TW201822466A - 用於市電並聯系統之鎖相迴路方法 - Google Patents

用於市電並聯系統之鎖相迴路方法 Download PDF

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本發明係提供一種鎖相迴路方法，用於市電並聯系統，該鎖相迴路方法包含轉換訊號產生步驟、誤差計算步驟、頻率修正訊號取得步驟、角度訊號取得步驟及同步訊號產生步驟，以藉由偵測市電電壓來計算誤差值的大小，並藉由比例積分調整來使誤差值降低或歸零。據此，藉由上述步驟，可達到能夠克服輸入之市電電壓失真及頻率變化而精確達到同步的功效，此外，可達到具有響應快速的優點且具有相當廣之頻率範圍的功效，以用於追蹤柴油發電機等發電設備，擴展逆變器之應用範圍。

Description

用於市電並聯系統之鎖相迴路方法
本發明係揭露一種鎖相迴路方法，更特別的是關於一種用於市電並聯系統的鎖相迴路方法。
於市電並聯系統中，通常具有可以數位方式進行控制的逆變器(inverter)電路，逆變器電路偵測市電電壓以產生正弦同步訊號，正弦同步訊號用以提供至逆變器電路中的電流迴路或交流電壓控制迴路，使得逆變器電路之電壓、頻率及相位得以與市電之電壓、頻率及相位相同，從而能夠執行二者之間的電力潮流控制(power flow control)。
習知之逆變器電路1000如圖1所示，其係使用一比較器或運算放大器1100偵測市電電壓VS 之零交越點，此零交越訊號SZERO 除經由數位捕捉 (Capture)1200計算其頻率外，亦利用此零交越訊號SZERO 重置一預設之正弦波表(Sine Table)1300以產生逆變器電路1000所需之同步正弦波訊號SSIN 。
然而，使用上述逆變器電路1000時，容易因為市電電壓失真、偵測電路零交越訊號震盪等問題使得重置訊號震盪，進而造成正弦波表震盪問題。為解決此問題雖可使用低通濾波器改善偵測之市電電壓波形，亦或具有磁滯之比較器減緩訊號震盪問題，然而此會造成正弦波表之相位延遲問題，難以應用於電壓頻率變化較為寬廣之應用。
本發明之一目的在於提供一種鎖相迴路方法，其係能夠克服輸入之市電電壓失真及頻率變化等問題，而精確達到同步，使逆變器得以不易受市電擾動影響且維持正常操作。
本發明之另一目的在於提供一種鎖相迴路方法，其係具有響應快速的優點且具有相當廣之頻率範圍，可用於追蹤柴油發電機等發電設備以擴展逆變器之應用範圍。
為達上述目的及其他目的，本發明係提供一種鎖相迴路方法，用於市電並聯系統，該鎖相迴路方法包含一轉換訊號產生步驟、一誤差計算步驟、一頻率修正訊號取得步驟、一角度訊號取得步驟及一同步訊號產生步驟。
該轉換訊號產生步驟係藉由偵測一市電之電壓來產生一第一轉換訊號及一第二轉換訊號，該第一轉換訊號為一第一函數形式，該第二轉換訊號為一第二函數形式；該誤差計算步驟係藉由該第一轉換訊號、該第二轉換訊號、一第一同步訊號、一第二同步訊號之值運算，來取得一誤差值，該第一同步訊號為該第二函數形式，該第二同步訊號為該第一函數形式；該頻率修正訊號取得步驟係將具有該誤差值的一誤差訊號輸入一比例積分器，以取得一頻率修正訊號；該角度訊號取得步驟係先藉由該頻率修正訊號與原頻率相加以取得一調整頻率，然後將該調整頻率積分以取得一角度訊號；以及該同步訊號產生步驟，係分別查閱一第一函數表及一第二函數表來取得該角度訊號之角度值所對應的值，該角度訊號之角度值於該第一函數表中所對應的值係作為該第一同步訊號之值，該角度訊號之角度值於該第二函數表中所對應的值係作為該第二同步訊號之值。