CN104730323A - 一种检测ac电压波形畸变的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测AC电压波形畸变的方法和装置。此方法一般应用在检测交流电压波形异常的装置上。此方法包含门限生成器和门限比较器两部分，其中门限生成器是根据理想交流电压波形通过计算得到的门限值。此门限值送入门限比较器，与采集的电网电压波形样本进行比较，进而检测电网交流电压是否发生波形畸变。

Description

一种检测AC电压波形畸变的方法和装置

技术领域

此方法一般应用在电能转换器上，特别是应用在需要检测交流电压异常的电能转换器上。

背景技术

以前，太阳能电池板大多部署到远端***上，这些地方一般没有其他的能量来源，如卫星等。由于太阳能电池板造价昂贵，除非别无选择，否则一般不会选用太阳能电池板作为能量来源。随着电能需求越来越大，地球存储的能源（如煤等）随着进一步开发而越来越少，电能成本越来越高，以太阳能电池板作为能量来源变得越来越有吸引力。

太阳能电池板，或者叫做光伏组件，可以直接从太阳能转换成直流电能。光伏组件本身无法存储电能，因此，电能要么直接用掉，要么存储到电能存储***里，如电池，水电存储等。现如今用的比较广泛的是把光伏组件产生的直流电通过逆变器生成交流电，通过分布式***把太阳能产生的电能卖到商用电网上去。

当电能并到商用电网上时，注入商用电网的交流电流的波形必须与商用电网的电压一致。为了达到这个效果，逆变器必须采集电网电压信号，使输出电流的幅值、相位、频率与电网电压保持一致。过零检测用来确保电网电压与并网电流的相位相同。但有时电网电压会发生畸变，导致逆变***产生错误过零检测信号，进而注入错误的交流电流，破坏并网***。

因此，有必要研究一种能够识别电网电压畸变的方法。

发明内容

此方法一般应用在检测交流电压波形异常的装置上。此方法包含门限生成器和门限比较器两部分，其中门限生成器是根据理想交流电压波形通过计算得到的门限值。此门限值送入门限比较器，与采集的电网电压波形样本进行比较，进而检测电网交流电压是否发生波形畸变。

附图说明

为了能够更为清晰的描述上述方法的细节，特附6幅图来做进一步描述。值得注意的是，此应用方法仅为典型应用实例，实际应用范围并不局限于此，该方法可以扩展到与此应用等同的任何应用上。

图1是应用此方法的分布式发电***框图；

图2是应用此方法的逆变器***框图；

图3是应用此方法的控制器逻辑框图；

图4是应用此方法的交流电压波形；

图5是应用此方法的门限检测器的工作流程图；

图6是应用此方法的门限生成器的工作流程图。

具体实施方案

图1是分布式***框图，***包括逆变器102₁,102₂,,...102_n，光伏组件104₁,104₂......104n，AC总线106和负载中心108。每个逆变器102₁,102₂,,...102_n分别连接到光伏组件104₁,104₂......104_n，每个逆变器102分别把直流电经过逆变输出到交流总线106上去，然后通过负载中心108消耗掉。负载中心108分别与商用电网和AC总线106连接。***100通过负载中心108把光伏组件104生成的电能注入到商用电网上去。

每个逆变器102需要从商用电网上获取参考信号来识别电网电压是否有问题，当电网电压出现畸变的时候切断与电网的联系。

在一些实施方案中，每个光伏组件104会分别与一个DC/DC转换器相连。这些DC/DC转换器连接到一台中心逆变器上。

图2是逆变器102的***框图。逆变器102包括一个功率控制模块202，一个控制器204，一个AC电压采样模块206和一个锁相环（PLL)212。

功率控制模块202通过输入端口与光伏组件104相连，通过两个输出端口与商用电网相连。功率控制模块202与控制器204相连，作用是通过控制器204来控制功率控制模块202的开关信号，将光伏组件104产生的直流电转换成交流电，并注入AC总线上去。由于交流总线与商用电网相位一致，因此可以把电能并到商用电网上去。交流电压采集模块206通过两个输入端口连接到AC总线上去，并且通过输出端口连接到锁相环PLL212。PLL212通过输出端口连接到控制器204和门限检测器210，控制器204连接到功率控制模块202和门限检测器210。交流电压采集模块采集AC总线上的电压信号，输出与AC总线匹配的电压离散信号到PLL212。LL把得到的数据转换成与交流电网幅值、频率和相位相匹配的信息。

