CN203859740U - 一种基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置，该基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置包括：过零检测模块、全数字锁相环模块、控制电路模块、触发脉冲电路模块、直流电压保持模块、电压源逆变器、耦合变压器。本实用新型采用新型全数字锁相环技术，实现了实时跟踪电网频率的变化，对采样电压进行同步6倍频，实现6相同步触发脉冲，对采样电压进行同步240倍频，保证在每周期采样240个点，减少了采样误差和触发误差，使实验运行静止无功发生系统的功率因数提高了1.5%，具有较大的工程运用价值。本实用新型的结构简单，操作方便，较好的解决了现有无功发生器的对电网数据采集硬件同步可靠性不高、误差性较大的问题。

Description

一种基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置

技术领域

本实用新型属于电力电网技术领域，尤其涉及一种基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置。

背景技术

目前，随着现代电力电子设备等非线性负荷大量接入电网，电网电压质量的稳定性、对称性及正弦性等指标水平随之降低。从而增加了电网损耗和生产成本。大大降低了系统功率因数。静止无功发生器是并联于公共连接点的电力电子装置，往往用来补偿负载的无功功率，或者通过对无功功率的控制来调节电网电压的幅度。

电网信息的采集对于动态补偿装置相当重要，采集的电压和电流用于计算无功、有功以及视在功率，数据采集的精度和准度对有效地分析电网谐波和及时进行功率补偿相当重要。目前常用的同步采样方法有硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法的缺点是可靠性不高，在测量有较大畸变的波形时误差较大且频率跟踪时间的可控性差。软件同步方法的精度要高于硬件锁相方法，频率跟踪时间的可控性强，其实时跟踪计算一般由DSP来实现，从而加重了DSP的工作负担。

实用新型内容

本实用新型为解决现有无功发生器的对电网数据采集硬件同步可靠性不高、误差性较大的问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型实施例的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置，该基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置包括：过零检测模块、全数字锁相环模块、控制电路模块、触发脉冲电路模块、直流电压保持模块、电压源逆变器、耦合变压器；

与三相电网连接，用于检测三相电压的正弦波过零信号，得到与电网同频率的方波信号，并将得到的方波信号发送到全数字锁相环模块进行频率锁相跟踪的过零检测模块；

与过零检测模块连接，用于对电网频率锁频锁相，实时跟踪，电压正弦波通过滤波和过零检测模块后得到与电网同频率的方波信号，电压余弦波为全数字锁相环实现对电压正弦波的频率跟踪锁相后的反馈输入信号的全数字锁相环模块；

与全数字锁相环模块连接，用于接收来自全数字锁相环模块的电网实时跟踪信号，并根据跟踪信号计算出电网运行的无功功率、有功功率以及视在功率，然后计算出需要补偿的无功量，并相对应无功量产生对应一定触发角的PWM波，然后将PWM波送至与连接的触发脉冲电路进行PWM脉冲触发的控制电路模块；

与控制电路模块连接，用于接收控制电路模块的PWM脉冲信号，并将脉冲信号进行放大处理，输出电源逆变器的触发脉冲电路模块；

与触发脉冲电路模块连接，用于接收触发脉冲电路发来的PWM脉冲信号，控制逆变开关器件的导通和关闭，将直流电压保持模块上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的电源逆变器；

与电源逆变器连接，用于存储和放出直流电源的直流电压保持模块；

与电源逆变器连接，用于将电源逆变器逆变出的交流电压经变压器变换至与电网电压相等的电压等级的耦合变压器。

本实用新型还可以采用如下技术措施：

进一步，采用反馈环路全数字锁相环模块。

进一步，全数字锁相环模块还包括鉴相器、自适应模值控制模块、K模可逆计数器、H分频器、加减脉冲控制器、N分频器、同步倍频模块；

与过零检测模块连接，用于将电压正弦波与电压余弦波作为输入信号，电压正弦波和电压余弦波的相位差以及两者之间的超前或滞后信号作为输出信号，把相位差信号送至自适应模值控制器的鉴相器；

