CN103401266A - 一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置及方法，所述方法包括：所述数字信号处理器向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号，所述数字信号处理器根据检测到的通过所述滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值，并输出所述控制量限幅值给所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值生成调制波，将所述调制波输入至所述驱动单元，所述驱动单元连接逆变器的控制逻辑，控制逆变器的输出电流，迫使所述反并联可控硅的电流换流，以关断所述反并联可控硅。本发明实现了逆变器从并网模式到离网模式的快速切换，保证了从并网模式到离网模式的切换过程中本地负载的不间断供电。

Description

一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置及方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制方法的领域，尤其涉及一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置及方法。

背景技术

随着对供电可靠性要求的不断提高，当电网解列时，并网逆变器被期望能够与电网断开并独立运行，为本地关键负载供电，故并网逆变器一般都有并网运行和离网运行两种工作模式。当并网逆变器两种模式进行切换时，为保证本地负载的不间断供电，衍生出了无缝切换的概念。

并网逆变器通常采用反并联可控硅作为模式切换的切换开关。并网逆变器运行于并网模式时，控制模式一般采用电流控制，反并联可控硅处于闭合状态从而本地负载电压由电网提供；当并网逆变器运行于离网模式时，反并联可控硅处于断开状态，控制系统通常为电压控制，可保证本地负载对电压幅值和频率的要求；当电网发生短路故障时，因电压源不能短路故并网逆变器必须先关断使逆变器脱离电网，再把控制模式从并网电流反馈控制转为离网电压反馈控制。反并联可控硅控制系统可控制其开通，但必须使其通过的电流换流才可使其关断。故如何通过反并联可控硅的电流快速过零从而关断反并联可控硅成为实现逆变器并网-离网无缝切换的关键问题之一。

人们围绕如何使通过反并联可控硅的电流快速换流的问题设计出了多种换流策略，如电流自然过零换流、基于电压幅值调节或相位调节的强迫换流、基于电压瞬时值调节的强迫换流以及基于电流调节的强迫换流等。上述方法有的方法切换时间太长，无法保障负载供电的连续性，有的方法无法适应电网严重故障下的模式切换，有的方法需要额外增加传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置及方法，来解决以上技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，包括：数字信号处理器、脉冲发生单元、驱动单元和反并联可控硅；其中，所述数字信号处理器，用于在电网电源发生故障时，根据检测到的通过逆变器的滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值并输出所述控制量限幅值给所述脉冲发生单元；所述脉冲发生单元，用于根据所述控制量限幅值生成调制波，将所述调制波输入至所述驱动单元；所述驱动单元，用于根据所述调制波驱动逆变器输出，使通过所述反并联可控硅的电流换流。

所述实现逆变器并网/离网无缝切换的装置还包括电感电流传感器，所述数字信号处理器包括电感电流控制器；所述电感电流传感器的输入端连接所述滤波电感的一端，用于检测通过所述滤波电感的电流，所述电感电流传感器的输出端连接所述电感电流控制器，所述电感电流控制器用于在并网模式下控制通过所述滤波电感的电流。

优选的，所述数字信号处理器还包括滞环控制器和周期寄存器，所述周期寄存器为定时器，所述滞环控制器的输入端与所述电感电流传感器的输出端连接，所述滞环控制器的输出端与所述脉冲发生单元的输入端连接，用于根据所述检测到的通过逆变器的滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值并输出至所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值和所述周期寄存器的值生成调制波。

所述实现逆变器并网/离网无缝切换的装置还包括逆变电压传感器，所述数字信号处理器还包括逆变电压控制器；所述逆变电压传感器的输入端连接逆变器的滤波电容两端，用于采样所述滤波电容的电压，所述逆变电压传感器的输出端连接所述逆变电压控制器的输入端，所述逆变电压控制器用于在离网模式下控制逆变器的逆变输出电压。

优选的，所述数字信号处理器还包括电感电流控制器、电网故障检测单元、模式切换开关及数字信号处理控制单元，在逆变器的交流侧还设置有电网电压传感器和电网电源。

所述滞环控制器的输出端通过所述模式切换开关与所述脉冲发生单元的输入端连接；

所述电感电流控制器的输入端分别与所述电感电流传感器的输出端及电网电压传感器的输出端连接，所述电感电流控制器的输出端通过所述模式切换开关连接到所述脉冲发生单元的输入端；

所述逆变电压控制器的输入端分别与所述电感电流传感器及逆变电压传感器连接，所述逆变电压控制器的输出端通过所述模式切换开关连接到所述脉冲发生单元的输入端；

所述电网电压传感器的输入端连接电网电源，用于采样电网电源的电压信号，所述电网电压传感器的输出端连接所述电感电流控制器的输入端，所述电网电压传感器和所述电感电流控制器的中间还连接有锁相环，所述电网故障检测单元连接所述锁相环的输出端，用于检测电网电源电压是否大于所述电网故障检测单元预先设定的数值；

