专利名称：电网环境监测电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及新能源发电并网领域，尤其涉及一种电网环境监测电路结构。
背景技术：
近年来，在新能源发电领域，新能源发电技术的发展极为迅速，为了确保电网可靠 稳定的工作，发电系统必须具备电网故障运行的能力，这也是新能源发电进一步发展的必 须条件。
电网电压瞬间跌落是电力系统一种常见的故障，它会对并网发电系统的稳定运行 造成影响。当并网逆变器容量较小时，可以在电网故障时将逆变器与电网断开，当电网恢复 正常后，再重新将系统并网。但是，当并网逆变器容量较大时，断网会导致整个电网潮流发 生较大的较大变化，甚至导致电网电压和频率的崩溃。因此，新能源并网发电系统必须具备 一定的低电压运行能力。
目前低电压穿越技术主要分为两大类一种是改进并网逆变器拓扑结构及其控 制方法，另一种是改进转子励磁变换器的控制策略。对于第一种技术，可以增加转子侧 Crowbar电路，在电网故障时切除发电机转子励磁电源，切入转子旁路保护电阻Crowbar电 路。此外，将双PWM变换器的直流母线上并联能量存储装置，将电网故障期间双馈发电机转 子中一时无法回馈到电网的过剩能量储存起来，并在故障结束后送回电网，以保持母线电 压稳定。对于第二种技术，可采用定子消磁、变桨距控制等方法，以保证电网电压跌落时系 统的不间断运行。无论采用何种控制方法，都需要对电网环境进行监测。当监测到电网电 压跌落时，才能够对变流器进行相应的操作。
对于并网逆变系统，多采用恒功率控制，当电网电压跌落时，会导致网侧电流升 高。根据目前低电压技术的要求，若电网电压跌落不超过一定范围，要求并网逆变器继续连 网工作，并采取一定低电压穿越措施，若电网电压跌落超过一定范围，则要求并网逆变器断 网。然而，电网电压跌落后，若采用软件检测方法，需要较长时间才能监测到电网环境的改 变，在这段时间内，往往会导致系统直流侧过压或交流侧过流，且时间较长，对系统的安全 性造成一定的危害。采用硬件检测方法时，往往会造成误保护，使系统不具有低电压穿越能 力。因此，迅速检测电网环境，以判断逆变器在电网电压跌落时应该采取低电压穿越措施还 是立即断网，是新能源并网发电技术的重要组成部分。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电网环境监测电路，以克服现有技术检 测时间长、容易发生误保护等缺点。
本发明提出一种电网环境监测装置，其特征在于包括受控电流源、可饱和电感、绝 对值电路、同相运算放大电路、第一电压阀值非门、第二电压阀值非门、阻容充放电电路、电 网掉电比较电路和断网判断比较电路，其中受控电流源的输出端与可饱和电感的正端和负 端连接，可饱和电感的正端与绝对值电路的输入端连接，绝对值电路的输出端与同相运算放大电路的输入端连接，同相运算放大电路的输出端与电压阀值非门的输入端连接，第一 电压阀值非门的输出端与第二电压阀值非门的输入端连接，第二电压阀值非门的输出端与 阻容充放电电路的输入端连接，阻容充放电电路的输出端与分别与电网掉电比较电路和断 网判断比较电路的输入端连接。其中，所述的受控电流源为检测网侧电流的电流传感器。其中，所述的可饱和电感磁滞回线矩形比高、起始磁导率高、矫顽力小。其中，所述的绝对值电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一运算放大器、第 二运算放大器和二极管，其中第一电阻的输入端分别与可饱和电感的正端和第三电阻的输 入端连接，第一电阻的输出端分别与第一运算放大器的反相输入端和第二电阻的输入端连 接，第一运算放大器的同相输入端与参考地连接，第一运算放大器的输出端与二极管的阳 极连接，二极管的阴极分别与第三电阻的输出端和第二运算放大器的同相输入端连接，第 二运算放大器的输出端分别与第二运算放大器的反相输入端和第二电阻的输出端连接。