与鉴相器连接，接收鉴相器的相位差信号，用于自动调节减小K模可逆计数器模值，提高锁相环的锁相速度，当电网频率波动小或接近锁相时相位差小，自动增大模值，提高锁相环精度的自适应模值控制器；

与鉴相器和自适应模值控制器连接，用于根据鉴相器输出信号产生进位或借位脉冲来控制加/减脉冲控制器向标准脉冲波形中插入或删去一个脉冲信号，达到提前或延时fout相位的K模可逆计数器；

与自适应模值控制器和K模可逆计数器连接，用于为加/减脉冲控制器提供标准时钟clk的时钟输入，使K模可逆计数器的时钟频率大于加/减脉冲控制器时钟频率的H分频器；

与H分频器连接，用于接收H分频器时钟信号，控制加/减脉冲控制器；

与鉴相器和控制加/减脉冲控制器连接，用于产生与电压正弦波同频率跟踪信号电压余弦波，并反馈到鉴相器输入端的N分频器；

与控制加/减脉冲控制器连接，用于产生和控制加/减脉冲控制器同步的倍频脉冲信号输出的同步倍频模块。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由于本实用新型采用新型全数字锁相环技术，实现了实时跟踪电网频率的变化，对采样电压进行同步6倍频，实现6相同步触发脉冲，对采样电压进行同步240倍频，保证在每周期采样240个点，减少了采样误差和触发误差，使实验运行静止无功发生系统的功率因数提高了1.5%，具有较大的工程运用价值。本实用新型的结构简单，操作方便，较好的解决了现有无功发生器的对电网数据采集硬件同步可靠性不高、误差性较大的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的全数字锁相环模块的结构示意图；

图中：1、过零检测模块；2、全数字锁相环模块；2-1、鉴相器；2-2、自适应模值控制模块；2-3、K模可逆计数器；2-4、H分频器；2-5、加减脉冲控制器；2-6、N分频器；2-7、同步倍频模块；3、控制电路模块；4、触发脉冲电路模块；5、直流电压保持模块；6、电压源逆变器；7、耦合变压器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：本实用新型所用到的软件模块都属于已知模块，在购买硬件模块时，已经安装有该软件模块。本实用新型不存在软件或方法的创新。

请参阅图1和图2：

如图1所示，本实用新型实施例的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置主要由过零检测模块1、全数字锁相环模块2、控制电路模块3、触发脉冲电路模块4、直流电压保持模块5、电压源逆变器6、耦合变压器7组成；

与三相电网连接，用于检测三相电压的正弦波过零信号，得到与电网同频率的方波信号，并将得到的方波信号发送到全数字锁相环模块2进行频率锁相跟踪的过零检测模块1；

与过零检测模块1连接，用于对电网频率锁频锁相，实时跟踪，电压正弦波（fin）通过滤波和过零检测模块1后得到与电网同频率的方波信号，电压余弦波（fout）为全数字锁相环2实现对电压正弦波（fin）的频率跟踪锁相后的反馈输入信号的全数字锁相环模块2；

与全数字锁相环模块2连接，用于接收来自全数字锁相环2模块的电网实时跟踪信号，并根据跟踪信号计算出电网运行的无功功率、有功功率以及视在功率，然后计算出需要补偿的无功量，并相对应无功量产生对应一定触发角的PWM波，然后将PWM波送至与连接的触发脉冲电路4进行PWM脉冲触发的控制电路模块3；

与控制电路模块3连接，用于接收控制电路模块3的PWM脉冲信号，并将脉冲信号进行放大处理，输出电源逆变器5的触发脉冲电路模块4；

与触发脉冲电路模块4连接，用于接收触发脉冲电路4发来的PWM脉冲信号，控制逆变开关器件的导通和关闭，将直流电压保持模块5上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的电源逆变器6；