所述模式切换开关为多选一的开关电路，所述模式切换开关的一端分别连接所述电感电流控制器的输出端、所述逆变电压控制器的输出端和所述滞环控制器的输出端，所述模式切换开关的另一端连接到所述脉冲发生单元的输入端，通过所述数字信号处理控制单元控制所述模式切换开关的选路。

优选的，所述电感电流控制器和所述逆变电压控制器均为PI控制器。

所述逆变器包括逆变桥、滤波电容、滤波电感和控制逻辑，所述滤波电感和所述滤波电容位于所述逆变桥的交流侧；所述逆变桥的第一输出端连接所述滤波电感的一端，所述滤波电感的另一端连接所述滤波电容的一端，所述滤波电容的另一端连接所述逆变桥的第二输出端，所述控制逻辑连接所述驱动单元，用于控制逆变器的输出。

优选的，所述逆变桥的第一输出端和第二输出端分别连接到本地负载的两端，所述本地负载的一端连接所述反并联可控硅的一端，所述反并联可控硅的另一端与电网电源的第一输出端连接，所述本地负载的另一端连接电网电源的第二输出端。

优选的，所述反并联可控硅的另一端与所述电网电源的第一输出端中间还连接有线路等效电感。

第二方面，基于上述装置，本发明提供一种实现并网逆变器并网/离网无缝切换的方法，包括：

所述数字信号处理器向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号；

所述数字信号处理器根据检测到的通过所述滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值，并输出所述控制量限幅值给所述脉冲发生单元；

所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值生成调制波，将所述调制波输入至所述驱动单元；

所述驱动单元根据所述调制波驱动逆变器输出，迫使通过所述反并联可控硅的电流换流，以关断所述反并联可控硅。

优选的，所述数字信号处理器工作在不同的控制模式下，所述控制模式包括滞环控制模式和离网电压反馈控制模式，所述数字信号处理器根据不同的所述控制模式输出不同的控制信号，所述实现逆变器并网/离网无缝切换的方法具体包括：

当电网故障检测单元检测出电网电源故障时，所述数字信号处理器向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号，且保存此刻的电网电源的电压相位，此时所述数字信号处理器将控制模式转为滞环控制模式，电感电流传感器采样所述通过滤波电感的电流信号，根据所述电流信号，确定所述数字信号处理器的滞环控制的方式，根据所述滞环控制的方式，来确定所述数字信号处理器所需输出的控制量限幅值，将所述控制量限幅值赋给所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值生成调制波，通过所述驱动单元控制逆变器的输出，控制通过所述滤波电感的电流，迫使通过反并联可控硅的电流迅速换流；

当所述滞环控制模式持续1ms后，所述反并联可控硅已可靠关断，所述数字信号处理器将控制模式由所述滞环控制模式转为所述离网电压反馈控制模式，并将电网电源故障时保存的电压相位作为离网电压反馈的初始相位，确定离网电压反馈的输出调节量，并赋给所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述输出调节量生成调制波，通过所述驱动单元控制逆变器的输出，控制所述逆变器的输出电压，提供给本地负载。

优选的，所述控制模式还包括并网电流反馈控制模式；所述反并联可控硅处于断开状态，所述控制模式为离网电压反馈控制模式，本地负载的电压由所述逆变器的输出电压提供；

所述数字信号处理器向处于断开状态的所述反并联可控硅发出闭合信号，所述反并联可控硅收到闭合信号可立刻闭合，此时所述数字信号处理器处于并网电流反馈控制模式，所述逆变器与电网电源连接，本地负载的电压由电网电源提供，使本地负载的供电保持连续性。

优选的，所述数字信号处理器处于并网电流反馈控制模式时，电网故障检测单元处于工作状态，所述电网故障检测单元执行如下操作：

所述电网故障检测单元预先设定一数值，所述电网故障检测单元每隔固定周期检测采样电网电源的电压，所述的固定周期由周期寄存器的T1PR值决定；

将采样到的所述电网电源的电压和预先设定的所述数值进行比较，当所述电网电源的电压大于所述数值并持续多个载波时，认定电网电源已经发生故障。

优选的，所述电网故障检测单元的具体检测方法包括：

所述电网故障检测单元和电网电压传感器之间连接有锁相环，根据锁相环得到的电网电压的相位及正弦表生成一个标准正弦波，电网故障检测单元将每隔固定周期采样电网电压的数值与此时对应相位的标准正弦波的数值相减，得到的结果取绝对值并与预先设定的所述数值比较，若连续数个载波两者相减取绝对值后的结果均超过预先设定的所述数值，则认定此时电网电源已发生故障；

