压对应相电压相位一致，通过采集A路三相交流电压其它两相任一相和B路三相交流电压对应相电压的数据，通过正交面积法对A、B两路三相交流电压的相序进行检测。
具体地，定义A路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000041
Figure BDA0002660573220000042
Figure BDA0002660573220000043
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000044
Figure BDA0002660573220000051
Figure BDA0002660573220000052
设定A路三相交流电压的A相位锁相，A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压波形重叠，瞬时值也是一致的，将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM1+＝uB*u′B
SUM2+＝uC*u′C
SUM1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM1和SUM2均大于0，则B路三相交流电压为正相序；
对于A、B两路三相交流电压的B相电压来说，
Figure BDA0002660573220000053
显然，SUM1大于0，所以B路的三相交流电压为正相序。
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure BDA0002660573220000054
Figure BDA0002660573220000055
Figure BDA0002660573220000056
将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM′1+＝uB*u″B
SUM′2+＝uC*u″C
SUM′1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM′2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM′1和SUM′2均小于0，则B路三相交流电压为负相序；
对于A、B两路三相交流电压的B相电压来说，
Figure BDA0002660573220000061
显然，SUM′1小于0，所以B路的三相交流电压为负相序。
通过Matlab软件对正负相序两种情况进行了仿真计算，证明了此算法的可行性，如图3所示，当B路电压相序为正相序时，累加值始终为正值，且一个周期内随着波形变换，累加值逐渐增大。如图4所示，当B路电压相序为负相序时，累加值从零开始，且一个周期内随着波形变换，累加值逐渐减小，累加值的绝对值是正相序的1/2。通过此计算方法可快速可靠地检测出电压正负相序。
所述主控板卡的硬件模拟量采集电路通过电阻分压，信号隔离后，将高压交流电压转换成CPU可以接受的小信号，直接送给CPU的模拟量采集接口。所述主控卡板的硬件模拟量采集电路，如图5所示，包括L、N输入侧，L、N输入侧之间串联接入电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和滤波电容C1，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4为分压限流电阻，作用是将高压交流电压转换成mA级的小电流信号；所述滤波电容C1的两端并联电流互感器T1的一次侧，所述电流互感器T1的二次侧分别与运算放大器U1的引脚2和引脚3连接，电流互感器T1将小电流信号进行电气隔离，滤除电压杂波干扰；所述电流互感器T1的二次侧与运算放大器U1之间的线路上并联设有并联设置的两个二极管D1，所述二极管D1对电流互感器T1做开路保护，所述运算放大器U1的引脚1和引脚2上连接并联设置的电阻R5和电容C2，将电流信号转换成电压信号；所述运算放大器U1的引脚1还连接由电阻R6、电阻R7和电容C3组成的RC滤波电路，所述RC滤波电路的输出端与CPU模拟量采集接口连接。所述运算放大器U1与外围电阻电容组成电平转换电路，作用是将隔离后的小电流信号转换为电压信号，同时引入1.5V基准，接入运算放大器U1的引脚3，使转换后的电压波形在0V～3V之间变化，满足CPU模拟量接口的输入电压范围。
通过上述硬件模拟量采集电路，CPU可得到A、B两路对应相电压的实时波形，通过内部A/D转换电路将实时波形转换为相应的数字量，为相序检测软件算法提供输入数据。
现有技术中，过零点比较方法和CLARK PARK变换计算法两种判断相序的方法在公司并网逆变器产品上都有应用，两种方法都存在一定缺陷。硬件过零点比较方法，需要增加过零点比较电路和模拟量数字量隔离芯片等，增加了元器件成本和电路板面积，板卡故障率也升高了。过零点电路出现故障时，交流电的频率检测错误，同时也无法辨别相序，导致产品无法正常工作；CLARK PARK变换计算法需要大量的复杂计算过程，占用大量CPU资源，拖慢了程序运行周期，CPU功耗也大大增加导致芯片发热，影响产品性能。
本发明结合了以上两种相序判断方法的优点，又巧妙地弥补了各自的不足之处，该检测方法既不需要额外的硬件电路去采集电网的同频脉冲信号，也不需要复杂的算法进行计算，只需要对A，B两路三相交流电压中取任意的对等一路电压，进行计算即可完成相序的判别，计算简单，判别可靠。硬件电路仅由市电电压波形模拟量采集电路组成，所需元器件少，成本低可靠性高；软件部分不需要复杂的数字锁相环计算，计算量大大减少，节省CPU资源，同时A、B两路三相交流电压的谐波及不平衡度也不会影响锁相的准确度，可靠性进一步提高。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (6)

1.一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：通过主控板卡的硬件模拟量采集电路将A、B两路三相交流电压对应相电压的波形送给CPU，CPU通过内部A/D转换电路将电压波形转换成电压数字量；
步骤二：并网逆变器通过PLL锁相环控制A路三相交流电压的A相电压与B路三相交流电压的A相电压相位一致，确认A路三相交流电压的相序为正相序；
步骤三：CPU通过对电压数字量进行运算来判断B路三相交流电压的相序为正相序或负相序；具体运算方法为：
一个周期内，将A路三相交流电压除锁相外任意一相电压与B路三相交流电压中对应相电压的瞬时值相乘并进行累加，对得到的累加值进行正负判断，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：所述主控卡板的硬件模拟量采集电路包括L、N输入侧，L、N输入侧之间串联接入电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和滤波电容C1，所述滤波电容C1的两端并联电流互感器T1的一次侧，所述电流互感器T1的二次侧分别与运算放大器U1的引脚2和引脚3连接，所述电流互感器T1的二次侧与运算放大器U1之间的线路上并联设有并联设置的两个二极管D1，所述运算放大器U1的引脚1和引脚2上连接并联设置的电阻R5和电容C2，所述运算放大器U1的引脚1还连接由电阻R6、电阻R7和电容C3组成的RC滤波电路，所述RC滤波电路的输出端与CPU模拟量采集接口连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：所述硬件模拟量采集电路输出的电压波形的电压范围为0-3V。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：所述硬件模拟量采集电路输出的电压波形通过CPU模拟量采集接口输送给CPU。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：所述步骤三中，判断B路三相交流电压的相序为正相序或负相序的具体方法为：
定义A路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure FDA0002660573210000011
Figure FDA0002660573210000012
Figure FDA0002660573210000013
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure FDA0002660573210000021
Figure FDA0002660573210000022
Figure FDA0002660573210000023
设定A路三相交流电压的A相位锁相，将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM1+＝uB*u′B
SUM2+＝uC*u′C
SUM1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM1和SUM2均大于0，则B路三相交流电压为正相序；
若B路三相交流电压每相的电压数值均分别为：
Figure FDA0002660573210000024
Figure FDA0002660573210000025
Figure FDA0002660573210000026
将A、B两路三相交流电压的B相电压或C相电压数值相乘并进行累加，若累加值为正值，说明B路三相交流电压为正相序；若累加值为负值，说明B路三相交流电压为负相序；计算如下：
SUM′1+＝uB*u″B
SUM′2+＝uC*u″C
SUM′1为A、B两路三相交流电压的B相电压相乘后的累加值，SUM′2为A、B两路三相交流电压的C相电压相乘后的累加值，SUM′1和SUM′2均小于0，则B路三相交流电压为负相序。
6.根据权利要求1所述的一种基于正交面积的相序检测方法，其特征在于：所述A路三相交流电压为逆变器自身输出，所述B路三相交流电压对应市电电压。
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