与电源逆变器6连接，用于存储和放出直流电源的直流电压保持模块5；

与电源逆变器6连接，用于将电源逆变器6逆变出的交流电压经变压器变换至与电网电压相等的电压等级的耦合变压器7；

如图2所示，全数字锁相环模块2采用反馈环路，全数字锁相环模块2还包括鉴相器2-1、自适应模值控制模块2-2、K模可逆计数器2-3、H分频器2-4、加减脉冲控制器2-5、N分频器2-6、同步倍频模块2-7；

与过零检测模块1连接，用于将电压正弦波（fin）（fin）与fout作为输入信号，电压正弦波（fin）（fin）和fout的相位差以及两者之间的超前或滞后信号作为输出信号，把相位差信号送至自适应模值控制器2-2的鉴相器2-1；

与鉴相器2-1连接，接收鉴相器2-1的相位差信号，用于自动调节减小K模可逆计数器模值，提高锁相环的锁相速度，当电网频率波动小或接近锁相时相位差小，自动增大模值，提高锁相环精度的自适应模值控制器2-2；

与鉴相器2-1和自适应模值控制器2-2连接，用于根据鉴相器2-1输出信号产生进位或借位脉冲来控制加/减脉冲控制器2-5向标准脉冲波形中插入或删去一个脉冲信号，达到提前或延时fout相位的K模可逆计数器2-3；

与自适应模值控制器2-2和K模可逆计数器2-3连接，用于为加/减脉冲控制器2-5提供标准时钟clk的时钟输入，使K模可逆计数器2-3的时钟频率大于加/减脉冲控制器1-5时钟频率的H分频器2-4；

与H分频器2-4连接，用于接收H分频器2-4时钟信号，控制加/减脉冲控制器2-5；

与鉴相器2-1和控制加/减脉冲控制器2-5连接，用于产生与电压正弦波（fin）同频率跟踪信号电压余弦波（fout），并反馈到鉴相器2-1输入端的N分频器2-6；

与控制加/减脉冲控制器2-5连接，用于产生和控制加/减脉冲控制器2-5同步的倍频脉冲信号输出的同步倍频模块2-7；

本实用新型中：鉴相器2-1的相位差信号送至自适应模值控制器2-2，该控制器模块自动调节减小K模可逆计数器模值，提高锁相环的锁相速度；当电网频率波动小或接近锁相时相位差小，自动增大模值，提高锁相环精度，从而提高抗扰动抗抖动能力。鉴相器2-1的输出送入K模可逆计数器2-3。K模可逆计数器2-3根据鉴相器2-1输出信号产生进位或借位脉冲来控制加/减脉冲控制器2-5向标准脉冲波形中插入或删去一个脉冲信号，从而达到提前或延时电压余弦波（fout）相位的目的。标准时钟clk经过H分频器2-4作为加/减脉冲控制器2-5的时钟输入是为了使K模可逆计数器2-3的时钟频率大于加/减脉冲控制器2-5的时钟频率，从而控制K模可逆计数器2-3输出给加/减脉冲控制器2-5的进位借位脉冲宽度；加/减脉冲控制器2-5的输出经过N分频器2-6后产生与电压正弦波（fin）同频率跟踪信号电压余弦波（fout），并反馈到鉴相器2-1的输入端；加/减脉冲控制器2-5的输出经过同步倍频模块2-7后产生同步倍频脉冲信号输出。通过上述的反馈回路实现了电压余弦波（fout）对电压正弦波（fin）的实时频率跟踪，即实现了电压余弦波（fout）对电压正弦波（fin）的锁频锁相功能。MHz的环路运行时钟频率，保证了全数字锁相环模块2响应速度快、精度高、可靠稳定等特点。

控制器3与全数字锁相环模块2和触发脉冲电路模块4相连接，接收来自全数字锁相环模块2的电网实时跟踪信号，并根据跟踪信号计算出电网运行的无功功率、有功功率以及视在功率，然后计算出需要补偿的无功量，并相对应无功量产生对应一定触发角的PWM波，然后将PWM波送至与其连接的触发脉冲电路4进行PWM脉冲触发。