此时，所述数字信号处理器立刻发出反并联可控硅的关断信号，且保存此刻的电网电源的电压相位。

优选的，所述脉冲发生单元的具体调制方法包括：

数字信号处理器在k时刻运行于所述并网电流反馈控制模式，所述脉冲发生单元根据所述数字信号处理器在k时刻的控制量，得到k时刻调制波。

优选的，所述数字信号处理器的滞环控制的方法为：

在k+n时刻，所述电网检测单元检测出电网电源故障，所述数字信号处理器由所述并网电流反馈控制模式转为所述滞环控制模式，所述数字信号处理器根据每隔固定周期采样到的电感电流的方向，反向给定控制量限幅值，当检测到电感电流为正向时，即采样到的所述电感电流的方向为流入电网电源的方向时，所述数字信号处理器将所述控制量限幅值设定为负限幅值并赋给脉冲发生单元；当检测到电感电流为负向时，即采样到的所述电感电流的方向为流入逆变器的方向时，所述数字信号处理器将所述控制量的值设定为正限幅值并赋值给所述脉冲发生单元；所述脉冲发生单元根据所述限幅值及所述数字信号处理器的事件管理器中周期寄存器的T1PR值生成调制波，控制通过所述滤波电感的电流，迫使通过反并联可控硅的并网电流迅速换流。

本发明的有益效果：首先数字信号处理器向处于闭合状态的反并联可控硅发出关断信号，数字信号处理器根据采样得到的通过滤波电感的电流信号反向给定控制量限幅值并输出给脉冲发生单元，脉冲发生单元根据控制量限幅值生成调制波，将调制波输入至驱动单元，驱动单元连接逆变器的控制逻辑，根据调制波信号驱动逆变器，控制逆变器的输出电流，使通过反并联可控硅的电流进行快速换流，以关断所述反并联可控硅。本发明在不增加硬件成本且便于数字实现，逆变器在任何时刻都可以实现电流快速过零从而关断反并联可控硅，实现逆变器并网-离网的快速切换。

附图说明

图1为逆变器并网/离网无缝切换的装置简化电路图。

图2为单相并网逆变器并网/离网无缝切换装置的主电路图。

图3为本发明的并网-离网切换过程波形图。

图中：1、逆变桥；2、滤波电感；3、滤波电容；4、本地负载；5、反并联可控硅；6、线路等效电感；7、电网电源；8、直流电压源；9、数字信号处理器；10、电网电压传感器；11、电感电流传感器；12、逆变电压传感器；13、锁相环；14、电感电流控制器；15、逆变电压控制器；16、滞环控制器；17、脉冲发生单元；18、驱动板。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参考图1，本发明提出的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，包括：

在逆变器的交流侧设置有电感电流传感器11和反并联可控硅5，在逆变器的直流侧设置有脉冲发生单元17、数字信号处理器9和驱动板18，其中，脉冲发生单元17为PWM（pulse width modulation，脉冲宽度调制）脉冲发生单元。

请参考图1和图2，逆变器由逆变桥1、滤波电感2、滤波电容3以及控制逻辑组成，直流电压源8提供逆变器的直流电源，逆变桥1的第一输出端连接滤波电感2的一端，滤波电感2的另一端连接滤波电容3的一端，滤波电容3的另一端连接逆变桥1的第二输出端，滤波电感2的另一端连接反并联可控硅5的一端，反并联可控硅5的另一端连接到电网电源7的第一输出端，逆变桥1的第二输出端连接电网电源7的第二输出端，反并联可控硅5可用SCR(SiliconControlled Rectifier，可控硅)表示。

其中，反并联可控硅5的一端和电网电源7的第二输出端连接本地负载4的两端；反并联可控硅5闭合时，本地负载4的电压由电网电源7提供，反并联可控硅5断开时，本地负载4的电压由逆变器的两个输出端提供，即逆变桥1的第一输出端和逆变桥1的第二输出端。

本发明提出的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置的系统工作状态有四种：并网模式、离网模式、并网-离网切换模式以及离网-并网切换模式；系统处于并网模式时，反并联可控硅5处于闭合状态，逆变器与电网电源7连通，此时数字信号处理器9的控制模式为并网电流反馈控制模式，本地负载4的电压由电网电源7提供；系统处于离网模式时，反并联可控硅5处于断开状态，此时数字信号处理器9的控制模式为离网电压反馈控制模式，本地负载4的电压由逆变器逆变输出电压提供；系统处于并网-离网切换模式时，数字信号处理器9向处于闭合状态的反并联可控硅5发出关断信号，此时反并联可控硅5仍然处于闭合状态，无法立刻关断，此时数字信号处理器9的控制模式为滞环控制模式，本地负载4的电压仍由电网电源7提供；系统处于离网-并网切换模式时，即系统由离网模式向并网模式转换时，数字信号处理器9向处于断开状态的反并联可控硅5发出闭合信号，反并联可控硅5立刻闭合，同时数字信号处理器9的控制模式转为并网电流反馈控制模式，本地负载4的电压由逆变器提供转为由电网电源7提供。

