CN114910713A - 基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,该方法在传统相序检测方法的基础上,加入了频率检测的部分,通过数值计算的方式同时获得三相电源电压的相序与频率。该方法无需进行硬件电路的逻辑判断,避免了后续的硬件电路维护与检修;无需考虑相位因素,仅需检测三相电源的电压瞬时值即可,将电压瞬时值与内置的参考量进行数值计算,通过统计固定计数周期内的数值滞环次数,即可实现电源电压的相序判断,同时判断电源实际频率是否满足预设标准;该方法可抵抗电源的电压波动与谐波干扰,无需进行瞬时电压检测后的滤波处理,避免了采样的相位延迟,提高了效率与精确度,降低了硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及三相电源并网逆变的技术领域,尤其是指一种基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法。
背景技术
随着新能源行业的蓬勃发展与电力电子装置的广泛应用,可再生能源在电网的渗透率逐渐变高,相比于单相电源,三相电源具有容量大、效率高、稳定性好、用料节省等优势;而在三相电源并网与逆变的过程中,相序检测与频率控制又是至关重要的技术。如果在并网与逆变时可再生电源的相序与电网电压的相序不匹配,或者可再生电源的发电频率不满足电网允许的频率裕量,将会对***造成严重的损害,甚至发生重大事故。
传统的相序检测方案是通过硬件电路来实现,通过检测电网电压的过零点来触发硬件电路的电平翻转,从而进行相序的识别;但该方案需要额外增加硬件电路的成本,并且在硬件电路发生故障时,需要额外的检测与修理,会造成人力物力的浪费。在频率检测方面,传统方案在采集到电网侧的电压波形后,需要通过滤波环节平滑电压曲线后,才可以进行下一步的频率计算;该方案不仅计算量大,会造成采样信号延迟,导致检测结果滞后,并且该方案对滤波器的参数整定要求较高,除此之外,由于实际情况下电源电压并非为标准的正弦函数,传统方案无法解决电源电压中的三相不对称与谐波干扰问题,以及电压采样电路精度带来的偏差问题。
发明内容
本发明的目的在于优化现有的三相电源电压的相序与频率检测技术,提供了一种基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,该方法无需进行硬件电路的逻辑判断,节省了额外的硬件电路设计,降低了成本,无需进行后续的电路维护与检修;无需考虑相位因素,仅需检测三相电源的电压瞬时值即可实现相序与频率的检测目的,判断电源实际频率是否满足预设标准,除此之外该方法可抵抗电源的电压波动与谐波干扰,无需进行瞬时电压检测后的滤波处理,避免了采样的相位延迟,提高了效率与精确度。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,该方法是用于三相电源并网***,无需设计***硬件电路,无需考虑相位因素,只需要检测三相电源的电压瞬时值,将采样到的电压瞬时值与内置的参考量进行数值计算,通过统计固定计数周期内的数值滞环次数,即可实现电源电压的相序判断,同时判断电源实际频率是否满足预设标准。
进一步,所述的基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,包含以下三个阶段:
第一阶段:初始化
设置三相电源电压的额定电压有效值U0与额定频率f0,以及允许的电压频率误差范围;
设置参考电压a、b、c,并且规定三相电源电压的正相序;
设置采样周期T,该采样周期的设置与三相电源并网***自有的三相电压检测环节的采样周期相同;
第二阶段:循环采样与计算
采用滞环计数的方式对结果表达式y的绝对值Y进行频率计算,具体的采样与计算实现过程如下:
1)初始化环节完成后进入循环采样与计算阶段,设置计时时间t0,设置全局变量n=0,设置标志位i=0,j=0,开始计时;
2)判断计时时间是否达到t0,若计时时间达到t0,则相序x为正相序,结束循环,完成循环采样与计算,跳出该第二阶段的流程;若计时时间未达到t0,则采集三相电源的电压瞬时值Ua、Ub、Uc,计算在该时刻的参考电压瞬时值a、b、c的函数值,计算y=Ua×a+Ub×b+Uc×c,将结果表达式y的绝对值设为Y;
3)判断n>f0是否成立;若成立,则相序x为负相序,结束循环,完成循环采样与计算的流程;若不成立,进入步骤4);
4)判断i=0是否成立;若i=0不成立,进入步骤5);若i=0成立,判断Y>0.3U0是否成立,若Y>0.3U0不成立,跳到步骤6),若Y>0.3U0成立,设置i=1,跳到步骤6);
5)判断Y>0.7U0是否成立;若Y>0.7U0不成立,进入步骤6);若Y>0.7U0成立,设置i=0,设置n=n+1,进入步骤6);
