一种宽频率检测电路及其频率跟踪方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种宽频率检测电路以及应用于该电路的频率跟踪方法。

背景技术：

由于接入电网负荷的不确定性，及大量分布式能源的接入，电网频率会存在波动，这对于依赖电网频率进行控制的电力电子设备是一个极大的挑战。因此，一种适应宽电压频率的技术对于电力电子设备的使用显得尤为重要。

在现有技术中，如专利申请号为cn201821470201的一种过零检测电路，其主要包括采样电路和放大电路。对电源电压采样获得与电源同频率过零信号的采样电路；输入端连接所述采样电路，输出端连接控制系统的过零检测端口，对采样获得的与电源同频率过零信号进行信号放大的放大电路使其更接近过零点。

上述方案首先严重依赖采样电路的精确性，其次放大电路的开关压降导致过零点信号的检测发生偏移。

在现有技术中，如专利申请号为cn201310367377的一种大容量隔离型直流换流器变pi变频率控制方法，整个控制器采用3个档位，对应3组pi控制参数，通过不断的进行电压判断、累加计时、升降档判断、参数输出，整个过程不断循环，但是这个变频率是控制器主动改变控制频率，不是因为电网频率变化而改变，如果电网频率发生变化，它就不能达到快速跟踪控制的目的。

gb/t15945《电能质量电力系统频率允许偏差》标准中规定：“我国电网频率正常为50hz，对电网容量在300万千瓦及以上者，偏差不超过±0.2hz；对电网容量在300万千瓦以下者，偏差不超过±0.5hz”从目前已发展和形成的东北、华北、华东、华中、西北及南方四省联营的6个跨省区域电网和山东、川渝、福建、海南、乌鲁木齐和拉萨6个独立省电网来看，除海南、乌鲁木齐和拉萨3个独立省电网的频率在49.5～50.5hz的范围内就算合格外，其他所有电网的频率必须在49.8～50.2hz的范围内才算合格。

由于电力电子设备的用电场景复杂多变，电力电子设备连接的电网频率不是固定的50hz，通常受变压器容量、用电设备、供电电源等因素的影响。在某些严重情况下，对电力电子设备的使用频率范围提高到45～65hz，同一个设备适应宽的频率范围，对控制器、调制器是一个严峻的考验，通常在某一个频率下的参数，切换到另一个频率使用，是需要进行修正的。特别是当频率从45hz切换到65hz，频率变化率达到44.4％，机会很难有一套系数能够满足各种频率下的控制稳定性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种可以在线实时检测信号频率并进行控制的宽频率检测电路。

本发明的另一目的在于提供一种可以在线监测电网频率，并以电网频率为参考基准进行目标跟踪反馈控制的宽频率检测电路的频率跟踪方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种宽频率检测电路，其包括宽频率信号源、高频滤波电路、电压转换电路、比较电路、可编程处理器，所述宽频率信号源用于输入包含电源电压同频率过零信号的交流电压信号，并施加于所述高频滤波电路的输入侧，所述高频滤波电路用于将所述交流电压信号的高频干扰进行过滤后通过其输出侧输出至所述电压转换电路，所述电压转换电路输出低电压信号至所述比较电路以及所述可编程处理器，所述比较电路对输入的所述低电压信号进行比较并产生比较脉冲信号，所述比较电路输出所述比较脉冲信号至所述可编程处理器，以控制所述可编程处理器内部定时器工作。

进一步的方案中，所述宽频率信号源包括电网以及与所述电网连接的电力变压器的等效阻抗。

更进一步的方案中，所述高频滤波电路与所述电压转换电路之间连接有变压器。

更进一步的方案中，所述高频滤波电路包括第一电感、第二电感、第一电容以及换流器，所述第二电感的第一端与所述变压器一次侧的第二接线端串接后与所述宽频率信号源的信号输出端连接，所述第一电容的第一端与所述变压器一次侧的第一接线端串接后接地，所述第一电容的第二端接所述第二电感的第二端以及所述第一电感的第一端之间，所述第一电感的第二端接所述换流器的一侧，所述换流器的另一侧与所述可编程处理器连接。