电感电流传感器11的输入端连接滤波电感2的另一端，用于采样通过滤波电感2的电流信号，数字信号处理器9包括滞环控制器16和周期寄存器，滞环控制器16的输入端与电感电流传感器11的输出端连接，滞环控制器16的输出端与脉冲发生单元17的输入端连接，脉冲发生单元17的输出端通过驱动板18连接逆变器的控制逻辑，在电网电源7出现故障时，数字信号处理器9向处于闭合状态的所述反并联可控硅5发出关断信号，系统进入滞环控制模式，电感电流传感器11采样得到通过滤波电感2的电流；根据电感电流传感器11采样到的通过滤波电感2的电流的方向，数字信号处理器9的控制中心反向给定一个控制量限幅值并赋予滞环控制器16，滞环控制器16根据控制量限幅值确定滞环控制器16输出的控制信号，并输出至脉冲发生单元17，脉冲发生单元17通过处理控制信号，根据控制信号中的控制量限幅值与周期寄存器的值生成调制波，然后将调制波通过驱动单元处理后输入到逆变器的控制逻辑，控制逆变器的输出电流和/或电压，迫使通过反并联可控硅的并网电流迅速换流。

反并联可控硅5可通过控制系统控制其开通，但必须使其通过的电流换流才可使其关断，电流快速过零的时间越短，系统从并网模式到离网模式切换的影响越小，由此可知，通过采样通过滤波电感2的电流信号，经过数字处理器9的滞环控制器16以及脉冲发生单元17进行相关信号处理后，可以控制逆变器的输出电流，从而达到控制通过滤波电感2的电流，迫使通过反并联可控硅5的电流能迅速换流，达到快速关断反并联可控硅5的目的，从而减小系统从并网模式到离网模式切换的影响。

当滞环控制模式持续1ms后，反并联可控硅5已可靠关断，系统进入离网模式，数字信号处理器9将控制模式由滞环控制模式转为离网电压反馈控制模式，并将电网故障时保存的电网相位作为电压控制的初始相位，确定系统离网电压反馈模式的输出调节量。

具体的，本发明提出的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置还包括逆变电压传感器12，数字信号处理器9还包括逆变电压控制器15；逆变电压传感器12的输入端连接滤波电容2的两端，用于采样滤波电容2两端的电压，即本地负载4两端的电压，逆变电压传感器12的输出端连接逆变电压控制器15的输入端，同时逆变电压控制器15的输入端还连接电感电流传感器11的输出端；系统工作在离网模式下时，逆变电压传感器12采集本地负载4两端的电压以及通过滤波电感2的电流，并将电网电源7故障时的电网电源相位作为逆变电压控制器15电压控制的初始相位，输出控制信号给脉冲发生单元17，经过脉冲发生单元17以及驱动板18处理后输入至逆变器的控制逻辑，从而控制逆变器的输出电压和/或电流的相位和电网电源电压的相位保持同步，实现本地负载的不间断供电。

具体的，逆变器的交流侧还设置有电网电压传感器10和电网电源7，数字信号处理器9还包括电感电流控制器14、逆变电压控制器15、周期寄存器、模式切换开关及数字信号处理器控制单元。

电网电压传感器10的输入端连接电网电源7输出端，用于采样电网电源7的电压信号，电网电压传感器10的输出端通过锁相环13连接电感电流控制器14，电感电流传感器11的输出端分别连接电感电流控制器14和逆变电压控制器15，逆变电压传感器12的输入端连接滤波电容3两端，用于采样逆变器输出的交流逆变电压信号，逆变电压传感器12的输出端连接逆变电压控制器15，电感电流控制器14的输入端分别与电感电流传感器11的输出端和电网电压传感器10的输出端连接，逆变电压控制器15的输入端分别与电感电流传感器11和逆变电压传感器12连接；电感电流控制器14的输出端、逆变电压控制器15的输出端和滞环控制器16的输出端均通过模式切换开关连接到脉冲发生单元17的输入端；通过锁相环13可以对电网电压信号进行相位跟踪，根据输入信号的相位和频率调整数字信号处理器9本身固有信号的相位和频率，周期寄存器为定时器，位于数字信号处理器9的事件管理器中；系统处于并网模式下时，数字信号处理器9的控制中心赋予电感电流控制器14一给定电流，电感电流控制器14根据电网电压传感器的输出的电网电源的电压相位和频率，输出一控制信号给脉冲发生单元17，脉冲发生单元17对控制信号进行相关处理并通过驱动板18输入至逆变器的控制逻辑，控制逆变器的输出电流，达到根据采样通过滤波电感2的电流信号来控制通过滤波电感2的电流的目的。

模式切换开关为多选一的开关电路，模式切换开关的一端分别连接电流控制器14的输出端、逆变电压控制器15的输出端和滞环控制器16的输出端，模式切换开关的另一端连接到脉冲发生单元17的输入端，通过数字信号处理器控制单元控制模式切换开关的选路。