6)判断j=0是否成立;若j=0不成立,进入步骤7);若j=0成立,判断Y<0.7U0是否成立,若Y<0.7U0不成立,跳到步骤2),若Y<0.7U0成立,设置j=1,跳到步骤2);
7)判断Y<0.3U0是否成立;若Y<0.3U0不成立,跳到步骤2);若Y<0.3U0成立,设置j=0,设置n=n+1,跳到步骤2);
当计时时间达到了设定的计时时间t0或者满足条件n>f0时,结束该第二阶段的循环采样与计算过程;
第三阶段:相序与频率结果
经过循环采样与计算环节后,得到实际电源的相序x以及结果表达式绝对值Y的滞环计数结果n;
2)利用频率偏差Δf进行频率检测,判断Δf的数值大小范围是否满足规定的电压频率误差范围,若满足误差要求,进入步骤3);若不满足误差要求,进入步骤4);
3)设置检测标志位F为1,进入后续并网操作;
4)设置检测标志位F为0,提示电源电压频率频率偏差不满足要求;
至此,完成相序与频率检测,三相电源并网***根据频率检测结果进行后面的操作。
进一步,针对参考电压的设置与结果表达式y的计算,设置参考电压a、b、c如下式所示,并规定该a、b、c三相电源的顺序为正相序;
三相电源的电压瞬时值用下面的式子表示:
其中式中的Ua、Ub、Uc为检测到的电压瞬时值,U为电压有效值,f为实际电压频率,φ为实际电压相位,取值为任意实数;若实际相序为正相序,则实际的三相电源电压的瞬时值表示为下式:
若实际相序为负相序,则实际的负相序的三相电源电压Ua’、Ub’、Uc’的瞬时值表示为:
在每个计算周期内,将计算得到的a、b、c的参考电压瞬时值与采样的电压瞬时值Ua、Ub、Uc或Ua’、Ub’、Uc’相乘,再将相乘后的结果相加,得到的结果表达式y,如下式所示,其中该式包括两种状态,即电源相序为正相序或电源相序为负相序;
y=Ua×a+Ub×b+Uc×c
在正相序的情况下,将y的结果表达式通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
若实际电压频率f等于设置的参考频率f0时,结果表达式y的值为与时间无关的常数,该常数的值与实际电压相位φ有关,y的图形为一条直线;若实际电压频率f不等于设置的参考频率f0时,即实际电压频率与设定的参考频率有偏差,结果表达式中包含2π(f0-f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,且该曲线的频率为f0-f|,规定该频率为频率偏差Δf,通过计算该曲线的频率,能够反推|f0-f|的值;由上式可知,该曲线的频率数值为电源的实际电压频率f与参考频率值f0的差值,由于频率值均为正数,所以其绝对值必小于任意一个频率值,因此通过判断Δf是否小于设定的参考频率,能够判断在该采样情况下是否为正相序。
结果表达式y的曲线的频率除了能够作为判断相序是否为正的依据外,也代表电源的实际电压频率f与参考频率f0的偏差,若Δf的值满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f满足三相电源并网***频率要求;若Δf的值不满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f不满足三相电源并网***频率要求;
在负相序的情况下,将结果表达式y’通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
由式可知,结果表达式中包含2π(f0+f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y'的结果与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,该曲线的频率为f0+f,规定该频率为频率偏差Δf’;通过计算该曲线的频率,能够反推f0+f的值;由上式可知,该曲线的频率值为电源的实际电压频率f与参考频率f0相加,其值必大于任意一个频率值;因此通过判断结果表达式y'曲线的频率Δf’是否大于设定的参考频率,能够判断该情况是否为负相序。
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
1、无需额外设计***硬件电路与逻辑判断电路,只需利用并网侧的电压传感器检测三相电源的电压瞬时值即可,降低了成本,并且避免了后续的硬件电路维护与检修。
2、无需考虑相位因素,得到数值计算结果后,通过统计固定计数周期内的数值滞环次数即可实现电源电压的相序判断与频率计算,检测电源实际频率是否满足预设标准,过程简单,可操作性强。
3、无需进行电压检测后对电压瞬时值进行滤波处理,避免了采样的相位延迟,提高了效率,并且可抵抗电压波动与谐波干扰,并且在三相电源电压不对称的情况下,本方法依旧判断准确,提高了检测精确度。
