CN104821602A - 一种同步并网系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步并网系统及方法。其中，同步并网系统包括：第一电压采集器、第二电压采集器、电流采集器、转速采集器、第一锁相环、第二锁相环、相位PI控制器、转速PI控制器、转矩电流PI控制器、幅值PI控制器、励磁电流PI控制器、第一变换器、第二变换器、移相PWM、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路；通过构建循环控制回路，在循环控制回路中通过变频器输出电流、电机转速、电网电压和变频器输出的三相电压共同控制变频输出电压的大小，以使变频器输出的三相电压与电网电压相等，达到同频、同相和同幅值，使变频器和电网在并网过程中电流变换平滑，减小了电流的冲击，保证了同步并网的安全可靠性。

Description

一种同步并网系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种同步并网系统及方法。

背景技术

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机的电力控制设备。它作为一种高效节能设备，广泛应用于电力、冶金、化工等行业，为节能降耗发挥了重要作用。

目前，在采用变频器实现与电网同步并网的过程中，通过变频器将电机切换至工作频率状态，使得变频器输出的三相电压与电网电压实现同频率便可实现变频器与电网的同步并网。但是在现有的采用变频器实现电机同步并网的过程中，忽略了变频器电流对同步并网的影响，以至于对变频器和电网造成了很大的电流冲击，严重影响了变频器与电网并网的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种同步并网的系统及方法，用以减小变频器和电网在并网过程中电流的冲击，保证同步并网的安全可靠。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种同步并网系统，包括：第一电压采集器、第二电压采集器、电流采集器、转速采集器、第一锁相环、第二锁相环、相位PI控制器、转速PI控制器、转矩电流PI控制器、幅值PI控制器、励磁电流PI控制器、第一变换器、第二变换器、移相脉冲调制器、变频器、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路；

第一电压采集器的第一端与电网相连，第一电压采集器的第二端与第一锁相环的第一端相连；第一锁相环的第二端与相位PI控制器的第一端相连；相位PI控制器的第二端与转速PI控制器的第一端相连；转速PI控制器的第二端与转矩电流PI控制器的第一端相连；转矩电流PI控制器的第二端与第一变换器的第一端相连；第一变换器的第二端与移相脉冲调制器的第一端相连，移相脉冲调制器的第二端与变频器相连；

第二电压采集器的第一端与变频器相连，第二电压采集器的第二端与第二锁相环的第一端相连；第二锁相环的第二端与幅值PI控制器的第一端相连；幅值PI控制器的第二端与励磁电流PI控制器的第一端相连；励磁电流PI控制器的第二端与第一变换器的第一端相连；第一变换器的第二端与移相脉冲调制器的第一端相连；移相脉冲调制器的第二端与变频器相连；

电流采集器的第一端与变频器相连，电流采集器的第二端与第二变换器的第一端相连；第二变换器的第二端分别与励磁电流的第一端相连及转矩电流的第一端相连；

转速采集器的第一端与电网相连，转速采集器的第二端与转速PI控制器相连；

第一开关电路的第一端与电网的第一端相连，第一开关电路的第二端与变频器的第一端相连，变频器的第二端与第二开关电路的第一端相连，第二开关电路的第二端与电网的第二端相连；

第三开关电路的第一端与电网的第一端相连，第三开关的第二端与述电网的第二端相连；

当所述变频器的输出电压和所述电网电压同频同相同幅值时，所述第三开关电路闭合，控制所述转矩电流和所述励磁电流不断减小，电机负载逐渐由所述变频器转换到所述电网，并断开所述第一开关电路和所述第二开关电路。

优选的，第一锁相环包括：

第三变换器、第一PI调节器和第一积分器；

第三变换器的第一端与第一电压采集器相连，第三变换器的第二端同时与第一PI调节器的第一端及幅值PI控制器的第一端相连，第一PI调节器的第二端与第一积分器的第一端相连，第一积分器的第二端与相位PI控制器的第一端相连。

优选的，第二锁相环包括：

第四变换器、第二PI调节器和第二积分器；

第四变换器的第一端与第二电压采集器相连，第四变换器的第二端同时与第二PI调节器的第一端及相位PI控制器的第一端相连，第二PI调节器的第二端与第二积分器的第一端相连，第二积分器的第二端与幅值PI控制器的第一端相连。

