CN102305890A - 一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法，属于柔性直流输电***直流电压检测技术领域。本发明所述方法的采样电阻，线性光耦，高精度运放，高精度模/数转换芯片相配合的电路拓扑实用性高，可应用于多种需要直流电压检测的场合；通过软件滤波的处理，使检测电压具有更好的滤波效果和线性度；此方法介绍了电路各器件的参数要求和选型方法，可指导技术人员高效的完成模块化多电平式柔性直流输电***子模块的电压检测设计。所述方法包括采样电阻设计、线性光耦设计、运算放大器设计、模/数转换芯片设计和滤波算法。所述检测方法在电压范围0-5000V具有高线性度、高精度，此方法使得全***的费用最省。

Description

一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电***直流电压检测技术领域，具体讲涉及一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法。

背景技术

柔性直流输电技术能够给风电场提供良好的动态无功支撑，避免风电场的无功补偿设备投资；同时提供优异的并网性能，防止风电场的电压波动对交流***的影响，并同时改善风电场对***波动的抗干扰能力。由于能够提供电压支撑作用，它还能大幅度提升风电场在交流***发生故障情况下的低电压穿越能力；另外，由于柔性直流输电不受距离限制，因此也是国外大型远距离海上风电场并网的唯一选择。基于以上显著优势，柔性直流输电目前已成为国际上公认的风电场并网的最佳技术方案。

柔性直流输电***的子模块电压检测是柔性直流输电工程的关键技术之一。电压检测值是各种算法的基础，其电压检测值直接关系到电容平衡控制，***控制等算法的实施。

直流电压检测，一般综合考虑检测电压范围，检测精度，线性度等参数，根据各种器件的参数要求，选择最佳型号，使电压检测方案达到在经济上和检测参数的最优化。

传统的直流电压检测，一般范围比较窄，精度比较低，大部分方案采用霍尔元件等器件，其成本高，并且霍尔元件的线性度不高。在模块化多电平柔性直流输电***中，子模块的电压范围宽(从0-5000伏均需要提供高精度检测值)，同时对线性度和精度要求都比较高，因此传统的测量方法无法达到模块化多电平柔性直流输电***对于子模块的电压检测参数要求。

发明内容

本发明目的是提供一种模块化多电平式柔性直流输电***的子模块直流电压检测方法，该方法采用采样电阻，线性光耦，高精度运放，高精度模/数转换芯片相配合的新型电路拓扑，通过软件的处理，使检测电压具有更好的滤波效果和线性度，本发明的检测方法在电压范围为0-5000V内具有高线性度和高精度的优点，同时使得全***的费用最省，可用于指导相关技术人员高效地完成模块化多电平式柔性直流输电***的子模块电压检测设计。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法，其改进之处在于所述方法包括如下步骤：

1)电路器件选择，包括采样电阻、线性光耦、运算放大器和模/数转换芯片的选择；

采样电阻选择：采样电阻阻值R大于10倍柔性直流输电***各子模块均压电阻的阻值，采样电阻功率

其中U为柔性直流输电***各子模块电压值，采样电阻耐压值＞U，采样电阻精度优于柔性直流输电***对子模块电压检测的精度，采样电阻等效电感值＜10nH；

线性光耦选择：线形光耦非线性度＜0.01％，线性光耦原边副边的传输比误差在±5％之内，隔离电压5kVrms/1min，带宽范围＞1MHz；

运算放大器选择：运算放大器功率＜1mW，精度＞95％，运放速率＞1MHz；

模/数转换芯片选择：模/数转换芯片转换时间＜500ns，采样频率＞1MHz，通道数≥1，位数≥12位；

2)电路的设计；

所述方法基于采样电阻，线性光耦，运算放大器，模/数转换芯片相配合的电路拓扑；

3)提取电压检测值

对步骤2中1个线路的电压值进行连续采样，将采样电压值的平均值作为电压检测值U_检i；

4)滤波、校正；

将步骤3得到的电压检测值U_检i经过二次滤波和线性度参数校正；

5)经滤波校正的电压检测值发送到上级控制器。

本发明的又一优选技术方案为：所述步骤3中电压检测值U_检i的检测过程为：

采样电压值经过运算放大器调理后经线性光耦隔离，经后级调理电路及滤波后变为0～5V的电压信号送入微处理器作为控制量使用；

在微处理器中，对模/数转换结果设置有8级FIFO缓存，可以同时存储连续10次采样结果，每次存入新数据时，会同时将FIFO中最旧的数据挤出队列，将新的FIFO队列中存储的最大最小的数据剔除，并对剩余8次采样结果做算术平均，得到电压检测值U_检i。