4、由于实际情况下的三相电压并非为标准的正弦函数,电压采样电路存在偏差,数值计算过程存在延时等原因,使得计算得到的结果表达式y值并非为标准的余弦图形,本发明提供的采用滞环方式的循环采样与计数方法可避免上述问题。
附图说明
图1为本发明的相序判断与频率检测整体实现流程图。
图2为本发明的循环采样与计算环节的具体实现流程图。
图3为用于测试本发明效果的含多次谐波与电压扰动的三相电源电压的波形图。
图4为本发明在检测到相序为正时的结果表达式绝对值Y的输出结果图。
图5为本发明在检测到相序为负时的结果表达式绝对值Y的输出结果图。
具体实施方式
以下结合附图与公式计算过程对本发明的实施作进一步的详细叙述。但本发明的实施不限于此。
如图1所示,本实施例提供了一种基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,该方法是用于三相电源并网***,仅需检测三相电源的电压瞬时值,将电压瞬时值与内置的参考量进行数值计算后得到计算值,通过统计固定计数周期内的该计算值的滞环次数,从而进行三相电源的相序与频率检测,判断电源实际频率是否满足预设标准,该方法无需额外设计***硬件电路,降低了成本,并且避免了后续的硬件电路维护与检修,无需进行三相电源相位的检测与锁相环,无需进行电压检测后对电压瞬时值进行滤波处理,避免了采样的相位延迟,并且可抵抗电压波动与谐波干扰,并且在三相电源电压不对称的情况下判断依旧准确。该方法的实现包括以下三个阶段:
第一阶段:初始化环节
设置三相电源电压的额定电压有效值U0与额定频率f0,按照中国的国家标准GB/T15945-2008中的规定,标称频率为50Hz的电力***正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz,***容量较小时,可放宽到±0.5Hz。
设置参考电压a、b、c,并且规定三相电源电压的正相序。
设置采样周期T,该采样周期的设置可与该三相电源并网***自有的输入电压检测环节的采样周期相同,本处设置为0.1ms;
第二阶段:循环采样与计算环节
初始化完成后进入该阶段,该阶段的流程图如图2所示。实际情况下由于电源电压并非为标准的正弦函数,电压采样电路存在偏差,数值计算过程存在延时等原因,使得计算得到的结果表达式y值并非为标准的余弦图形;因此本方法中改进了曲线频率的计算方法,采用滞环计数的方式来进行结果表达式y的曲线频率的计算,具体的采样与计算实现过程如下:
1)进入相序与频率检测的循环采样与计算,设置计时时间t0,本处设置为1s,设置全局变量n=0,设置标志位i=0,j=0,开始计时。
2)判断计时时间是否达到1s,若计时时间达到1s,则相序x为正相序,结束循环,完成循环采样与计算,跳出该第二阶段的流程;若计时时间未达到1s,则采集三相电源的电压瞬时值Ua、Ub、Uc,计算在该时刻的参考电压瞬时值a、b、c的函数值,计算y=Ua×a+Ub×b+Uc×c,将结果表达式y的绝对值设为Y。
3)判断n>f0是否成立。若成立,则相序x为负相序,结束循环,完成循环采样与计算的流程;若不成立,进入步骤4)。
4)判断i=0是否成立。若i=0不成立,进入步骤5);若i=0成立,判断Y>0.3U0是否成立,若Y>0.3U0不成立,跳到步骤6),若Y>0.3U0成立,设置i=1,跳到步骤6)。
5)判断Y>0.7U0是否成立。若Y>0.7U0不成立,进入步骤6);若Y>0.7U0成立,设置i=0,设置n=n+1,进入步骤6)。
6)判断j=0是否成立。若j=0不成立,进入步骤7);若j=0成立,判断Y<0.7U0是否成立,若Y<0.7U0不成立,跳到步骤2),若Y<0.7U0成立,设置j=1,跳到步骤2)。
7)判断Y<0.3U0是否成立。若Y<0.3U0不成立,跳到步骤2);若Y<0.3U0成立,设置j=0,设置n=n+1,跳到步骤2)。
当计时时间达到了设定的计时时间或者满足条件n>f0时,结束该第二阶段的循环采样与计算过程。
第三阶段:相序与频率结果输出环节
经过循环采样与计算环节后,可得到实际电源的相序x以及结果表达式绝对值Y的滞环计数结果n。
2)利用频率偏差Δf进行频率检测,判断Δf的数值大小范围是否满足规定的频率误差允许范围,若满足误差要求,进入步骤3);若不满足误差要求,进入步骤4)。
3)设置检测标志位F为1,进入后续并网操作。
4)设置检测标志位F为0,提示电源电压频率频率偏差不满足要求。
至此,完成相序与频率检测,三相电源并网***根据频率检测结果进行后面的操作。
进一步,针对参考电压的设置与结果表达式y的计算,设置参考电压a、b、c如下式所示,并规定该a、b、c三相电源的顺序为正相序;
三相电源的电压瞬时值用下面的式子表示:
