[發明專利]一種單相并離網逆變器系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201510394020.6
• 申請日: 2015-07-07
• 公開（公告）號: CN104953620B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 李練兵;馬欲曉;姚春明;王澤偉;張佳;唐會莉
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙)12210
• 代理人: 胡安朋,付長杰

1.一種單相并離網逆變器系統，其特征在于：該逆變器系統包括單相并離網逆變器、開關電路、開關電路控制模塊和信號采集模塊，所述信號采集模塊包括外部直流電壓采集電路、逆變輸出電壓采集電路、外電網電流采集電路和外電網輸出電壓采集電路；所述單相并離網逆變器的輸入端與外部直流供壓裝置的輸出端連接，單相并離網逆變器的輸出端與開關電路的輸入端連接，開關電路控制模塊的輸出端與開關電路連接，開關電路的輸出端與外電網雙向連接；所述外部直流電壓采集電路與外部直流供壓裝置連接，逆變輸出電壓采集電路與單相并離網逆變器的輸出端連接，外電網電流采集電路與開關電路的輸出端連接，外電網輸出電壓采集電路與外電網連接，所述開關電路控制模塊中存有孤島模式和并網模式切換程序、孤島檢測程序、電壓前饋程序、相位同步程序和雙閉環反饋控制程序，其中開關電路采用固態繼電器構成；

所述開關電路的電路構成是：包括兩個端子即J1和J2，電流傳感器M1，四個貼片電阻即R1、R2、R3和R4，壓敏電阻R5，兩個電解電容即E1和E2，貼片電容C1，兩個固態繼電器U1和U2及保險管F1；所述四個貼片電阻中的R1和R3的阻值為100Ω，所述四個貼片電阻中的R2和R4的阻值為500Ω，R5為型號為MYG14K681的壓敏電阻，端子J1為逆變輸出電壓輸出端，J1的H1引腳與電流傳感器M1的S1、S2、S3引腳相連，電流傳感器M1的S8引腳與SGND相連，電流傳感器M1的S9引腳同時與貼片電容C1的一端和+5V相連，貼片電容C1的另一端與SGND相連，電流傳感器M1的S7引腳out為外電網電流輸出，電流傳感器M1的S4、S5、S6引腳同時與固態繼電器U1的A3引腳相連，固態繼電器U1的A1引腳與貼片電阻R2的一端、電解電容E1的正極相連，貼片電阻R2的另一端、電解電容E1的負極同時與貼片電阻R1的一端相連，貼片電阻R1的另一端與開關電路控制信號relay相連，固態繼電器U1的A2引腳接24V直流電壓，固態繼電器U1的A4引腳和保險管F1串聯后與端子J2的K1引腳相連，J2為外電網輸出電壓輸出端，同時壓敏電阻R5一端與固態繼電器U1的A4引腳連接，另一端與端子J2的K2引腳、固態繼電器U2的B4引腳相連；固態繼電器U2的B1引腳與貼片電阻R4一端連接，貼片電阻R4的另一端與貼片電阻R3的一端相連，貼片電阻R3的另一端與開關電路控制信號relay相連，電解電容E2的負極與固態繼電器U2的B1引腳連接，電解電容E2的正極與貼片電阻R4的另一端連接，固態繼電器U2的B2引腳接24V直流電壓，固態繼電器U2的B3引腳與端子J1的H2引腳相連；其中，開關電路控制信號relay為開關電路控制模塊給出的同時控制開關電路中的兩個固態繼電器U1和U2的開關狀態的控制信號。

2.根據權利要求1所述的單相并離網逆變器系統，其特征在于：所述開關電路控制模塊中存有孤島模式和并網模式切換程序是：首先，定義并初始化各個控制參數，接著初始狀態設定為孤島模式，然后判斷外電網是否正常，如果不正常，則繼續判斷外電網是否正常；如果正常，則開關電路中的固態繼電器吸合切換到并網模式，然后繼續判斷外電網是否正常，如果正常，則開關電路中的固態繼電器吸合切換到并網模式，然后返回上一步驟的判斷外電網是否正常，如果不正常，則開關電路中的固態繼電器斷開切換到孤島模式，然后返回上一步驟的判斷外電網是否正常。