其中，所述的同相运算放大电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第三运算放 大器，其中第四电阻的输入端与绝对值电路的输出端连接，第四电阻的输出端分别与第三 运算放大器的同相输入端和第六电阻的输入端连接，第五电阻的输入端与参考地连接，第 五电阻的输出端与第三运算放大器的反相输入端连接，第三运算放大器的输出端与第六电 阻的输出端连接。其中，所述的阻容充放电电路包括充放电电阻和充放电电容，其中充放电电阻的 输出端与充放电电容的正端连接，充放电电容的负端与参考地连接。其中，所述的电网掉电比较电路包括第一电压比较器和第一逻辑非门，其中第一 电压比较器的反相输入端与阻容充放电电路的输出端连接，第一电压比较器的同相输入端 与第一参考电压连接，第一电压比较器的输出端与第一逻辑非门的输入端连接。其中，所述的断网判断比较电路包括第二电压比较器和第二逻辑非门，其中第二 电压比较器的反相输入端与阻容充放电电路的输出端连接，第二电压比较器的同相输入端 与第二参考电压连接，第二电压比较器的输出端与第二逻辑非门的输入端连接。本发明所述的一种电网环境监测电路，通过检测交流测电流，利用可饱和电感对 电流的灵敏度快速对电网环境的改变做出反应，同时输出低电压穿越指示信号和断网指示 信号，能够在不到半个电网周期内迅速监测到电网电压的跌落，并判断逆变器在电网电压 跌落时应该采取低电压穿越措施还是立即断网，解决了传统电网环境监测方法耗时长、容 易发生误保护等问题。
图I是本发明所述的电网环境监测电路拓扑示意图；图2是本发明所述可饱和电感在电网正常和电压跌落时的电压电流波形示意图；图3是本发明所述绝对值电路在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示意图；图4是本发明所述第一电压阀值非门在电网正常和电压跌落时的输入输出波形 示意图；图5是本发明所述第二电压阀值非门在电网正常和电压跌落时的输入输出波形 示意图6是本发明所述阻容充放电电路在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示意图7是本发明所述电网掉电比较电路和断网判断比较电路在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示意图8是本发明所述的电网环境监测电路在三相并网逆变器的应用示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种电网环境监测电路，包括受控电流源1、可饱和电感L1、绝对值电路2、同相运算放大电路3、第一电压阀值非门A4、第二电压阀值非门A5、阻容充放电电路4、 电网掉电比较电路5和断网判断比较电路6，其中受控电流源I的输出端与可饱和电感L1 的正端和负端连接，可饱和电感L1的正端与绝对值电路2的输入端连接，绝对值电路2的输出端与同相运算放大电路3的输入端连接，同相运算放大电路3的输出端与电压阀值非门A4的输入端连接，第一电压阀值非门A4的输出端与第二电压阀值非门A5的输入端连接， 第二电压阀值非门A5的输出端与阻容充放电电路4的输入端连接，阻容充放电电路4的输出端与分别与电网掉电比较电路5和断网判断比较电路6的输入端连接。绝对值电路2包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和二极管 D1，其中第一电阻R1的输入端分别与可饱和电感L1的正端和第三电阻R3的输入端连接，第一电阻R1的输出端分别与第一运算放大器A1的反相输入端和第二电阻R2的输入端连接， 第一运算放大器仏的同相输入端与参考地连接，第一运算放大器A1的输出端与二极管D1 的阳极连接，二极管D1的阴极分别与第三电阻R3的输出端和第二运算放大器A2的同相输入端连接，第二运算放大器A2的输出端分别与第二运算放大器A2的反相输入端和第二电阻 R2的输出端连接。