优选的，系统还包括：电感线圈，电感线圈位于变频器与第二开关电路的连接线上。

优选的，采集器具体为霍尔传感器和AD转换器。

一种同步并网方法，应用于上述的系统中，包括：

在第一开关电路和第二开关电路闭合的情况下，第一电压采集器获取电网三相电压；第二电压采集器获取变频器输出的三相电压；电流采集器获取变频器输出三相电流；转速采集器获取电机转速；

第一锁相环对电网电压进行锁相获取电网电压相位和电网电压幅值，第二锁相环对变频器电压进行锁相获取变频器电压相位和变频器电压幅值；

相位PI控制器将电网电压相位作为给定值，变频器电压相位作为反馈值，计算出一个频率给定累加到正常的变频器频率给定上确定第一转速；

转速PI控制器将第一转速作为给定值，电机转速作为反馈值，计算出一个转矩电流给定累加到正常的变频器电流给定上确定第一电流；

第二变换器将变频器输出三相电流转化为转矩电流和励磁电流；

转矩电流PI控制器将第一电流作为给定值，将转矩电流作为反馈值，计算出转矩电压；

幅值PI控制器将电网电压幅值作为给定值，将变频器电压幅值作为反馈值，计算出励磁电流给定，并累加到矢量控制励磁电流给定上作为第二电流；

励磁电流PI控制器将第二电流作为给定值，将励磁电流作为反馈值，计算出励磁电压；

所述第一变换器根据所述转矩电压和所述励磁电压获取三相正弦调制波；

将所述三相正弦调制波进行移相；

在移相之后将所述三相正弦调制波与三角载波进行对比，控制所述变频器的输出电压；

当所述变频器的输出电压和所述电网电压同频同相同幅值时，所述第三开关电路闭合，控制所述转矩电流和所述励磁电流不断减小，电机负载逐渐由所述变频器转换到所述电网，并断开所述第一开关电路和所述第二开关电路。

优选的，第一变换器将转矩电压与励磁电压按照下述公式获取三相交流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_d\cos \mathrm{\θ}-U_q\sin \mathrm{\θ}\\ U_{\mathrm{\β}}=U_q\cos \mathrm{\θ}+U_d\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=U_{\mathrm{\α}}\\ U_B=-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\\ U_C=-U_A-U_B\end{array}\right.;$

其中，U_A、U_B、U_c分别为A相、B相和C相电压，θ为变频器电压相位，U_d为励磁电压，U_q为转矩电压。

优选的，第二锁相环对变频器电压进行锁相，按照下述公式获取变频器电压幅值：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_A\\ U_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(U_A+2U_B)\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d=U_{\mathrm{\α}}\cos \mathrm{\θ}+U_{\mathrm{\β}}\sin \mathrm{\θ}\\ U_q=U_{\mathrm{\β}}\cos \mathrm{\θ}-U_{\mathrm{\α}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.;$

$U=\sqrt{{U_d}^2+{U_q}^2};$

其中，U_A、U_B分别为A相和B相电压，θ为变频器电压相位，U_d为励磁电压，U_q为转矩电压，U为变频器电压幅值。

优选的，相位PI控制器将电网电压相位作为给定值，变频器电压相位作为反馈值，按照下述公式计算出一个频率给定：

${\mathrm{\ω}}_2^{*}=k_p\·({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M)+k_i\·\mathrm{T\Σ}({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M);$

其中，θ_G为电网电压相位，θ_M为变频器输出的三相电压相位，T为周期，kp、ki为控制参数。

优选的，所述在移相之后将所述三相正弦调制波与三角载波进行对比，控制所述变频器的输出电压包括：

所述移相脉冲调制器根据所述三角载波调节内部的半导体控制模块的开度大小改变所述变频器输出的三相电压。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提供的同步并网系统，利用变频器输出的三相电压、变频器输出电流电机转速及电网电压构建了一个循环控制回路，在循环控制回路中通过变频器输出电流、电机转速、电网电压和变频器输出的三相电压共同控制变频输出电压的大小，以使变频器输出的三相电压与电网电压相等，达到同频、同相和同幅值，使变频器和电网在并网过程中电流变换平滑，减小了电流的冲击，保证了同步并网的安全可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种同步并网系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种同步并网系统中的第一锁相环的一种子结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种同步并网系统中的第二锁相环的一种子结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种同步并网的方法的一种流程图；

图5为本发明实施例提供的一种同步并网的方法中获取电机滑差的一种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种电压相位闭环控制原理的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种电压幅值闭环控制原理的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的三相坐标、α、β坐标、同步旋转d、q坐标变换的关系图；