本发明的另一优选技术方案为：所述步骤4中线性度参数校正过程为：

设直线方程如式(1)，

Y＝A+BX    (1)

其中：A、B是任意实数；

X为试验电压；

Y为经模数转换后理论上应得到的数字量；

Y^*为经模/数转换后得到的实际数字量；

应用最小二乘法原理，将实测值Y^*与利用(式1-1)计算值Y＝A+BX的偏差(Y^*-Y)的平方和最小为“优化判据”，令：

把式(1)代入式(2)中得：

其中：X_i为第i次检测的试验电压；

Y^* _i为经模/数转换后得到的第i次检测实际数字量；

当

最小时，函数

对A、B求偏导数，令这两个偏导数等于零；

亦即：

$\mathrm{mA}+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)B=\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}---\left(6\right)$

$\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i^2\right)B=\mathrm{\Σ}\left(X_i{Y}_i^{*}\right)---\left(7\right)$

解(6)和(7)两个方程的方程组得出：

$A=\left(\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m-B\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)/m---\left(8\right)$

$B=\left[(\mathrm{\Σ}{X}_i{Y}_i^{*}-\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m)\right]/[\mathrm{\Σ}{X}_i^2-{\left(\mathrm{\ΣXi}\right)}^2/m]---\left(9\right)$

这时把A、B代入式(1)中，得到线性函数表达式；

选择测试范围内若干理论电压，如当X₁＝500V，X₂＝1000V，X₃＝1500V，X₄＝2500V，X₅＝4000V，根据实测电压值

可以得到线性函数表达式系数A和B；

$U_c=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{4096}*(A+\mathrm{BX})$

其中：U_c为经12位模/数转换后得到的实际直流电压；

V_ref是模数转换电路的参考电压。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明所取得的有益效果包括：

1、整体电路设计实用性高

本发明的检测方法采用：采样电阻，线性光耦，高精度运放，高精度模/数转换芯片相配合的电路拓扑，电路设计新颖，可应用于多种需要直流电压检测的场合；

2、软件算法

通过软件的处理，使检测电压具有更好的滤波效果和线性度；

3、具有高精度，高线性度，宽范围检测电压，低成本的优点

检测电压范围为0-5000V，线形光耦的非线性度参数低于0.01％；

4、具有指导意义

本发明有针对性地介绍了直流电压检测电路的各个器件的参数要求与选型方法，能够指导其它设计人员完成类似的直流电压检测方案。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是直流电压检测方法的电路设计；

图2是直流电压检测方法的设计流程；

图3是直流电压检测方法的软件算法；

附图标记如下：

R1、R2——采样电阻；

R3、R5——增益匹配电阻；

R4——限流电阻；

R6、R7——阻抗匹配电阻；

C——子模块侧直流电容；

C1、C2——滤波电容；

U1、U2、U4、U5——运算放大器；

U3——线性光偶；

U6——模数转换器；

U7——微处理器；

GND——子模块侧公共地；

DGND——数字电路侧公共地；

VCC——供电电源；

Vin——输入采样电压；

Vout——采样输出电压；

I_F——流经发光二极管电流；

I_PD1——流经光电二极管电流；

I_PD2——流经光电二极管电流；

线性光耦内部，I_PD1＝V_in/R1，输出侧V_out＝I_PD2*R2，所以，可以得到，其中

为线性光偶自身的比例放大参数，一般情况下为1。

由此可以得到采样电压与输出电压的比例关系，从而可以计算出实际电压大小。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

为了实现模块化多电平式柔性直流输电***的子模块电压检测，此方法需要解决采样电阻设计，线性光耦设计，运算放大器设计，模/数转换芯片设计，滤波算法等技术问题。

(1)采样电阻设计

对于模块化多电平柔性直流输电***子模块电压检测方法，采样电阻是其关键器件之一。采样电阻的设计需要综合考虑其电阻值、功率、精度、等效电感等参数对模块化多电平柔性直流输电***的影响。采样电阻的阻值的选择要考虑模块化多电平柔性直流输电***各个模块的均压电阻设计，采样电阻的阻值要远大于均压电阻的阻值；采样电阻的精度选择由***对于子模块的电压检测精度来决定；等效电感的参数需要尽量小，以保证***的采样准确度。