更进一步的方案中，所述电压转换电路包括第一比较器、第二比较器，所述变压器二次侧的第一接线端与所述第一比较器的反相输入端连接，所述变压器二次侧的第二接线端与所述第一比较器的同相输入端连接，所述第一比较器的输出端与所述第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述比较电路的输入端连接。

更进一步的方案中，所述比较电路包括第三比较器，所述第三比较器的同相输入端与所述第二比较器的输出端连接，所述第三比较器的输出端与所述可编程处理器连接。

由此可见，本发明主要包括宽频率信号源、高频滤波电路、电压转换电路、比较电路、可编程处理器(芯片)等电路模块，可以实现全自动闭环，减少元器件误差给结果带来的影响，实现方式较为简单，只需要一套控制参数的情况下，就能够适应45hz-65hz的电压宽频率波动，理论上可以达到1-∞hz。

所以，本发明可以使得电力电子设备避免不同频率下控制参数不一致，应用范围有限的问题，在模拟比较器和定时器精度足够高的情况，本发明理论上支持设备适用的频率范围为1-∞hz。

为了实现上述的另一目的，本发明提供的一种宽频率检测电路的频率跟踪方法，所述宽频率检测电路是采用上述的宽频率检测电路，所述频率跟踪方法包括以下步骤：通过宽频率检测电路对电网输入的电网电压信号进行实时监测，并通过比较电路输入到可编程处理器触发指定管脚，以触发可编程处理器内置定时器timer进行捕获计时，当监测到电网电压信号的过零点，输出trigger信号触发定时器timer复位且重新开始计时，并且把当前数值保存于寄存器tcnt，计算出输入电网信号的频率fin，通过不断更新频率fin,即可对输入电网信号的频率fin进行频率变化的跟踪。

进一步的方案是，在每个周期输出一个频率fin时，其下个周期利用当前周期频率fin的理论值和上一个周期频率fin的迭代值，对频率fin不断修正，以进行输入电网信号的频率fin频率变化的精确跟踪。

更进一步的方案是，其中，fin＝fadc_clk/nsamp；fadc_clk＝nadc*fsys_clk；fsys_clk＝pllsys*fcry_clk。

由此可见，本发明只需添加一个宽频率检测电路，即可实现全自动闭环，实现方式较为简单，在电力电子设备只需一套控制参数的情况下，就能够适应45hz-65hz的电压宽频率波动，理论上可以达到1-∞hz。

所以，本发明可以使得电力电子设备避免不同频率下控制参数不一致，应用范围有限的问题，在模拟比较器和定时器精度足够高的情况，本发明理论上支持设备适用的频率范围为1-∞hz，能够从根本上解决频率波动带来的影响，整个系统只需要使用一套控制参数，周期更新就使设备满足在宽频率下使用。

附图说明

图1是本发明一种宽频率检测电路实施例的电路原理图。

图2是本发明一种宽频率检测电路实施例中比较电路的电路原理图。

图3是本发明一种宽频率检测电路实施例中zcd比较器的原理图。

图4是本发明一种宽频率检测电路实施例中多次过零检测的示意图。

图5是本发明一种宽频率检测电路的频率跟踪方法实施例中的原理图。

图6是本发明一种宽频率检测电路的频率跟踪方法实施例中输入信号、zcd比较器、定时器、pll分频器依次连接的原理图。

图7是本发明一种宽频率检测电路的频率跟踪方法实施例中从电网电压信号到频率提取的精简过程的示意图。

图8是本发明一种宽频率检测电路的频率跟踪方法实施例中输入信号vin的示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