图9为本发明实施例提供的变频器输出的三相电压多电平PWM控制的波形图；

图10为发明实施例提供的变频器与电网并网端的开关电路的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的变频器与电网实现并网时的电流波形图；

图12为本发明实施例提供的H桥级联型高压变频器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其示出了本发明实施例提供的一种同步并网系统的一种结构示意图，包括第一电压采集器10、第二电压采集器11、电流采集器12、转速采集器13、第一锁相环14、第二锁相环15、相位PI(proportional integral)控制器16、转速PI控制器17、转矩电流PI控制器18、幅值PI控制器19、励磁电流PI控制器20、第一变换器21、第二变换器22、移相脉冲调制器(移相PWM，移相Pulse Width Modulation)23、第一开关电路24、第二开关电路25、第三开关电路26和变频器27；

其中，第一电压采集器10的第一端与电网相连，第一电压采集器10的第二端与第一锁相环14的第一端相连；第一锁相环14的第二端与相位PI控制器16的第一端相连；相位PI控制器16的第二端与转速PI控制器17的第一端相连；转速PI控制器17的第二端与转矩电流PI控制器18的第一端相连；转矩电流PI控制器18的第二端与第一变换器21的第一端相连；第一变换器21的第二端与移相PWM23的第一端相连，移相PWM23的第二端与变频器27相连；

第二电压采集器11的第一端与变频器27相连，第二电压采集器11的第二端与第二锁相环15的第一端相连；第二锁相环15的第二端与幅值PI控制器19的第一端相连；幅值PI控制器19的第二端与励磁电流PI控制器20的第一端相连；励磁电流PI控制器20的第二端与第一变换器21的第一端相连；第一变换器21的第二端与移相PWM23的第一端相连；移相PWM23的第二端与变频器27相连；

电流采集器12的第一端与变频器27相连，电流采集器12的第二端与第二变换器22的第一端相连；第二变换器22的第二端分别与励磁电流的第一端相连及转矩电流的第一端相连；

转速采集器13的第一端与电网相连，转速采集器13的第二端与转速PI控制器17相连；

第一开关电路24的第一端与电网的第一端相连，第一开关电路24的第二端与变频器27的第一端相连，变频器27的第二端与第二开关电路25的第一端相连，第二开关电路25的第二端与电网的第二端相连；

第三开关电路26的第一端与电网的第一端相连，第三开关电路26的第二端与电网的第二端相连；

当变频器27的输出电压和电网电压同频同相同幅值时，第三开关电路26闭合，控制转矩电流和励磁电流不断减小，电机负载逐渐由变频器27转换到电网，并断开第一开关电路24和第二开关电路25。。

本发明实施例提供的同步并网的系统中，分别利用第一电压采集器10、第二电压采集器11和转速采集器13对电网电压、变频器27输出电压进行采样、调理、隔离等处理，获得可供AD转换器(analog-digital converter)中的模数转换芯片处理的模拟信号，通过模数转换芯片将模拟信号转换为电网电压、变频器27输出电压数字信号，其中模拟的电网电压和变频器27的输出电压是通过采样电阻及分压电阻获取的。

其中，图2示出了第一锁相环14的一种子结构示意图，包括：第三变换器101、第一PI调节器102和第一积分器103，其中第三变换器101的第一端与第一电压采集器10相连，第三变换器101的第二端同时与第一PI调节器102的第一端及幅值PI控制器19的第一端相连，第一PI调节器的第二端与第一积分器103的第一端相连，第一积分器103的第二端与相位PI控制器16的第一端相连。

其中，第二锁相环15的结构图与第一锁相环14的结构图相同，图3示出了第一锁相环14的一种子结构示意图，包括：第四变换器201、第二PI调节器202和第二积分器203，其中，第四变换器201的第一端与第二电压采集器11相连，第四变换器201的第二端同时与第二PI调节器202的第一端及相位PI控制器16的第一端相连，第二PI调节器202的第二端与第二积分器203的第一端相连，第二积分器203的第二端与幅值PI控制器19的第一端相连。

本发明提供的同步并网系统，利用变频器输出的三相电压、变频器输出电流电机转速及电网电压构建了一个循环控制回路，在循环控制回路中通过变频器输出电流、电机转速、电网电压和变频器输出的三相电压共同控制变频输出电压的大小，以使变频器输出的三相电压与电网电压相等，达到同频、同相和同幅值，使变频器和电网在并网过程中电流变换平滑，减小了电流的冲击，保证了同步并网的安全可靠性。