触发脉冲电路模块4与控制器3和电压源逆变器6连接，接收控制器3的PWM脉冲信号，并将脉冲信号进行放大处理，输出至与其连接的电源逆变器6。

直流电压保持模块5的电路与电源逆变器6与触发脉冲电路模块4和连接，采用电容设计，用于存储和放出直流电源。

电源逆变器6与触发脉冲电路模块4和直流电压保持模块5的电路连接，逆变器6接收触发脉冲电路4发来的PWM脉冲信号，控制其内得逆变开关器件的导通和关闭，将直流电压保持模块5电路上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。耦合变压器7与电源逆变器6连接，将电源逆变器6逆变出的交流电压经变压器变换至与电网电压相等的电压等级。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置，其特征在于，该基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置包括：过零检测模块、全数字锁相环模块、控制电路模块、触发脉冲电路模块、直流电压保持模块、电压源逆变器、耦合变压器；

与三相电网连接，用于检测三相电压的正弦波过零信号，得到与电网同频率的方波信号，并将得到的方波信号发送到全数字锁相环模块进行频率锁相跟踪的过零检测模块；

与过零检测模块连接，用于对电网频率锁频锁相，实时跟踪，电压正弦波通过滤波和过零检测模块后得到与电网同频率的方波信号，电压余弦波为全数字锁相环实现对电压正弦波的频率跟踪锁相后的反馈输入信号的全数字锁相环模块；

与全数字锁相环模块连接，用于接收来自全数字锁相环模块的电网实时跟踪信号，并根据跟踪信号计算出电网运行的无功功率、有功功率以及视在功率，然后计算出需要补偿的无功量，并相对应无功量产生对应触发角的PWM波，然后将PWM波送至与连接的触发脉冲电路进行PWM脉冲触发的控制电路模块；

与控制电路模块连接，用于接收控制电路模块的PWM脉冲信号，并将脉冲信号进行放大处理，输出电源逆变器的触发脉冲电路模块；

与触发脉冲电路模块连接，用于接收触发脉冲电路发来的PWM脉冲信号，控制逆变开关器件的导通和关闭，将直流电压保持模块上的直流电压变换为具有频率和幅值的交流电压，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的电源逆变器；

与电源逆变器连接，用于存储和放出直流电源的直流电压保持模块；

与电源逆变器连接，用于将电源逆变器逆变出的交流电压经变压器变换至与电网电压相等的电压等级的耦合变压器。

2.如权利要求1所述的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置，其特征在于，采用反馈环路的全数字锁相环模块。

3.如权利要求1所述的基于全数字锁相环的电网静止无功发生装置，其特征在于，全数字锁相环模块还包括鉴相器、自适应模值控制模块、K模可逆计数器、H分频器、加减脉冲控制器、N分频器、同步倍频模块；

与过零检测模块连接，用于将电压正弦波与电压余弦波作为输入信号，电压正弦波和电压余弦波的相位差以及两者之间的超前或滞后信号作为输出信号，把相位差信号送至自适应模值控制器的鉴相器；

与鉴相器连接，接收鉴相器的相位差信号，用于自动调节减小K模可逆计数器模值，提高锁相环的锁相速度，当电网频率波动小或接近锁相时相位差小，自动增大模值，提高锁相环精度的自适应模值控制器；

与鉴相器和自适应模值控制器连接，用于根据鉴相器输出信号产生进位或借位脉冲来控制加/减脉冲控制器向标准脉冲波形中插入或删去一个脉冲信号，达到提前或延时fout相位的K模可逆计数器；

与自适应模值控制器和K模可逆计数器连接，用于为加/减脉冲控制器提供标准时钟clk的时钟输入，使K模可逆计数器的时钟频率大于加/减脉冲控制器时钟频率的H分频器；

与H分频器连接，用于接收H分频器时钟信号，控制加/减脉冲控制器；

与鉴相器和控制加/减脉冲控制器连接，用于产生与电压正弦波同频率跟踪信号电压余弦波，并反馈到鉴相器输入端的N分频器；

与控制加/减脉冲控制器连接，用于产生和控制加/减脉冲控制器同步的倍频脉冲信号输出的同步倍频模块。