其中式中的Ua、Ub、Uc为检测到的电压瞬时值,在本具体实施方式中,含多次谐波与电压扰动的三相电源电压波形如图3所示,U为电压有效值,f为实际电压频率,φ为实际电压相位,取值可为任意实数。若实际相序为正相序,则实际的三相电源电压的瞬时值可表示为下式:
若实际相序为负相序,则实际的负相序的三相电源电压Ua’、Ub’、Uc’的瞬时值可表示为:
在每个计算周期内,将计算得到的a、b、c的参考电压瞬时值与采样的电压瞬时值Ua、Ub、Uc或Ua’、Ub’、Uc’相乘,再将相乘后的结果相加,得到的结果表达式y,如下式所示,其中该式包括两种状态,即电源相序为正相序或电源相序为负相序;
y=Ua×a+Ub×b+Uc×c
在正相序的情况下,将y的结果表达式通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
若实际电压频率f等于设置的参考频率f0时,结果表达式y的值为与时间无关的常数,该常数的值与实际电压相位φ有关,y的图形为一条直线;若实际电压频率f不等于设置的参考频率f0时,即实际电压频率与设定的参考频率有偏差,结果表达式中包含2π(f0-f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,且该曲线的频率为f0-f|,规定该频率为频率偏差Δf,通过计算该曲线的频率,能够反推|f0-f|的值;由上式可知,该曲线的频率数值为电源的实际电压频率f与参考频率值f0的差值,由于频率值均为正数,所以其绝对值必小于任意一个频率值,因此通过判断Δf是否小于设定的参考频率,可以判断在该采样情况下是否为正相序。
若实际三相电源不是频率为50Hz的标准正弦波时,结果表达式y的图形并未为一条直线或余弦函数;若实际三相电源的相序与设置的相序一致时,结果表达式y的绝对值的输出结果如图4所示,若实际三相电源的相序与设置的相序不一致时,结果表达式y的绝对值的输出结果如图5所示。
结果表达式y的曲线的频率除了可以作为判断相序是否为正的依据外,也代表电源的实际电压频率f与参考频率f0的偏差,若Δf的值满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f满足频率要求;若Δf的值不满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f不满足频率要求;
在负相序的情况下,将结果表达式y’通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
由式可知,结果表达式中包含2π(f0+f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y'的结果与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,该曲线的频率为f0+f,规定该频率为频率偏差Δf’;通过计算该曲线的频率,能够反推f0+f的值。由上式可知,该曲线的频率值为电源的实际电压频率f与参考频率f0相加,其值必大于任意一个频率值;因此通过判断结果表达式y'曲线的频率Δf’是否大于设定的参考频率,能够判断该情况是否为负相序。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代,但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。
Claims (3)
1.基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,其特征在于:该方法是用于三相电源并网***,无需设计***硬件电路,无需考虑相位因素,只需要检测三相电源的电压瞬时值,将采样到的电压瞬时值与内置的参考量进行数值计算,通过统计固定计数周期内的数值滞环次数,即可实现电源电压的相序判断,同时判断电源实际频率是否满足预设标准。
2.如权利要求1所述的基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,其特征在于,包含以下三个阶段:
第一阶段:初始化
设置三相电源电压的额定电压有效值U0与额定频率f0,以及允许的电压频率误差范围;
设置参考电压a、b、c,并且规定三相电源电压的正相序;
设置采样周期T,该采样周期的设置与三相电源并网***自有的三相电压检测环节的采样周期相同;
第二阶段:循环采样与计算
采用滞环计数的方式对结果表达式y的绝对值Y进行频率计算,具体的采样与计算实现过程如下:
1)初始化环节完成后进入循环采样与计算阶段,设置计时时间t0,设置全局变量n=0,设置标志位i=0,j=0,开始计时;