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，該第一函數表為正弦波表(Sine table)，該第二函數表為餘弦波表(Cosine table)，該第一同步訊號之相位與該第二同步訊號之相位的相位差為90度。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，該誤差計算步驟包含一第一乘積取得步驟、一第二乘積取得步驟及一誤差值取得步驟，該第一乘積取得步驟係將該第一轉換訊號與該第一同步訊號之值相乘，以取得一第一乘積；該第二乘積取得步驟係將該第二轉換訊號與該第二同步訊號之值相乘，以取得一第二乘積；及該誤差值取得步驟，係將該第一乘積減去該第二乘積，以取得該誤差值。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，於該角度訊號取得步驟及該同步訊號產生步驟之間更包括一角度限制步驟，係先藉由一範圍限制器將該角度訊號之角度值限制於一範圍內。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，該市電具有三相電壓，於該轉換訊號產生步驟中，係藉由偵測該市電之三相電壓來產生該第一轉換訊號及該第二轉換訊號。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，該市電具有單相電壓，於該轉換訊號產生步驟中，係藉由偵測該市電之單相電壓來產生該第一轉換訊號及該第二轉換訊號。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，於該轉換訊號產生步驟中更包括一取樣步驟，係藉由對所偵測到之市電電壓進行取樣以產生該第一轉換訊號。
於本發明鎖相迴路方法的一實施例中，於該轉換訊號產生步驟中更包括一延遲步驟，係藉由延遲該第一轉換訊號來產生該第二轉換訊號。
藉此，本發明鎖相迴路方法藉由上述步驟，可達到能夠克服輸入之市電電壓失真及頻率變化而精確達到同步的功效，此外，可達到具有響應快速的優點且具有相當廣之頻率範圍的功效，以用於追蹤柴油發電機等發電設備，擴展逆變器之應用範圍。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：
請參照圖2，圖2係使用本發明鎖相迴路方法的市電並聯系統100之一實施例的系統方塊圖。如圖2所示，該市電並聯系統100包含一鎖相迴路110、一隔離保護元件120、一電壓控制器130、一電流控制器140、一正弦脈衝寬度調變(Sinusoidal PWM)驅動器150及一逆變器160，該逆變器160包括一直流匯流排161、一MOSFET模組162及一LC濾波器163，該LC濾波器163連接至市電電網。
其中，該鎖相迴路110係偵測市電電壓VS ，並藉由內部的追蹤調整機制來使輸出訊號(例如正弦波訊號)與市電電壓VS 的誤差(例如相位差)逐漸降低，進而能夠使該逆變器160的電壓、頻率、相位與市電的電壓、頻率、相位相同，以執行二者之間之電力潮流控制。
值得注意的是，圖2之市電並聯系統100僅為眾多市電並聯系統之一示例而已，本發明鎖相迴路方法之適用範圍並不以圖2之市電並聯系統100為限，本發明鎖相迴路方法適用於各種類型之市電並聯系統，至少包括並網型再生能源發電系統及不斷電電源供應器(UPS)等等。
接著，請參照圖3，圖3係本發明鎖相迴路方法的流程圖。如圖3所示，該鎖相迴路方法包含一轉換訊號產生步驟S110、一誤差計算步驟S120、一頻率修正訊號取得步驟S130、一角度訊號取得步驟S140及一同步訊號產生步驟S150。