系统运行于并网模式，当电网电源7出现故障时，数字信号处理器9向处于闭合状态的反并联可控硅5发出关断信号，且保存此刻的电网电源7的电压相位，此时数字信号处理器9控制模式切换开关，使滞环控制器16与脉冲发生单元17连接，此时数字信号处理器9处于滞环控制模式，电感电流传感器11采样通过滤波电感2的电流信号，根据采样到的电流信号，确定滞环控制器16的滞环控制的方式，进而确定所需赋予滞环控制器16的控制量限幅值，确定控制量限幅值后，数字信号处理器控制单元将控制量限幅值赋给滞环控制器16的输入端，滞环控制器16进行相关处理，输出控制信号给脉冲发生单元17，脉冲发生单元17对控制信号进行处理，根据控制信号的控制量限幅值以及周期寄存器的T1PR值生成调制波，通过驱动板18输出给逆变桥1的控制逻辑，控制逆变器的输出电流，从而达到控制通过滤波电感2的电流，完成迫使通过反并联可控硅5的电流快速过零的目的；其中，调制波是用调制信号调制以后的非正弦波，载波是一个正弦波，它有几个参数，幅度、频率、相位，把一个携带信息的信号去改变载波的某一个或几个参数，信号就调制到载波上了。

持续1ms后，反并联可控硅5已可靠关断，此时数字信号处理器9控制模式切换开关，使逆变电压控制器15与脉冲发生单元17连接，此时数字信号处理器9处于离网电压反馈控制模式，并将电网电源7故障时保存的电压相位作为电压控制的初始相位，确定离网电压反馈的输出调节量，赋给脉冲发生单元17，脉冲发生单元17根据反馈的输出调节量控制逆变器的输出电压，提供给本地负载4，保证本地负载4的不间断供电。

更具体的，数字信号处理器9还包括电网故障检测单元；

电网故障检测单元连接电网电压传感器10，用于检测电网电源7的电压是否大于电网故障检测单元预先设定的数值。电网故障检测单元预先设定一数值，此数值为电网电源7是否正常工作的标准，当电网电源7的电压小于等于此数值时，说明电网电源7处于正常的工作状态，当电网电源7的电压大于此数值时，说明电网电源7处于不正常的工作状态，当电网电源7处于不正常的工作状态持续一段时间，说明电网电源7出现故障了，需要及时进行维修，利用电网故障检测单元可以随时对电网电源7的工作状态进行检查。

电网电源7正常工作时，通过反并联可控硅5的控制系统控制其闭合，反并联可控硅5处于闭合状态时，逆变器与电网电源7连接，此时数字信号处理器9控制模式切换开关，使电感电流控制器14与脉冲发生单元17连接，此时数字信号处理器9处于并网电流反馈控制模式，本地负载4的电压由电网电源7提供，电网故障检测单元处于工作状态，电网故障检测单元的工作原理如下：

电网故障检测单元预先设定一数值，每隔固定周期检测采样到的电网电源7的电压，此固定周期由周期寄存器的T1PR值决定；将采样到的电网电源7的电压的值和预先设定的数值进行比较，当采样到的电压大于预先设定的数值并持续多个载波时，数字信号处理器9即认定电网电源7已经发生故障，数字信号处理器9向处于闭合状态的反并联可控硅5发出关断信号，且保存此刻的电压相位，数字信号处理器9转为滞环控制模式，否则，认为电网电源7未发生故障，此时数字信号处理器9仍处于并网电流反馈控制模式。

具体的，电感电流控制器14和逆变电压控制器15均为PI控制器。PI控制器易于实现，控制参数相互独立而且兼顾快速性，满足了数字信号处理器9快速响应控制的需求。

具体的，反并联可控硅5的另一端与电网电源7的第一输出端的中间还连接有线路等效电感6；LCL型滤波器在滤出高次谐波方面效果比较好，系统在谐振频率处谐振幅值非常小，谐振得到了很好的抑制。

具体的，在逆变桥1的直流侧还设置有电解电容和直流电源8；直流电源8提供逆变器的直流电压，电解电容在直流电源侧起电源滤波作用。

具体的，系统运行于离网模式，当电网电源7恢复正常，系统需要从离网模式切换到并网模式，数字信号处理器9向处于断开状态的反并联可控硅5发出闭合信号，反并联可控硅5立刻闭合，同时数字信号处理器9控制模式切换开关，使电感电流控制器14与脉冲发生单元17连接，此时数字信号处理器9处于并网电流反馈控制模式，本地负载4的电压由电网电源7提供。反并联可控硅5收到闭合信号可立刻闭合，逆变器离网-并网的切换过程迅速，所以本地负载的供电保持连续性，不影响本地负载的工作状态。

采用本发明提出的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，在不增加硬件成本且便于数字实现的前提下，不仅并网-离网切换时间短，保障负载供电的连续性，而且适应于电网电源7严重故障下的模式切换，并且无需额外增加传感器，此外，本装置从离网-并网切换迅速，完全不影响本地负载的供电状态。

请参考图1和图2，根据本发明提供的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置可知，本发明可以实现逆变器并网/离网无缝切换，具体方法如下：