一种宽频率检测电路实施例：

本发明适用于需要适应宽频率范围下的电力电子设备，在线监测电网频率，并可以电网频率为参考基准进行目标跟踪反馈控制。

参见图1，本发明的宽频率检测电路包括宽频率信号源10、高频滤波电路20、电压转换电路30、比较电路40、可编程处理器50，宽频率信号源10用于输入包含电源电压同频率过零信号的交流电压信号，并施加于高频滤波电路20的输入侧，高频滤波电路20用于将交流电压信号的高频干扰进行过滤后通过其输出侧输出至电压转换电路30，电压转换电路30输出低电压信号至比较电路40以及可编程处理器50，比较电路40对输入的低电压信号进行比较并产生比较脉冲信号，比较电路40输出比较脉冲信号至可编程处理器50，以控制可编程处理器50内部定时器工作。

在本实施例中，宽频率信号源10包括负载1、负载2、负载3、电网以及与电网连接的电力变压器t1的等效阻抗，由电网输入电网电压信号至电力变压器t1，通过电力变压器t1的等效阻抗输出至高频滤波电路20的输入侧。

其中，高频滤波电路20与电压转换电路30之间连接有变压器t2。

在本实施例中，高频滤波电路20包括第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1以及换流器21，第二电感l2的第一端与变压器t2一次侧的第二接线端串接后与宽频率信号源10的信号输出端连接，第一电容c1的第一端与变压器t2一次侧的第一接线端串接后接地，第一电容c1的第二端接第二电感l2的第二端以及第一电感l1的第一端之间，第一电感l1的第二端接换流器21的一侧，换流器21的另一侧与可编程处理器50连接。

在本实施例中，电压转换电路30包括第一比较器u1、第二比较器u2，变压器t2二次侧的第一接线端与第一比较器u1的反相输入端连接，变压器t2二次侧的第二接线端与第一比较器u1的同相输入端连接，第一比较器u1的输出端与第二比较器u2的同相输入端连接，第二比较器u2的输出端与比较电路40的输入端连接。

在本实施例中，比较电路40包括第三比较器u3，第三比较器u3的同相输入端与第二比较器u2的输出端连接，第三比较器u3的输出端与可编程处理器50连接。

作为优选，可编程处理器50可以是txf6200芯片。其中，txf6200芯片中留有pll小数分频系数，通过修改分频系数能够精确跟踪输入交流信号的频率。

在实际应用中，宽频率信号源10负责提供电能(v、i)；电压转换电路30负责将高电压信号转换为低电压信号，供比较电路40和可编程处理器50信号采集使用；比较电路40负责对输入信号进行比较，产生比较脉冲，输入到可编程处理器50timer触发指定管脚(如gpiod4\gpiod5)，触发芯片内部定时器进行捕获计时。

如图2和图3所示，本实施例的比较电路40相当于一个zcd比较器，其具有迟滞效应。

具体地，zcd比较器的迟滞导致对比较值(本实施例中为零值)的判断发生偏差(将uh、ul当做0)，而这是一种固然现象，目前有通过减小迟滞的方法可以使在过零点检测更加准确，但是会容易引入干扰，同时导致系统成本增加，因此，本实施例中在此处引入可编程处理器50的内置定时器timer和数据处理能力，对信号进行多次捕获、定时、滤波，减小干扰，提取更加准确的过零信号，因为在绝大多数情况下，系统的频率波动速度很慢，最快也是ms级，而可编程处理器50的快速处理能力达到80mhz以上，处理一个偏差校准数据最慢只需要us级，两者之间1000倍的速度之差，可见通过可编程处理器50进行零点数据修正，是一个非常可取的方法，是可以在实际产品设计中得到广泛应用。如图4所示，单次过零检测会存在偏差，但是经过多次累计，偏差能够得到大幅度修正接近准确值。

由此可见，本发明主要包括宽频率信号源10、高频滤波电路20、电压转换电路30、比较电路40、可编程处理器50(芯片)等电路模块，可以实现全自动闭环，减少元器件误差给结果带来的影响，实现方式较为简单，只需要一套控制参数的情况下，就能够适应45hz-65hz的电压宽频率波动，理论上可以达到1-∞hz。

所以，本发明可以使得电力电子设备避免不同频率下控制参数不一致，应用范围有限的问题，在模拟比较器和定时器精度足够高的情况，本发明理论上支持设备适用的频率范围为1-∞hz。