該轉換訊號產生步驟S110係藉由偵測市電電壓VS 來產生一第一轉換訊號S1及一第二轉換訊號S2，於一實施例中，該第一轉換訊號S1之值為Vm sin(wt)，該第一轉換訊號S1為sine函數形式，因此sine函數稱為第一函數，該第一轉換訊號S1為第一函數形式；該第二轉換訊號S2之值為Vm cos(wt)，該第二轉換訊號S2為cosine函數形式，因此cosine函數稱為第二函數，該第二轉換訊號S2為第二函數形式。此外，Vm 代表市電之均方根電壓，w代表原頻率，t代表時間。
值得注意的是，雖然於該實施例中該第一函數及第二函數分別為sine函數及cosine函數，但並不以此為限，例如，於其他可能的實施例中，該第一函數可為cosine函數形式且該第二函數對應為sine函數形式。
該誤差計算步驟S120係藉由該第一轉換訊號S1、該第二轉換訊號S2、一第一同步訊號S3、一第二同步訊號S4之值運算，來取得一誤差值e，於一實施例中，該第一同步訊號S3之值為cos(w1 t)，該第一同步訊號S3為cosine函數形式，因此該第一同步訊號S3為第二函數形式，該第二同步訊號S4之值為sin(w1 t)，該第二同步訊號S4為sine函數形式，因此該第二同步訊號S4為第一函數形式。此外，w1 代表頻率修正後的調整頻率。
舉例來說，可利用以下算式計算該誤差值e： e= Vm {sin(wt)cos(w1 t)- cos(wt)sin(w1 t)}。
其中，Vm sin(wt)cos(w1 t)稱為一第一乘積，該第一乘積等於該第一轉換訊號S1與該第一同步訊號S3之值相乘的結果；Vm cos(wt)sin(w1 t) 稱為一第二乘積，該第二乘積等於該第二轉換訊號S2與該第二同步訊號S4之值相乘的結果；該誤差值e等於該第一乘積減去該第二乘積。
該頻率修正訊號取得步驟S130係將具有該誤差值e的一誤差訊號輸入一比例積分器，以取得一頻率修正訊號S5，該頻率修正訊號S5之值為△w。
該角度訊號取得步驟S140係先藉由該頻率修正訊號△w與原頻率w相加以取得該調整頻率w1 ，然後將該調整頻率w1 積分以取得一角度訊號q，亦即，w1 =w+△w，將w1 積分後的可得到q。
該同步訊號產生步驟S150係分別查閱一第一函數表T1及一第二函數表T2來取得該角度訊號q之角度值所對應的值，於該實施例中，該第一函數表T1為餘弦波表(cosine table)，該第二函數表T2為正弦波表(sine table)，該第一同步訊號S3之相位與該第二同步訊號S4之相位的相位差為90度，因此，若，則查閱該第一函數表T1後可得到，查閱該第二函數表T2後可得到。
進一步地，如圖4所示，於該角度訊號取得步驟S140及該同步訊號產生步驟S150之間更包括一角度限制步驟S160，該角度限制步驟S160係先藉由一範圍限制器將該角度訊號q之角度值限制於一範圍內，例如，限制在0~2π的範圍內，藉由該角度限制步驟S160，可確認該角度訊號q之角度值經轉換後必定落在預定範圍內，並且讓該第一函數表T1及該第二函數表T2的尺寸受到適當地控制，例如，無須考慮當時，該第一函數表T1及該第二函數表T2之對應值的問題，因為經轉換後q必定落在0~2π的範圍內，且經轉換後，計算sinq與cosq的值仍然會相同。
該角度訊號q之角度值於該第一函數表T1中所對應的值係作為該第一同步訊號S3之值，亦即該第一同步訊號S3之值為cos(w 1 t)，該角度訊號q之角度值於該第二函數表T2中所對應的值係作為該第二同步訊號S4之值，亦即該第二同步訊號S4之值為sin(w 1 t)，例如，若，則該第一同步訊號S3之值為，該第一同步訊號S4之值為。