(2)线性光耦设计

对于模块化多电平柔性直流输电***子模块电压检测方案，为了实现在整个电压检测范围内具有高线性度，需要考虑线性光耦的精度、温漂、线性度等参数。选择一款合适的线性光耦是保证检测方案线性度的关键。

(3)运算放大器设计

子模块电压经过采样电阻后，需要经过运算放大器电路进行阻抗匹配。运算放大器的精度等参数也是电路设计需要考虑的重点参数之一。

(4)模/数转换芯片设计

采样电压的模/数转换通过模/数转换芯片进行，需要综合考虑模/数转换芯片的转换速率，采样速率，通道数，位数等参数。根据***对电压检测的具体要求来选择相匹配的模/数转换芯片。

(5)滤波算法

模/数转换芯片将电压检测值上传到控制芯片后，通过软件滤波对电压值进行滤波以及线性度校正，以达到***对电压检测的参数要求。

总之，模块化多电平柔性直流输电***的子模块电压检测，以上技术点是该发明中需要解决的关键问题。

本发明的一种模块化多电平式柔性直流输电***的子模块电压检测方案，包括采样电阻选型，线性光耦选型，运放选型，模/数转换芯片选型，软件滤波等步骤。整体电路设计如附图1所示。

(一)采样电阻选型：

1.1采样电阻阻值R

根据模块化多电平柔性直流输电***各子模块的均压电阻，采样电阻阻值R在均压电阻阻值的10倍以上。

1.2采样电阻功率P

根据模块化多电平柔性直流输电***各子模块的电压值U，按照P＝U*U/R来选择采样电阻的功率。

1.3采样电阻耐压值

根据模块化多电平柔性直流输电***各子模块的电压值U，使采样电阻的耐压值大于U。

1.4采样电阻精度

根据模块化多电平柔性直流输电***对于子模块电压检测的精度要求，来确定采样电阻的精度，采样电阻的精度应优于***的电压检测精度。

1.5采样电阻等效电感等参数

选用低感或无感电阻，采用电阻等效电感值＜10nH，使等效电感等参数对于电压检测的影响最小。

(二)线性光耦选型：

2.1线性光耦非线性度

尽量选取较低非线性度参数的器件，尽量低于0.01％。

2.2线性光耦传输比

线性光耦的原边副边的传输比误差在±5％之内。

2.3带宽

由于是直流电压检测，对于带宽要求并不严格，一般带宽范围＞1MHz，一般型号均可满足。

(三)运算放大器选型：

选择低功耗，高精度，高速率运放，一般运算放大器功率＜1mW，精度＞95％，运放速率＞1MHz，使运算放大电路能够满足***对于电压检测的参数要求。

(四)模/数转换芯片选型：

模/数转换芯片主要考虑转换速度，采样频率，通道数，位数等参数。根据***的电压检测参数要求，选择合适的模/数转换芯片。通常模/数转换芯片转换时间＜500ns，采用采样频率大于1MHz，通道数≥1，位数≥12位的型号。

(五)软件及线性度校正

将电压检测值转换为数字信号后，控制芯片通过加权平均算法和最小二乘算法对电压值进行滤波和线性度校正，硬件设计流程如附图2所示，软件算法流程如图3所示。

从V_in得到V_out的具体过程如下：

设X为试验电压，Y为经模数转换后理论上应得到的数字量，Y^*为经模数转换后得到的实际数字量，两个变量(X，Y)之间的相互关系时，通常可以得到一系列成对的数据(X₁，Y₁、X₂，Y₂、X₃，Y₃、……X_m，Y_m)；m为样本个数，这些点在一条直线附近，可以令这条直线方程如式(1)，

Y＝A+BX    (1)

其中：A、B是任意实数。

为建立直线方程就要确定A和B，应用最小二乘法原理，将实测值Y^*与利用(式1-1)计算值Y＝A+BX的偏差(Y^*-Y)的平方和

最小为“优化判据”。令：

把式(1)代入式(2)中得：

当

最小时，可用函数

对A、B求偏导数，令这两个偏导数等于零。

亦即：

$\mathrm{mA}+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)B=\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}---\left(6\right)$

$\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i^2\right)B=\mathrm{\Σ}\left(X_i{Y}_i^{*}\right)---\left(7\right)$

得到的两个关于A、B为未知数的两个方程组，解这两个方程组得出：

$A=\left(\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m-B\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)/m---\left(8\right)$