3.根據權利要求1所述的單相并離網逆變器系統，其特征在于：所述開關電路控制模塊采用TMS320F2808芯片。

4.權利要求1所述的一種單相并離網逆變器系統的控制方法，其特征在于該控制方法的具體步驟是：

第一步、同步控制逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的幅值與相位：

從孤島模式切換到并網模式時，要確保逆變輸出電壓和外電網輸出電壓同幅同相；

(1)同步控制逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的幅值：

在一個電壓周期20ms內，逆變輸出電壓的采集步數為400步，通過逆變輸出電壓采集電路采集逆變輸出電壓從第90步到第110步之間的電壓幅值并求和，然后取其平均值作為采集到的逆變輸出電壓峰值；外電網電壓采集電路采集到的外電網電壓理論峰值為314V，如果逆變輸出電壓采集電路采集到的逆變輸出電壓峰值在312V到316V之間的誤差范圍內，即可判斷逆變輸出電壓幅值和外電網輸出電壓幅值相等，即逆變輸出電壓和外電網輸出電壓幅值同步；如果逆變輸出電壓采集電路采集到的逆變輸出電壓峰值小于312V或者大于316V，即可判斷逆變輸出電壓幅值和外電網輸出電壓幅值不相等，即逆變輸出電壓和外電網輸出電壓幅值沒有達到同步，然后在開關電路控制模塊中的電壓前饋程序中以2為單位逐漸增加或減小電壓前饋系數，以使外電網電壓采集電路采集到的逆變輸出電壓相應增大或減小，直至外電網電壓采集電路采集到的逆變輸出電壓峰值在312V到316V之間的誤差范圍內；

(2)同步控制逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的相位：

外電網輸出電壓采集電路時刻檢測外電網輸出電壓，當捕捉到外電網輸出電壓的上升沿時，在開關電路控制模塊中的相位同步程序中計算逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的相位差，即逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的步數差，如果步數差大于1，則在開關電路控制模塊中的相位同步程序中將實時步數減2；如果步數差小于1，則在開關電路控制模塊中的相位同步程序中將實時步數加2，然后再在外電網電壓采集電路捕捉到外電網的下一個上升沿的時刻時，在開關電路控制模塊中的相位同步程序中重新計算逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的步數差，直至逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的步數差為0或1，此時即可判斷逆變輸出電壓的相位和外電網輸出電壓的相位同步；

第二步、通過混合孤島檢測方法進行孤島檢測：

經過第一步同步控制逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的幅值后，由并網模式切換到孤島模式之前，先采用快速檢測方法進行孤島檢測，即在一個電壓周期20ms內，電壓的采集步數為400步，當逆變輸出電壓采集電路檢測到4個連續瞬時電壓幅值與設定的相應時刻的參考電壓幅值之差大于10V或者小于-10V時，即可判斷電網掉電，判斷電網掉電后，直接確定是否使單相并離網逆變器從并網模式切換到孤島模式；如果使用快速檢測方法沒有判斷出電網掉電，再應用過/欠電壓檢測和過/欠頻率檢測作為孤島檢測方法，判斷單相并離網逆變器是否進入孤島，從而確定是否使單相并離網逆變器從并網模式切換到孤島模式；

第三步、基于雙閉環反饋控制程序實現負載電壓和負載電流的平滑切換：

在孤島模式切換到并網模式時，需要經過第一步確保逆變輸出電壓和外電網輸出電壓同幅同相后進行負載電壓和負載電流的平滑切換；在并網模式切換到孤島模式時需要通過第二步進行孤島檢測后，再進行負載電壓和負載電流的平滑切換；

在混合電壓電流模式控制結構的基礎上采用了包含負載電流內環和負載電壓外環的雙閉環反饋控制程序，實現負載電壓和負載電流的平滑切換，在孤島模式和并網模式切換的過程中，采用混合電壓電流模式控制，即在孤島模式時，單相并離網逆變器被當成一個電壓源，采用電壓模式控制結構；在并網模式下，單相并離網逆變器被當成一個電流源，采用電流模式控制結構；

第四步、孤島模式和并網模式的相互切換：

(1)孤島模式到并網模式的切換的實現：

經過第一步實現逆變輸出電壓和外電網輸出電壓的幅值與相位的同步和第三步實現負載電壓和負載電流的平滑切換后，通過開關電路控制模塊輸出低電平，即開關電路控制信號relay為低電平，從而控制開關電路中的固態繼電器U1和U2的閉合，完成孤島模式到并網模式的切換；

(2)并網模式到孤島模式的切換的實現：

通過第二步的混合孤島檢測方法進行孤島檢測，當單相并離網逆變器系統滿足進入孤島模式的條件時，即通過快速檢測方法判斷電網掉電后，使單相并離網逆變器從并網模式切換到孤島模式，或再由過/欠電壓檢測和過/欠頻率檢測作為孤島檢測方法，判斷單相并離網逆變器進入孤島，確定使單相并離網逆變器從并網模式切換到孤島模式；再經過第三步實現負載電壓和負載電流的平滑切換后，開關電路控制模塊輸出高電平，即開關電路控制信號relay為高電平，從而控制開關電路中的固態繼電器U1和U2的斷開，完成并網模式到孤島模式的切換。