逆变器处于并网模式时，反并联可控硅5处于闭合状态，数字信号处理器9向处于闭合状态的反并联可控硅5发出关断信号，反并联可控硅5并不能立刻断开，必须使其通过的电流换流才可使其关断，系统从并网模式转为并网-离网切换模式。

此时，数字信号处理器9处于滞环控制模式，电感电流传感器11采样得到滤波电感2的电流信号；根据采样得到的电流信号确定数字信号处理器9输出的控制信号。

将数字信号处理器9输出的控制信号赋给脉冲发生单元17，脉冲发生单元17根据所述控制信号和周期寄存器的T1PR值生成调制波，然后将调制波通过驱动板18输出给逆变器的控制逻辑，控制通过滤波电感2的电流，迫使通过反并联可控硅5的电流迅速换流。

当滞环控制模式持续1ms后，反并联可控硅5已可靠关断，数字信号处理器9将控制模式由滞环控制模式转为离网电压反馈控制模式，并将电网电源故障时保存的电网电源相位作为离网电压反馈控制的初始相位，确定离网电压反馈的输出调节量，赋给脉冲发生单元17，脉冲发生单元17根据输出调节量生成调制波，通过驱动板18连接控制逻辑，控制逆变器的输出电压，提供给本地负载4。

具体的，电网故障检测单元的工作原理如下：

电网故障检测单元预先设定一数值，每隔固定周期检测采样到的电网电源7的电压，这里，固定周期由周期寄存器的T1PR值决定；

将采样到的电网电源7的电压的值和电网故障检测单元预先设定的数值进行比较，当采样到的电压大于预先设定的数值并持续多个载波时，数字信号处理器9即认定电网电源7已经发生故障。

具体的，数字信号处理器9的电网故障检测单元的具体检测方法为：

电网故障检测单元和电网电压传感器10之间连接有锁相环13，根据锁相环13得到的电网电压的相位及正弦表生成一个标准正弦波，电网故障检测单元将每隔固定周期采样到的电网电源7的电压的数值与此时对应相位的标准正弦波的数值相减，得到的结果取绝对值并与电网故障检测单元预先设定的数值比较，若连续数个载波两者相减取绝对值后的结果均超过预先设定的所述数值，则认定此时电网电源7已发生故障，此时，数字信号处理器9立刻发出反并联可控硅5的关断信号，并保存此刻的电网电源7的电压相位。

具体的，脉冲发生单元17的具体调制方法为：

系统在k时刻运行于并网电流反馈控制模式，根据数字信号处理器9在k时刻的控制量u(k)及数字信号处理器9的事件管理器中周期寄存器的T1PR值，得到k时刻调制波的值为：

$v_m\left(k\right)=u\left(k\right)+\frac{T1\mathrm{PR}}{2}$

具体的，数字信号处理器9的滞环控制的方法为：

在k+n时刻，电网检测单元检测出电网电源7发生故障，数字信号处理器9立刻发出反并联可控硅5的关断信号，并保存此刻的电压相位θ(k)。数字信号处理器9由并网电流反馈控制模式转为滞环控制模式，数字信号处理器9根据电感电流传感器11每隔固定周期采样到的通过滤波电感2的电流的方向，反向给定控制量限幅值，当检测到采样到的电感电流为正向时，即采样到的电流的方向为流入电网电源7的方向时，数字信号处理器9将控制量u(k)的值设定为负限幅值并赋给脉冲发生单元17；当检测到采样到的电感电流为负向时，即采样到的电流的方向为流入逆变器的方向时，数字信号处理器9将控制量u(k)的值设定为正限幅值并赋值给脉冲发生单元17；数字信号处理器9将限幅值赋给脉冲发生单元17，通过驱动板18控制逆变器的输出，滞环控制16的方式为：

此时，PWM单元17生成的调制波v_m(k+n)为：

在k+n+m时刻，滞环控制器16持续1ms，反并联可控硅5已可靠关断，数字信号处理器9将控制模式由滞环控制模式转为离网电压反馈控制模式，并将电网电源7故障时保存的电压相位作为电压控制的初始相位，此时，离网电压反馈控制的给定为:

U(k+n+m)＝311sin((k+n+m)+θ(k))

此时，根据逆变电压控制器15的输出调节量u(k+n+m)和数字信号处理器9的事件管理器中周期寄存器的T1PR值，可得k+n+m时刻调制波v_m(k)为：

$v_m(k+n+m)=u(k+n+m)+\frac{T1\mathrm{PR}}{2}$

本发明提供的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，通过检测并网逆变器模式切换过程中电感电流的方向，数字信号处理器9反向给定控制量限幅值，迫使通过反并联可控硅的电流强迫换流，使反并联可控硅5快速关断，关断反并联可控硅5后，数字信号处理器9将控制模式转变为离网电压反馈控制模式，从而为本地负载4提供幅值、相位和频率均满足要求的电压。整个切换过程持续时间不超过3ms，保证了切换过程中对负载的不间断供电。