与上述系统的实施例相对应，本发明实施例还提供了一种同步并网的方法，应用于变频器同步并网。请参考图4，其示出了本发明实施例提供的一种同步并网的方法的一种流程图，可以包括以下步骤：

步骤100：在第一开关电路和第二开关电路闭合的情况下，第一电压采集器获取电网三相电压；第二电压采集器获取变频器输出的三相电压；电流采集器获取变频器输出三相电流；转速采集器获取电机转速。

步骤101：第一锁相环对电网电压进行锁相获取电网电压相位和电网电压幅值，第二锁相环对变频器电压进行锁相获取变频器电压相位和变频器电压幅值。

步骤102：相位PI控制器将电网电压相位作为给定值，变频器电压相位作为反馈值，计算出一个频率给定累加到正常的变频器频率给定上确定第一转速。

步骤103：转速PI控制器将第一转速作为给定值，电机转速作为反馈值，计算出一个转矩电流给定累加到正常的变频器电流给定上确定第一电流。

步骤104：第二变换器将变频器输出三相电流转化为转矩电流和励磁电流。

步骤105：转矩电流PI控制器将第一电流作为给定值，将转矩电流作为反馈值，计算出转矩电压。

步骤106：幅值PI控制器将电网电压幅值作为给定值，将变频器电压幅值作为反馈值，计算出励磁电流给定，并累加到矢量控制励磁电流给定上作为第二电流。

步骤107：励磁电流PI控制器将第二电流作为给定值，将励磁电流作为反馈值，计算出励磁电压。

步骤108：第一变换器根据转矩电压和励磁电压获取三相正弦调制波。

步骤109：将三相正弦调制波进行移相，在移相之后将三相正弦调制波与三角载波进行对比，控制变频器的输出电压。。

步骤110：当变频器的输出电压和电网电压同频同相同幅值时，第三开关电路闭合，控制转矩电流和励磁电流不断减小，电机负载逐渐由变频器转换到电网，并断开第一开关电路和第二开关电路。

第一锁相环将获取的电网三相电压或变频器输出的三相电压经过Clarke变换(克拉克变换)和park变换(派克变换)，由三相静止坐标转换到两相旋转坐标，转换后两相旋转坐标的d轴分量U_d作为PI控制器给定值，PI控制器的反馈值固定为0，获取PI控制器输出即电压频率，电压频率经过积分运算可以获得相位信息，将相位作为park变换的角度θ。当电压频率变化时，相位也会相应的变化，相位变化后两相旋转坐标的d轴分量变化，即PI控制器给定值变化，进而导致PI控制器输出变化使其不断趋近于实际电压频率，依次形成一个闭环系统。需要说明的是，锁相环路中的PI控制器的反馈值必须为0，这是因为要将U相电压从负到正的过零点对应0度相位角。其中d、q为直流旋转坐标系，且旋转频率与三相电压频率相同。

其中，将三相电压转换为d、q直流旋转坐标系可依据以下公式实现：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_A\\ U_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(U_A+2U_B)\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d=U_{\mathrm{\α}}\cos \mathrm{\θ}+U_{\mathrm{\β}}\sin \mathrm{\θ}\\ U_q=U_{\mathrm{\β}}\cos \mathrm{\θ}-U_{\mathrm{\α}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中U_A和U_B分别为A相和B相电压，θ为电压相位，U_d为励磁电压，U_q为转矩电压，park变换角度θ为电机同步旋转角度。

其中，在上式的基础上，根据下式便可获得变频器的电压幅值：

$U=\sqrt{{U_d}^2+{U_q}^2}---\left(3\right)$

其中，U为变频器电压幅值。

在矢量控制中电机同步旋转角度为同步角速度的积分，同步角速度可由电机转子转速和滑差获得，即：

$\mathrm{\θ}={\∫\mathrm{\ω}}_s\mathrm{dt}=\∫(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{s1})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中ω_s为电机同步角速度，ω为电机转速角速度，由转速采集器采样得到，ω_s1为电机滑差。