2)判断计时时间是否达到t0,若计时时间达到t0,则相序x为正相序,结束循环,完成循环采样与计算,跳出该第二阶段的流程;若计时时间未达到t0,则采集三相电源的电压瞬时值Ua、Ub、Uc,计算在该时刻的参考电压瞬时值a、b、c的函数值,计算y=Ua×a+Ub×b+Uc×c,将结果表达式y的绝对值设为Y;
3)判断n>f0是否成立;若成立,则相序x为负相序,结束循环,完成循环采样与计算的流程;若不成立,进入步骤4);
4)判断i=0是否成立;若i=0不成立,进入步骤5);若i=0成立,判断Y>0.3U0是否成立,若Y>0.3U0不成立,跳到步骤6),若Y>0.3U0成立,设置i=1,跳到步骤6);
5)判断Y>0.7U0是否成立;若Y>0.7U0不成立,进入步骤6);若Y>0.7U0成立,设置i=0,设置n=n+1,进入步骤6);
6)判断j=0是否成立;若j=0不成立,进入步骤7);若j=0成立,判断Y<0.7U0是否成立,若Y<0.7U0不成立,跳到步骤2),若Y<0.7U0成立,设置j=1,跳到步骤2);
7)判断Y<0.3U0是否成立;若Y<0.3U0不成立,跳到步骤2);若Y<0.3U0成立,设置j=0,设置n=n+1,跳到步骤2);
当计时时间达到了设定的计时时间t0或者满足条件n>f0时,结束该第二阶段的循环采样与计算过程;
第三阶段:相序与频率结果
经过循环采样与计算环节后,得到实际电源的相序x以及结果表达式绝对值Y的滞环计数结果n;
2)利用频率偏差Δf进行频率检测,判断Δf的数值大小范围是否满足规定的电压频率误差范围,若满足误差要求,进入步骤3);若不满足误差要求,进入步骤4);
3)设置检测标志位F为1,进入后续并网操作;
4)设置检测标志位F为0,提示电源电压频率频率偏差不满足要求;
至此,完成相序与频率检测,三相电源并网***根据频率检测结果进行后面的操作。
3.如权利要求1所述的基于数值计算的三相电源电压相序及频率检测方法,其特征在于,设置参考电压a、b、c如下式所示,并规定该a、b、c三相电源的顺序为正相序;
三相电源的电压瞬时值用下面的式子表示:
其中式中的Ua、Ub、Uc为检测到的电压瞬时值,U为电压有效值,f为实际电压频率,φ为实际电压相位,取值为任意实数;若实际相序为正相序,则实际的三相电源电压的瞬时值表示为下式:
若实际相序为负相序,则实际的负相序的三相电源电压Ua’、Ub’、Uc’的瞬时值表示为:
在每个计算周期内,将计算得到的a、b、c的参考电压瞬时值与采样的电压瞬时值Ua、Ub、Uc或Ua’、Ub’、Uc’相乘,再将相乘后的结果相加,得到的结果表达式y,如下式所示,其中该式包括两种状态,即电源相序为正相序或电源相序为负相序;
y=Ua×a+Ub×b+Uc×c
在正相序的情况下,将y的结果表达式通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
若实际电压频率f等于设置的参考频率f0时,结果表达式y的值为与时间无关的常数,该常数的值与实际电压相位φ有关,y的图形为一条直线;若实际电压频率f不等于设置的参考频率f0时,即实际电压频率与设定的参考频率有偏差,结果表达式中包含2π(f0-f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,且该曲线的频率为|f0-f|,规定该频率为频率偏差Δf,通过计算该曲线的频率,能够反推|f0-f|的值;由上式可知,该曲线的频率数值为电源的实际电压频率f与参考频率值f0的差值,由于频率值均为正数,所以其绝对值必小于任意一个频率值,因此通过判断Δf是否小于设定的参考频率,能够判断在该采样情况下是否为正相序;
结果表达式y的曲线的频率除了能够作为判断相序是否为正的依据外,也代表电源的实际电压频率f与参考频率f0的偏差,若Δf的值满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f满足三相电源并网***频率要求;若Δf的值不满足三相电源并网***要求的电压频率误差范围,则表示电源的实际电压频率f不满足三相电源并网***频率要求;
在负相序的情况下,将结果表达式y’通过和差化积公式进行三角函数化简得到下式:
由式可知,结果表达式中包含2π(f0+f)t项,该式与时间t相关,因此结果表达式y'的结果与时间t和实际电压相位φ有关,其图形为余弦曲线,该曲线的频率为f0+f,规定该频率为频率偏差Δf’;通过计算该曲线的频率,能够反推f0+f的值;由上式可知,该曲线的频率值为电源的实际电压频率f与参考频率f0相加,其值必大于任意一个频率值;因此通过判断结果表达式y'曲线的频率Δf’是否大于设定的参考频率,能够判断该情况是否为负相序。
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