同相运算放大电路3包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第三运算放大器A3，其中第四电阻R4的输入端与绝对值电路2的输出端连接，第四电阻R4的输出端分别与第三运算放大器A3的同相输入端和第六电阻R6的输入端连接，第五电阻R5的输入端与参考地连接，第五电阻R5的输出端与第三运算放大器A3的反相输入端连接，第三运算放大器A3的输出端与第六电阻R6的输出端连接。阻容充放电电路4包括充放电电阻 R7和充放电电容C1，其中充放电电阻R7的输出端与充放电电容C1的正端连接，充放电电容 C1的负端与参考地连接。电网掉电比较电路5包括第一电压比较器A6和第一逻辑非门A8, 其中第一电压比较器A6的反相输入端与阻容充放电电路4的输出端连接,第一电压比较器 A6的同相输入端与第一参考电压Urafl连接,第一电压比较器A6的输出端与第一逻辑非门A8 的输入端连接。断网判断比较电路6包括第二电压比较器A7和第二逻辑非门A9，其中第二电压比较器A7的反相输入端与阻容充放电电路4的输出端连接，第二电压比较器A7的同相输入端与第二参考电压uMf2连接，第二电压比较器A7的输出端与第二逻辑非门A9的输入端连接。
图2为本发明所述可饱和电感在电网正常和电压跌落时的电压电流波形示意图。 图中实线为可饱和电感在电网正常时的电压电流波形，虚线为可饱和电感在电网电压跌落时的电压电流波形。
当电网电压正常时，并网逆变器正常工作，流过可饱和电感L1的电流超前L1两端电压90°。当电网电压跌落时，由于逆变器采用恒功率控制， 网测电流升高，L1进入饱和状态，其两端电压在电流峰值处迅速下降，相对于电网电压正常时的L1两端电压，电网电压跌 落时L1两端电压峰值较高，波形较窄。
图3为本发明所述绝对值电路在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示意图。 图中实线为绝对值电路在电网正常时的输入输出波形，虚线为绝对值电路在电网电压跌落 时的输入输出波形。
由于可饱和电感L1两端电压为交流量，为加快检测速度，以保证半周期内就能够 检测出电网电压的跌落，对L1两端电压进行绝对值处理，使波形频率变为电网频率的两倍。 对于绝对值电路2，当输入电压为正时，第一运算放大器A1的输出为负，二极管D1不导通， 故第二运算放大器A2的输出为正，当输入电压为负时，第一运算放大器A1的输出为正，二极 管01导通，第二运算放大器A2的同相输入端为输入电压的绝对值，故第二运算放大器A2的 输出端也为输入电压的绝对值。
可饱和电感L1两端电压经绝对值电路后频率变为电网频率的两倍，由于电流传感 器输出负边感应电流较小，故电感L1两端电压绝对值较小，为保证检测灵敏度和准确性，通 过同相运算放大电路将L1两端电压绝对值放大，并由第一电压阀值非门进行阀值比较。图 4为本发明所述第一电压阀值非门在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示意图。图中 实线为第一电压阀值非门在电网正常时的输入输出波形，虚线为第一电压阀值非门在电网 电压跌落时的输入输出波形。
图中水平虚线为判断高低电平的电压阀值，当输入电压高于电压阀值时，电压阀 值非门输出高电平，当输入电压低于电压阀值时，电压阀值非门输出低电平。电网电压正常 时，第一电压阀值非门的输入电压波形较宽，故其输出脉冲信号较宽，电网电压跌落时，第 一电压阀值非门的输入电压波形较窄，故其输出脉冲信号较窄。
图5为本发明所述第二电压阀值非门在电网正常和电压跌落时的输入输出波形 示意图。图中实线为第二电压阀值非门在电网正常时的输入输出波形，虚线为第二电压阀 值非门在电网电压跌落时的输入输出波形。第二电压阀值非门将第一电压阀值非门输出的 脉冲信号进行非运算，故电网电压正常时，第二电压阀值非门的输出脉冲信号较窄，电网电 压跌落时，第二电压阀值非门的输出脉冲信号较窄。