请参考图3，为验证本发明的实用性，采用单相全桥并网逆变器的拓扑结构，在功率为33KVA的样机上进行了实验，图中U_g为电网电压，T为数据处理器9判断事件的信号，U₀为离网输出电压。

采用本发明提出的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，不仅并网-离网切换时间短，保障负载供电的连续性，适应于电网电源7严重故障下的模式切换，而且无需额外增加传感器。本发明在不增加硬件成本且便于数字实现的前提下，提出了并网逆变器并网/离网无缝切换的方法。通过上述的控制算法，并网逆变器在任何时刻都可以实现并网/离网的快速切换，尤其是在电网电源7严重故障时也可以在3ms从并网模式切换到离网模式，保证本地关键负载的不间断供电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，包括：数字信号处理器、脉冲发生单元、驱动单元和反并联可控硅；其中，所述数字信号处理器，用于在电网电源发生故障时，根据检测到的通过逆变器的滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值并输出所述控制量限幅值给所述脉冲发生单元；所述脉冲发生单元，用于根据所述控制量限幅值生成调制波，将所述调制波输入至所述驱动单元；所述驱动单元，用于根据所述调制波驱动逆变器输出，使通过所述反并联可控硅的电流换流。

2.根据权利要求1所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，还包括电感电流传感器，所述数字信号处理器包括电感电流控制器；所述电感电流传感器的输入端连接所述滤波电感的一端，用于检测通过所述滤波电感的电流，所述电感电流传感器的输出端连接所述电感电流控制器，所述电感电流控制器用于在并网模式下控制通过所述滤波电感的电流。

3.根据权利要求2所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述数字信号处理器还包括滞环控制器和周期寄存器，所述周期寄存器为定时器，所述滞环控制器的输入端与所述电感电流传感器的输出端连接，所述滞环控制器的输出端与所述脉冲发生单元的输入端连接，用于根据所述检测到的通过逆变器的滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值并输出至所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值和所述周期寄存器的值生成调制波。

4.根据权利要求3所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，还包括逆变电压传感器，所述数字信号处理器还包括逆变电压控制器；所述逆变电压传感器的输入端连接逆变器的滤波电容两端，用于采样所述滤波电容的电压，所述逆变电压传感器的输出端连接所述逆变电压控制器的输入端，所述逆变电压控制器用于在离网模式下控制逆变器的逆变输出电压。

5.根据权利要求4所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述数字信号处理器还包括电感电流控制器、电网故障检测单元、模式切换开关及数字信号处理控制单元，在逆变器的交流侧还设置有电网电压传感器和电网电源；

所述滞环控制器的输出端通过所述模式切换开关与所述脉冲发生单元的输入端连接；

所述电感电流控制器的输入端分别与所述电感电流传感器的输出端及电网电压传感器的输出端连接，所述电感电流控制器的输出端通过所述模式切换开关连接到所述脉冲发生单元的输入端；

所述逆变电压控制器的输入端分别与所述电感电流传感器及逆变电压传感器连接，所述逆变电压控制器的输出端通过所述模式切换开关连接到所述脉冲发生单元的输入端；

所述电网电压传感器的输入端连接电网电源，用于采样电网电源的电压信号，所述电网电压传感器的输出端连接所述电感电流控制器的输入端，所述电网电压传感器和所述电感电流控制器的中间还连接有锁相环，所述电网故障检测单元连接所述锁相环的输出端，用于检测电网电源电压是否大于所述电网故障检测单元预先设定的数值；

所述模式切换开关为多选一的开关电路，所述模式切换开关的一端分别连接所述电感电流控制器的输出端、所述逆变电压控制器的输出端和所述滞环控制器的输出端，所述模式切换开关的另一端连接到所述脉冲发生单元的输入端，通过所述数字信号处理控制单元控制所述模式切换开关的选路。

6.根据权利要求5所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述电感电流控制器和所述逆变电压控制器均为PI控制器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述逆变器包括逆变桥、滤波电容、滤波电感和控制逻辑，所述滤波电感和所述滤波电容位于所述逆变桥的交流侧；所述逆变桥的第一输出端连接所述滤波电感的一端，所述滤波电感的另一端连接所述滤波电容的一端，所述滤波电容的另一端连接所述逆变桥的第二输出端，所述控制逻辑连接所述驱动单元，用于控制逆变器的输出。

8.根据权利要求7所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述逆变桥的第一输出端和第二输出端分别连接到本地负载的两端，所述本地负载的一端连接所述反并联可控硅的一端，所述反并联可控硅的另一端与电网电源的第一输出端连接，所述本地负载的另一端连接电网电源的第二输出端。

9.根据权利要求8所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，所述反并联可控硅的另一端与所述电网电源的第一输出端中间还连接有线路等效电感。

10.一种实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，使用如权利要求1至9中任一项所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的装置，其特征在于，包括如下步骤：