控制器204通过接收到的AC总线信息控制功率控制模块202，并且定义交流电网电压值的上限和下限阈值。一般情况下，控制器204包含一个门限生成器208，用于计算最高门限和最低门限。然后送给门限检测器210。生成的上限和下限分别是一组以时间变量的序列数。门限检测器210用于检测AC总线交流总线的波形畸变结果，此结果的更新周期可能是半个周期或一个周期，在这个周期内，门限生成器会以时间为变量生成两串序列数据，即高门限和低门限。在同一时间内，采集到的AC总线电压值与两个门限值进行比较，如在这两个值的范围内，则认为这个点的波形没有发生畸变。如果在这个范围之外，则认为这个点发生了畸变。如在一个周期内有一定数据量的点发生了畸变，则认为AC电网电压发生畸变，进而切断电网，停止向电网注入电能。

图3是控制204的***框图。控制器204包括CPU302，***电路304和存储器306。CPU302可能包括多个微处理器或多个ASIC电路。***电路304包括驱动电路，输入输出接口电路，时钟电路，电源等，有些不是必须的，视情况而定。

存储器306可能是随机存储器，只读存储器，FLASH等。存储器存储了应用软件，包括门限生成器208，门限检测器210操作***310和功率转换控制模块308。用于控制功率控制模块202。功率转换控制模块308接收来自PLL212的电网信息，并控制功率控制模块202。门限生成器利用来自PLL212的幅值、相位和频率信息计算并生成电网电压的上限值和下限值。这个上限值和下限值用于检测AC总线上的波形是否畸变，进而控制逆变器102能量正常注入到AC总线上。在一些情况下，功率转换控制模块308，门限生成器208，门限检测器210可以是硬件，软件或特殊固件来实现。在一些应用中，门限生成器208计算门限的方法如下：

Upper bound = (1+K₁)×V_AC×sin(ωt)+K₂×sign[Ф]

Lower bound = (1-K₁)×V_AC×sin(ωt)-K₂×sign[Ф]

根据公式可计算出上限和下限，其中K₁和K₂是偏移值系数，决定上限值和下限值偏移正常值的大小。例如K₁=0.2,K₂=0.1。V_ACsin(t)是正常电网电压，VAC为电网电压最大值sign[Ф]是符号函数，当0<Ф<π时，sign[]=1,当π<Ф<2π时，sign[Ф]=-1。当在过零点时没有上限或下限制。

如前所述，门限检测器210的作用是把采集到的AC电网电压与门限值进行比较，进而识别电网异常。当电网电压超出门限值，则认为识别到了异常，这时门限检测器210给功率转换控制模块308发出信号，功率转换控制模块308关闭功率控制模块202。

图4是电网电压波形图，此图画出了理想电网电压波形402，由门限生成器计算得出的门限上限404和门限下限406以及之间的阈值408，在过零点410,402和404上，没有电压的上限和下限。

图5是检测电网电压过零点的方法框图。此方法开始于步骤502，然后进入步骤504，步骤504获取交流电网电压采集值，比如120k/s。然后进入步骤506，步骤506把采集值与门限值进行比较，然后进入步骤508，在步骤508中，如果采集值的超过了门限值则进入步骤510，如没有超过门限值则返回到504。在步骤510中，计算超过门限的点数是否超过阈值，如超过阈值则进入步骤512，否则进入步骤504。比如在10次采样中有6此超过了门限值则进入步骤512，否则进入步骤504。在步骤512中，关闭逆变器。然后进入步骤514，在514中判断逆变器是否需要继续工作，如需要工作则进入步骤506，否则进入步骤518结束检测。

FIG6是门限生成器的方法框图。该方法开始于步骤602，然后进入步骤604，在步骤604门限生成器获取到交流电网上的离散电压采样值，采样频率可能是120K/S，然后进入步骤606。在步骤606中通过PLL得到采样电压的幅值、频率和相位信息，然后进入步骤608，在步骤608里计算门限值，计算公式如下：