图6为本发明所述阻容充放电电路在电网正常和电压跌落时的输入输出波形示 意图。图中实线为阻容充放电电路在电网正常时的输入输出波形，虚线为阻容充放电电路 在电网电压跌落时的输入输出波形。
当第二电压阀值非门的输出脉冲信号变为高电平时，通过电阻R7给电容C1充电， 阻容充放电电路输出电压缓慢上升。当电容C1容值足够大时，阻容充放电电路输出电压尚 未达到第二电压阀值非门输出的高电平电压时，脉冲信号变为低电平，阻容充放电电路输 出电压缓慢下降。故脉冲宽度较宽时，电容C1充电时间较长，其电压上升幅度较高，脉冲宽 度较窄时，电容C1充电时间较短，其电压上升幅度较低。因此，电网电压正常时，阻容充放 电电路的输出电压幅值较低，电网电压跌落时，阻容充放电电路的输出电压幅值较高。
图7为本发明所述电网掉电比较电路和断网判断比较电路在电网正常和电压跌 落时的输入输出波形示意图。图中实线为电网掉电比较电路和断网判断比较电路在电网正 常时的输入输出波形，虚线为低电压穿越允许范围内电网掉电比较电路在电网电压跌落时 的输入输出波形，虚点线为超过低电压穿越允许范围时断网判断比较电路在电网电压跌落时的输入输出波形。
图中uMfl和uMf2分别为电网掉电比较电路和断网判断比较电路的电压比较阀值， 其中Urefl值略低于Uref2。当电网掉电在低电压穿越允许范围内时，阻容充放电电路输出电 压幅值高于IW1，低于Uref2，电网掉电比较电路输出脉冲信号，其频率为两倍电网频率，断网 判断比较电路输出低电平。当电网掉电超过低电压穿越允许范围时，阻容充放电电路输出 电压幅值高于Urefl和Wef2，电网掉电比较电路和断网判断比较电路都输出两倍电网频率的 脉冲信号。当电网电压正常时，阻容充放电电路输出电压幅值低于Um1和UMf2，电网掉电比 较电路和断网判断比较电路都输出低电平。
对电网掉电比较电路和断网判断比较电路输出高电平进行锁存，电网掉电比较电 路和断网判断比较电路同时输出低电平时，电网电压正常。电网掉电比较电路输出高电平， 断网判断比较电路输出低电平时，电网掉电在低电压穿越允许范围内，要求并网逆变系统 实现低电压穿越。电网掉电比较电路和断网判断比较电路同时输出高电平时，电网掉电超 过低电压穿越允许范围，要求并网逆变系统立即断网。
图8为是本发明所述的电网环境监测电路在三相并网逆变器的应用示意图。当应 用于三相并网逆变系统时，采样三相网侧电流，通过电网环境监测电路监测电网掉电情况。 三相电网掉电比较电路和断网判断比较电路的输出分别通过第一逻辑或门ORl和第二逻 辑或门0R2进行或运算，只要三相中仅一相监测电路输出高电平时，逻辑或门就会输出高 电平。第一逻辑或门ORl和第二逻辑或门0R2同时输出低电平时，电网电压正常。第一逻 辑或门ORl输出高电平，第二逻辑或门0R2输出低电平时，电网掉电在低电压穿越允许范围 内，要求并网逆变系统实现低电压穿越。第一逻辑或门ORl和第二逻辑或门0R2同时输出 高电平时，电网掉电超过低电压穿越允许范围，要求并网逆变系统立即断网。
权利要求
1.一种电网环境监测装置，其特征在于包括受控电流源(I)、可饱和电感(Li)、绝对值电路⑵、同相运算放大电路(3)、第一电压阀值非门(A4)、第二电压阀值非门(A5)、阻容充放电电路(4)、电网掉电比较电路(5)和断网判断比较电路(6)，其中受控电流源⑴的输出端与可饱和电感(L1)的正端和负端连接，可饱和电感(L1)的正端与绝对值电路⑵的输入端连接，绝对值电路⑵的输出端与同相运算放大电路⑶的输入端连接，同相运算放大电路(3)的输出端与电压阀值非门(A4)的输入端连接,第一电压阀值非门(A4)的输出端与第二电压阀值非门(A5)的输入端连接，第二电压阀值非门(A5)的输出端与阻容充放电电路(4)的输入端连接，阻容充放电电路⑷的输出端与分别与电网掉电比较电路(5)和断网判断比较电路(6)的输入端连接。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的受控电流源(I)为检测网侧电流的电流传感器。