所述数字信号处理器向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号；

所述数字信号处理器根据检测到的通过所述滤波电感的电流的方向，反向给定控制量限幅值，并输出所述控制量限幅值给所述脉冲发生单元；

所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值生成调制波，将所述调制波输入至所述驱动单元；

所述驱动单元根据所述调制波驱动逆变器输出，迫使通过所述反并联可控硅的电流换流，以关断所述反并联可控硅。

11.根据权利要求10所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述数字信号处理器工作在不同的控制模式下，所述控制模式包括滞环控制模式和离网电压反馈控制模式，所述数字信号处理器根据不同的所述控制模式输出不同的控制信号，所述实现逆变器并网/离网无缝切换的方法具体包括：

当电网故障检测单元检测出电网电源故障时，所述数字信号处理器向处于闭合状态的所述反并联可控硅发出关断信号，且保存此刻的电网电源的电压相位，此时所述数字信号处理器将控制模式转为滞环控制模式，电感电流传感器采样所述通过滤波电感的电流信号，根据所述电流信号，确定所述数字信号处理器的滞环控制的方式，根据所述滞环控制的方式，来确定所述数字信号处理器所需输出的控制量限幅值，将所述控制量限幅值赋给所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述控制量限幅值生成调制波，通过所述驱动单元控制逆变器的输出，控制通过所述滤波电感的电流，迫使通过反并联可控硅的电流迅速换流；

当所述滞环控制模式持续1ms后，所述反并联可控硅已可靠关断，所述数字信号处理器将控制模式由所述滞环控制模式转为所述离网电压反馈控制模式，并将电网电源故障时保存的电压相位作为离网电压反馈的初始相位，确定离网电压反馈的输出调节量，并赋给所述脉冲发生单元，所述脉冲发生单元根据所述输出调节量生成调制波，通过所述驱动单元控制逆变器的输出，控制所述逆变器的输出电压，提供给本地负载。

12.根据权利要求11所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述控制模式还包括并网电流反馈控制模式；所述反并联可控硅处于断开状态，所述控制模式为离网电压反馈控制模式，本地负载的电压由所述逆变器的输出电压提供；

所述数字信号处理器向处于断开状态的所述反并联可控硅发出闭合信号，所述反并联可控硅收到闭合信号可立刻闭合，此时所述数字信号处理器处于并网电流反馈控制模式，所述逆变器与电网电源连接，本地负载的电压由电网电源提供，使本地负载的供电保持连续性。

13.根据权利要求12所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述数字信号处理器处于并网电流反馈控制模式时，电网故障检测单元处于工作状态，所述电网故障检测单元执行如下操作：

所述电网故障检测单元预先设定一数值，所述电网故障检测单元每隔固定周期检测采样电网电源的电压，所述的固定周期由周期寄存器的T1PR值决定；

将采样到的所述电网电源的电压和预先设定的所述数值进行比较，当所述电网电源的电压大于所述数值并持续多个载波时，认定电网电源已经发生故障。

14.根据权利要求13所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述电网故障检测单元的具体检测方法包括：

所述电网故障检测单元和电网电压传感器之间连接有锁相环，根据锁相环得到的电网电压的相位及正弦表生成一个标准正弦波，电网故障检测单元将每隔固定周期采样电网电压的数值与此时对应相位的标准正弦波的数值相减，得到的结果取绝对值并与预先设定的所述数值比较，若连续数个载波两者相减取绝对值后的结果均超过预先设定的所述数值，则认定此时电网电源已发生故障；

此时，所述数字信号处理器立刻发出反并联可控硅的关断信号，且保存此刻的电网电源的电压相位。

15.根据权利要求14所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述脉冲发生单元的具体调制方法包括：

数字信号处理器在k时刻运行于所述并网电流反馈控制模式，所述脉冲发生单元根据所述数字信号处理器在k时刻的控制量，得到k时刻调制波。

16.根据权利要求15所述的实现逆变器并网/离网无缝切换的方法，其特征在于，所述数字信号处理器的滞环控制的方法为：

在k+n时刻，所述电网检测单元检测出电网电源故障，所述数字信号处理器由所述并网电流反馈控制模式转为所述滞环控制模式，所述数字信号处理器根据每隔固定周期采样到的电感电流的方向，反向给定控制量限幅值，当检测到电感电流为正向时，即采样到的所述电感电流的方向为流入电网电源的方向时，所述数字信号处理器将所述控制量限幅值设定为负限幅值并赋给脉冲发生单元；当检测到电感电流为负向时，即采样到的所述电感电流的方向为流入逆变器的方向时，所述数字信号处理器将所述控制量的值设定为正限幅值并赋值给所述脉冲发生单元；所述脉冲发生单元根据所述限幅值及所述数字信号处理器的事件管理器中周期寄存器的T1PR值生成调制波，控制通过所述滤波电感的电流，迫使通过反并联可控硅的并网电流迅速换流。

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