Upper bound = (1+K₁)×V_AC sin(ωt)+K₂×sign[Ф]

Lower bound = (1-K₁)×V_ACsin(ωt)-K₂×sign[Ф]

公式里变量含义在上文中以有叙述。得到门限值后进入610结束。

Claims (19)

1.在检测交流电压波形畸变的装置中包括：(1)一个门限生成器，其作用是生成至少一套以时间为变量的门限样本，这个门限样本是根据交流电网电压信息计算得出的；(2)一个门限检测器，其作用是比较交流电网电压波形的样本和至少一套以时间为变量的门限样本的区别，进而检测出交流电网电压是否畸变。

2.根据权利要求1所述的交流电网电压信息包括交流电网电压的幅值，频率和相位信息。

3.根据权利要求1所述的至少一套以时间为变量的门限样本包括两组以时间为变量的门限值。

4.根据权利要求3所述的两组以时间为变量的门限值，这两组门限值包围了理想电网电压波形。

5.根据权利要求1所述的门限检测器，根据一组交流电网电压波形样本判断另一组波形是否畸变。

6.根据权利要求5所述的门限检测器检测到波形畸变的结果是，会生成一个信号发送到功率转换控制器，使控制器关闭功率控制模块。

7.根据权利要求3所述的所述的两组以时间为变量的门限值在理想的电网电压波形的过零点是无门限要求的。

8.根据权利要1所述的至少一套以时间为变量的门限值包括

 (i)一个高门限                                                

 (ii)一个低门限

并且公式中的K₁，K₂是偏移系数，V_AC是交流电网电压的幅值，ω是交流电网电压的频率，t是时间，Ф是交流电网电压的相位，当0<Ф<π时，sign[Ф]=1,当π<Ф<2π时，sign[Ф]=-1。

9.交流电压波形畸变的检测方法至少由一个控制器或ASIC来完成，这个方法包括：(i)以理想交流电网电压波形为基础计算至少一套以时间为变量的门限值；(ii)比较交流电网电压采样值和计算得出的门限值的差别，进而检测出交流电网电压波形是否发生畸变。

10.根据权利要求9所述的交流电压波形畸变的检测方法中，获取了大量的交流电网电压样本，根据这个样本来计算交流电网电压的幅值，频率和相位，进而得门限值。

11.根据权利要求9所述的门限检测器，根据一组交流电网电压波形样本判断另一组波形是否畸变。

12.根据权利要求11所述的门限检测器检测到波形畸变的结果是，会生成一个信号发送到功率转换控制器，使控制器关闭功率控制模块。

13.根据权利要求9所述的至少一套以时间为变量的门限样本包括两组以时间为变量的门限值。

14.根据权利要求13所述的两组以时间为变量的门限值，这两组门限值包围了理想电网电压波形。

15.根据权利要求13所述的所述的两组以时间为变量的门限值在理想的电网电压波形的过零点是无门限要求的。

16.根据权利要9所述的至少一套以时间为变量的门限值包括

 (i)一个高门限

 (ii)一个低门限

并且公式中的K₁，K₂是偏移系数，V_AC是交流电网电压的幅值，ω是交流电网电压的频率，t是时间，Ф是交流电网电压的相位，当0<Ф<π时，sign[Ф]=1,当π<Ф<2π时，sign[Ф]=-1。

17.在检测交流电压波形畸变的方法或装置中包括：

  (i)一个用于生成至少一套具有同等意义的以时间为变量的门限样本，这个门限样本是根据交流电网电压信息计算得出的；(ii)一个具有同等意义的门限检测器，其作用是比较交流电网电压波形的样本和至少一套以时间为变量的门限样本的区别，进而检测出交流电网电压是否畸变。

18.根据权利要求17所述的具有同等意义的门限检测器检测到一个波形畸变的依据是另一组交流电网电压波形样本。

19.根据权利要求18所述的具有同等意义的门限检测器检测到波形畸变的结果是，会生成一个信号发送到功率转换控制器，使控制器关闭功率控制模块。