經由上述步驟，可藉由比例積分調整使誤差e逐漸變為零，從而達到鎖相目地，亦即w1 =w，△w=0。即使市電電壓訊號失真或頻率震盪，鎖相控制迴路之計算亦能藉由控制迴路的迴授控制，來衰減因失真或頻率震盪所造成之誤差，從而免除鎖相訊號震盪問題。
此外，相較於習知技術使用偵測電路搭配比較器或運算放大器的方式，本發明鎖相迴路方法係直接將市電電壓VS 轉換為第一函數形式或第二函數形式的轉換訊號，此方式有助於加快響應速度，且亦有助於擴展適用之頻率範圍，故可用於追蹤柴油發電機等發電設備。
隨著市電種類的不同，本發明鎖相迴路方法亦可有對應之變化或調整，以下，請參照圖5~圖7及圖8~圖10，圖5~圖7分別為當市電具有三相電壓時一實施例的示意圖、模擬電路圖及模擬結果圖，圖8~圖10分別為當市電具有單相電壓時一實施例的示意圖、模擬電路圖及模擬結果圖。
如圖5所示，市電之三相電壓分別為Vsa , Vsb 及Vsc ，經過abc- ab 軸轉換後，可得到該第一轉換訊號S1之值為Vm sin(wt)及該第二轉換訊號S2之值為Vm cos(wt)，該第一轉換訊號S1及該第二轉換訊號S2分別與該第一同步訊號S3及該第二同步訊號S4相乘後相減，即可計算出該誤差值e，該誤差值e經過一比例積分器PI後得到一頻率修正訊號△w。
接著，請參照圖6及圖7之模擬驗證的模擬電路圖及模擬結果，於設定電壓起始值時，刻意使三相輸入電壓之A相相位與Sine Table相差100度，經過鎖相迴路之修正，其誤差(Verr)越來越小，最終使得輸入電壓(Vin_sin)得以與Sine Table(Vsin)同相，頻率(Freq)亦鎖定為與市電電壓相同之60Hz。
如圖8所示，市電具有單相電壓，經過一取樣步驟S111及一延遲步驟S112後，可得到該第一轉換訊號S1之值為Vm sin(wt)及該第二轉換訊號S2之值為Vm cos(wt)，該第一轉換訊號S1及該第二轉換訊號S2分別與該第一同步訊號S3及該第二同步訊號S4相乘後相減，即可計算出該誤差值e，該誤差值e經過一比例積分器PI後得到一頻率修正訊號△w。
接著，請參照圖9及圖10之模擬驗證的模擬電路圖及模擬結果，於設定電壓起始值時，刻意使單相輸入電壓之相位與Sine Table相差100度，經過鎖相迴路之修正，其誤差(Verr)越來越小，最終使得輸入電壓(Vin_sin)得以與Sine Table(Vsin)同相，頻率(Freq)亦鎖定為與市電電壓VS 相同之60Hz。
綜上所述，本發明鎖相迴路方法藉由上述步驟，可達到能夠克服輸入之市電電壓失真及頻率變化而精確達到同步的功效，此外，可達到具有響應快速的優點且具有相當廣之頻率範圍的功效，以用於追蹤柴油發電機等發電設備，擴展逆變器之應用範圍。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
Vsa、Vsb、Vsc‧‧‧三相市電電壓
100‧‧‧市電並聯系統
110‧‧‧鎖相迴路
120‧‧‧隔離保護元件
130‧‧‧電壓控制器
140‧‧‧電流控制器
150‧‧‧正弦脈衝寬度調變驅動器
160‧‧‧逆變器
161‧‧‧直流匯流排
162‧‧‧MOSFET模組
163‧‧‧LC濾波器
1000‧‧‧逆變器電路
1100‧‧‧運算放大器
1200‧‧‧數位捕捉
1300‧‧‧正弦波表
SZERO‧‧‧零交越訊號
SSIN‧‧‧正弦波訊號
T1‧‧‧第一函數表