一种宽频率检测电路的频率跟踪方法实施例：

一种宽频率检测电路的频率跟踪方法，应用于上述的宽频率检测电路，参见图5，本发明的方法包括通过宽频率检测电路对电网输入的电网电压信号进行实时监测，并通过比较电路40输入到可编程处理器50触发指定管脚(如gpiod4\gpiod5)，以触发可编程处理器50内置定时器timer进行捕获计时，当监测到电网电压信号的过零点，输出trigger信号触发定时器timer复位且重新开始计时，并且把当前数值保存于寄存器tcnt，计算出输入电网信号的频率fin，通过不断更新频率fin,即可对输入电网信号的频率fin进行频率变化的跟踪。其中，输入电网信号的频率fin由式(1)可知：

fin＝1/(2*tcnt)(1)

进一步的，在每个周期输出一个频率fin时，其下个周期利用当前周期频率fin的理论值和上一个周期频率fin的迭代值，对频率fin不断修正，以进行输入电网信号的频率fin频率变化的精确跟踪，使结果更加准确。

其中，对输入电网信号的频率fin进行频率变化的跟踪由以下公式获得：

fin＝fadc_clk/nsamp(2)

fadc_clk＝nadc*fsys_clk(3)

fsys_clk＝pllsys*fcry_clk(4)

其中，fin为输入信号电网的频率，fadc_clk为可编程处理器内置adc采样频率，nsamp为输入信号在可编程处理器(如txf6200芯片)中周期离散化的点数，nadc为adc时钟的分频系数(相对与系统sys时钟而言)，pllsys为系统时钟的分频系数(相对于晶振时钟而言)，fcry_clk为可编程处理器的晶振频率。

可知，为了保证整个控制系统的一致性及稳定性，就必须先保证nsamp不变(nsamp不变，单个周期的离散化点数不变，控制器的系统的参数不变，稳定性不变)。

整理公式得到式(5)：

在公式(5)中，如果是小数，即为小数，为了保证控制系统的一致性，则有化简有：可以通过更新或就能够达到直接修改的目的，基于两方面考虑：1)在很多芯片的参数中nadc为整数；2)如果整个系统还需要考虑到其他涉及clk的模块，可以直接更新

当然，实际中大多数以修改pllsys达到频率跟踪的目的(但不排除通过nadc达到同样的目的)。

其中，txf6200芯片中留有pll小数分频系数，通过修改分频系数能够精确跟踪输入交流信号的频率，实践认证也是可行的。

具体的，参见图6至图8，该方法主要涉及输入信号、zcd比较器、定时器、pll分频器。其中，zcd比较器可以是宽频率检测电路的比较电路40，定时器、pll分频器可以是宽频率检测电路的可编程处理器50(txf6200芯片)。本发明能够从根本上解决频率波动带来的影响，整个系统只需要使用一套控制参数，周期更新pllsys就使设备满足在宽频率下使用。如图7所示，图7是从电网电压信号到频率提取的精简过程的示意图。

在实际应用中，假如输入信号vin(电压电压信号)如图8所示：

通过对输入信号vin进行过零检测，检测到过零点产生trig触发信号触发定时器timer保存当前值tcnt，同时置位并重新开始计时。

按照理论分析修改或者就能够实现目的。本描述以修改为例。利用公式求取，并立即更新，下个周期就立马跟踪频率变化。

由此可见，本发明只需添加一个宽频率检测电路，即可实现全自动闭环，实现方式较为简单，在电力电子设备只需一套控制参数的情况下，就能够适应45hz-65hz的电压宽频率波动，理论上可以达到1-∞hz。

所以，本发明可以使得电力电子设备避免不同频率下控制参数不一致，应用范围有限的问题，在模拟比较器和定时器精度足够高的情况，本发明理论上支持设备适用的频率范围为1-∞hz，能够从根本上解决频率波动带来的影响，整个系统只需要使用一套控制参数，周期更新就使设备满足在宽频率下使用。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。