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的可饱和电感(L1)磁滞回线矩形比高、起始磁导率高、矫顽力小。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的绝对值电路(2)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第一运算放大器(A1)、第二运算放大器(A2)和二极管(D1),其中第一电阻(R1)的输入端分别与可饱和电感(L1)的正端和第三电阻(R3)的输入端连接，第一电阻(R1)的输出端分别与第一运算放大器(A1)的反相输入端和第二电阻(R2)的输入端连接，第一运算放大器(A1)的同相输入端与参考地连接，第一运算放大器(A1)的输出端与二极管(D1)的阳极连接，二极管(D1)的阴极分别与第三电阻(R3)的输出端和第二运算放大器(A2)的同相输入端连接，第二运算放大器(A2)的输出端分别与第二运算放大器(A2)的反相输入端和第二电阻(R2)的输出端连接。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的同相运算放大电路(3)包括第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)和第三运算放大器(A3)，其中第四电阻(R4)的输入端与绝对值电路(2)的输出端连接，第四电阻(R4)的输出端分别与第三运算放大器(A3)的同相输入端和第六电阻(R6)的输入端连接，第五电阻(R5)的输入端与参考地连接，第五电阻(R5)的输出端与第三运算放大器(A3)的反相输入端连接，第三运算放大器(A3)的输出端与第六电阻(R6)的输出端连接。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的阻容充放电电路(4)包括充放电电阻(R7)和充放电电容(C1),其中充放电电阻(R7)的输出端与充放电电容(C1)的正端连接，充放电电容(C1)的负端与参考地连接。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的电网掉电比较电路(5)包括第一电压比较器(A6)和第一逻辑非门(A8),其中第一电压比较器(A6)的反相输入端与阻容充放电电路⑷的输出端连接，第一电压比较器(A6)的同相输入端与第一参考电压Urafl连接,第一电压比较器(A6)的输出端与第一逻辑非门(A8)的输入端连接。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的断网判断比较电路(6)包括第二电压比较器(A7)和第二逻辑非门(A9),其中第二电压比较器(A7)的反相输入端与阻容充放电电路⑷的输出端连接，第二电压比较器(A7)的同相输入端与第二参考电压Uref2连接，第二电压比较器(A7)的输出端与第二逻辑非门(A9)的输入端连接。
全文摘要
本发明公开了一种电网环境监测电路，属于新能源发电领域。具体涉及一种带可饱和电感的电路结构，目的是应用于新能源并网发电系统，监测电网环境以判断逆变器是否应该断网，并保证逆变器具有一定的低电压穿越能力。该监测装置包括受控电流源、可饱和电感、绝对值电路、同相运算放大电路、电压阀值非门、阻容充放电电路、电网掉电比较电路和断网判断比较电路。本发明能够在不到半个电网周期内迅速监测到电网电压的跌落，并能够判断逆变器在电网电压跌落时应该采取低电压穿越措施还是立即断网，装置结构简单，体积小，成本低。
文档编号G01R31/08GK103048591SQ20131000958
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者郑昕昕, 肖岚, 田洋天, 王勤 申请人:南京航空航天大学