T2‧‧‧第二函數表
Vsa,Vsb,Vsc‧‧‧市電之三相電壓
VS‧‧‧市電電壓
S110~S160‧‧‧步驟
S1‧‧‧第一轉換訊號
S2‧‧‧第二轉換訊號
S3‧‧‧第一同步訊號
S4‧‧‧第二同步訊號
S5‧‧‧頻率修正訊號
[圖1] 係習知之逆變器電路的示意圖。 [圖2]係使用本發明鎖相迴路方法的市電並聯系統之一實施例的系統方塊圖。 [圖3]係本發明鎖相迴路方法之一實施例的流程圖。 [圖4]係本發明鎖相迴路方法之另一實施例的流程圖。 [圖5]係當市電具有三相電壓時本發明一實施例的示意圖。 [圖6]係當市電具有三相電壓時本發明一實施例的模擬電路圖。 [圖7]係當市電具有三相電壓時本發明一實施例的模擬結果圖。 [圖8]係當市電具有單相電壓時本發明一實施例的示意圖。 [圖9]係當市電具有單相電壓時本發明一實施例的模擬電路圖。 [圖10]係當市電具有單相電壓時本發明一實施例的模擬結果圖。

Claims (8)

  1. 一種用於市電並聯系統之鎖相迴路方法，包含： 一轉換訊號產生步驟，係藉由偵測一市電之電壓來產生一第一轉換訊號及一第二轉換訊號，該第一轉換訊號為一第一函數形式，該第二轉換訊號為一第二函數形式； 一誤差計算步驟，係藉由該第一轉換訊號、該第二轉換訊號、一第一同步訊號、一第二同步訊號之值運算，來取得一誤差值，該第一同步訊號為該第二函數形式，該第二同步訊號為該第一函數形式； 一頻率修正訊號取得步驟，係將具有該誤差值的一誤差訊號輸入一比例積分器，以取得一頻率修正訊號； 一角度訊號取得步驟，係先藉由該頻率修正訊號與原頻率相加以取得一調整頻率，然後將該調整頻率積分以取得一角度訊號；以及 一同步訊號產生步驟，係分別查閱一第一函數表及一第二函數表來取得該角度訊號之角度值所對應的值，該角度訊號之角度值於該第一函數表中所對應的值係作為該第一同步訊號之值，該角度訊號之角度值於該第二函數表中所對應的值係作為該第二同步訊號之值。
  2. 如請求項1所述之鎖相迴路方法，其中該第一函數表為正弦波表(Sine table)，該第二函數表為餘弦波表(Cosine table)，該第一同步訊號之相位與該第二同步訊號之相位的相位差為90度。
  3. 如請求項1所述之鎖相迴路方法，其中該誤差計算步驟包含： 一第一乘積取得步驟，係將該第一轉換訊號與該第一同步訊號之值相乘，以取得一第一乘積； 一第二乘積取得步驟，係將該第二轉換訊號與該第二同步訊號之值相乘，以取得一第二乘積；及 一誤差值取得步驟，係將該第一乘積減去該第二乘積，以取得該誤差值。
  4. 如請求項1所述之鎖相迴路方法，其中，於該角度訊號取得步驟及該同步訊號產生步驟之間更包括一角度限制步驟，係先藉由一範圍限制器將該角度訊號之角度值限制於一範圍內。
  5. 如請求項1所述之鎖相迴路方法，其中該市電具有三相電壓，於該轉換訊號產生步驟中，係藉由偵測該市電之三相電壓來產生該第一轉換訊號及該第二轉換訊號。
  6. 如請求項1所述之鎖相迴路方法，其中該市電具有單相電壓，於該轉換訊號產生步驟中，係藉由偵測該市電之單相電壓來產生該第一轉換訊號及該第二轉換訊號。
  7. 如請求項6所述之鎖相迴路方法，其中，於該轉換訊號產生步驟中更包括一取樣步驟，係藉由對所偵測到之市電電壓進行取樣以產生該第一轉換訊號。
  8. 如請求項7所述之鎖相迴路方法，其中，於該轉換訊號產生步驟中更包括一延遲步驟，係藉由延遲該第一轉換訊號來產生該第二轉換訊號。
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