$B=\left[(\mathrm{\Σ}{X}_i{Y}_i^{*}-\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m)\right]/[\mathrm{\Σ}{X}_i^2-{\left(\mathrm{\ΣXi}\right)}^2/m]---\left(9\right)$

这时把A、B代入式(1)中，此时的式(1)就是回归的元线性方程，即线性函数表达式。

选择测试范围内若干理论电压，如当X₁＝500V，X₂＝1000V，X₃＝1500V，X₄＝2500V，X₅＝4000V，根据实测电压值

可以得到线性函数表达式系数A和B。

令模数转换后得到的数字量为D_u，则D_u＝Y＝A+BX，则经12位模数转换后得到实际直流电压为：

V_ref是模数转换电路的参考电压。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (3)

1.一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)电路器件选择，包括采样电阻、线性光耦、运算放大器和模/数转换芯片的选择；

采样电阻选择：采样电阻阻值R大于10倍柔性直流输电***各子模块均压电阻的阻值，采样电阻功率

其中U为柔性直流输电***各子模块电压值，采样电阻耐压值＞U，采样电阻精度优于柔性直流输电***对子模块电压检测的精度，采样电阻等效电感值＜10nH；

线性光耦选择：线形光耦非线性度＜0.01％，线性光耦原边副边的传输比误差在±5％之内，隔离电压5kVrms/1min，带宽范围＞1MHz；

运算放大器选择：运算放大器功率＜1mW，精度＞95％，运放速率＞1MHz；

模/数转换芯片选择：模/数转换芯片转换时间＜500ns，采样频率＞1MHz，通道数≥1，位数≥12位；

2)电路的设计；

所述方法基于采样电阻，线性光耦，运算放大器，模/数转换芯片相配合的电路拓扑；

3)提取电压检测值

对步骤2中1个线路的电压值进行连续采样，将采样电压值的平均值作为电压检测值U_检i；

4)滤波、校正；

将步骤3得到的电压检测值U_检i经过二次滤波和线性度参数校正；

5)经滤波校正的电压检测值发送到上级控制器。

2.如权利要求1所述的一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法，其特征在于所述步骤3中电压检测值U_检i的检测过程为：

采样电压值经过运算放大器调理后经线性光耦隔离，经后级调理电路及滤波后变为0～5V的电压信号送入微处理器作为控制量使用；

在微处理器中，对模/数转换结果设置有8级FIFO缓存，可以同时存储连续10次采样结果，每次存入新数据时，会同时将FIFO中最旧的数据挤出队列，将新的FIFO队列中存储的最大最小的数据剔除，并对剩余8次采样结果做算术平均，得到电压检测值U_检i。

3.如权利要求1所述的一种柔性直流输电***子模块的直流电压检测方法，其特征在于所述步骤4中线性度参数校正过程为：

设直线方程如式(1)，

Y＝A+BX    (1)

其中：A、B是任意实数；

X为试验电压；

Y为经模数转换后理论上应得到的数字量；

Y^*为经模/数转换后得到的实际数字量；

应用最小二乘法原理，将实测值Y^*与利用(式1-1)计算值Y＝A+BX的偏差(Y^*-Y)的平方和最小为“优化判据”，令：

把式(1)代入式(2)中得：

其中：X_i为第i次检测的试验电压；

Y^* _i为经模/数转换后得到的第i次检测实际数字量；

当

最小时，函数

对A、B求偏导数，令这两个偏导数等于零；

亦即：

$\mathrm{mA}+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)B=\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}---\left(6\right)$

$\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)A+\left(\mathrm{\Σ}{X}_i^2\right)B=\mathrm{\Σ}\left(X_i{Y}_i^{*}\right)---\left(7\right)$

解(6)和(7)两个方程的方程组得出：

$A=\left(\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m-B\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\right)/m---\left(8\right)$

$B=\left[(\mathrm{\Σ}{X}_i{Y}_i^{*}-\left(\mathrm{\Σ}{X}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i^{*}\right)/m)\right]/[\mathrm{\Σ}{X}_i^2-{\left(\mathrm{\ΣXi}\right)}^2/m]---\left(9\right)$

这时把A、B代入式(1)中，得到线性函数表达式；

选择测试范围内若干理论电压，如当X₁＝500V，X₂＝1000V，X₃＝1500V，X₄＝2500V，X₅＝4000V，根据实测电压值

可以得到线性函数表达式系数A和B；

$U_c=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{4096}*(A+\mathrm{BX})$

其中：U_c为经12位模/数转换后得到的实际直流电压；

V_ref是模数转换电路的参考电压。

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