请参考图5，其示出了本发明实施例提供的一种同步并网的方法中获取电机滑差ω_s1的一种结构示意图。

其中，电机滑差w_s1由两相旋转坐标下I_d、I_q和电机转子时间常数计算得到

${\mathrm{\ω}}_{s1}=\frac{I_q\·R_r}{I_d\·I_r}---\left(5\right)$

其中，Rr为电机转子电阻，Lr为电机转子电感。

请参考图6，其示出了本发明实施例提供的一种电压相位闭环控制原理的结构示意图。

获得的电网电压相位作为相位PI控制器的给定值获得的变频器输出的三相电压相位作为相位PI控制器的反馈值，经过相位PI控制器计算出一个频率给定累加到正常的变频器频率给定上确定第一转速，即形成一个变频器输出的三相电压相位闭环PI控制，通过调节变频器输出频率来控制变频器输出的三相电压与电网电压同相位，减小同步并网时的电流冲击。

其中，利用相位PI控制器计算频率的过程可以通过下式获得：

${\mathrm{\ω}}_2^{*}=k_p\·({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M)+k_i\·\mathrm{T\Σ}({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M)---\left(6\right)$

θ_G为电网电压相位，θ_M为变频器输出的三相电压相位，T为中断周期，kp，ki为控制参数。

将第一转速作为转速PI控制器的给定值，变频器的输出电压频率即电机转速作为PI控制器的反馈值，通过转速PI控制器计算出一个转矩电流给定累加到正常的变频交流给定上确定第一电流。

需要说明的是，转速PI控制器的给定由两部分组成，其一为正常的矢量控制频率给定，在同步并网时其为工频频率，为固定值50Hz；其二为相位PI控制器的输出。

将第一电流作为转矩电流PI控制器的给定值，将转矩电流作为转矩电流PI控制器的反馈值，计算出转矩电压。

当变频器输出的三相电压和电网电压不同相时，电压相位PI控制器输出变化，引起转速PI控制器给定值和输出变化，进而引起转矩电流PI控制器给定值变化。当转矩电流增大或减小时，变频器输出的三相电压频率和相位也随之变化。因此通过电压相位PI控制环、转速PI控制环和转矩电流PI控制环这三个闭环系统即可控制变频器输出的三相电压频率、相位，使其不断趋近于电网电压频率、相位。其中，移相脉冲调制器根据三角载波调节内部的半导体控制模块的开度大小来控制变频器输出的三相电压，以实现同步并网的功能。

请参考图7，其示出了本发明实施例提供的一种电压幅值闭环控制原理的结构示意图。

将获得的电网电压幅值作为给定，获得的变频器输出的三相电压幅值作为反馈值，经过幅值PI控制器计算出一个励磁电流给定累加到正常的矢量控制励磁电流给定上作为第二电流，即形成一个变频器输出的三相电压幅值闭环PI控制，通过调节变频器励磁电流来控制变频器输出的三相电压幅值，使其满足同步并网时与电网电压同幅值的的条件。

利用电流采集器获取变频器的输出电流，其中，本发明实施例中采用的电流采集器为电流霍尔传感器，将电流霍尔传感器及AD转换器获得变频器输出电流，将电流通过第二变换器进行变换，将其由三相静置坐标变化到两相旋转坐标下，其变换后的分量I_d和I_q分别作为励磁电流和转矩电流，其中励磁电流I_d作为励磁电流PI控制器的反馈值，转矩电流I_q作为转矩电流PI控制器的反馈值。其中，图8示出了本发明实施例中三相坐标、α、β坐标、同步旋转d、q坐标变换的关系图。

需要说明的是，变频器输出的三相电压的幅值是通过励磁电流PI控制器来调节的。其中，励磁电流PI控制器的给定值由两部分组成，其一为矢量控制励磁电流给定，其二为幅值PI控制器的输出。在矢量控制中，励磁电流给定可以按电机互感值的倒数直接给定，也可以由磁链控制器来给定。当励磁电流给定通过磁链控制器来获得时，电压幅值PI控制器的输出可以附加到磁链给定上也可以直接附加到励磁电流给定上，这同样属于本发明实施例的范畴。

将第二电流作为励磁电流PI控制器的给定值，将励磁电流作为励磁电流PI控制器的反馈值，计算出励磁电压。

将励磁电压与转矩电压通过第一变换器，将两相旋转坐标转换到三相静止坐标，其过程如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_d\cos \mathrm{\θ}-U_q\sin \mathrm{\θ}\\ U_{\mathrm{\β}}=U_q\cos \mathrm{\θ}+U_d\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=U_{\mathrm{\α}}\\ U_B=-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\\ U_C=-U_A-U_B\end{array}\right.---\left(8\right)$

根据转矩电压和励磁电压，第一变换器进行变换后得到三相正弦调制波，将三相正弦调制波与经过移相调制的三角载波进行对比，通过移相PWM对三相正弦调制波进行移相，并通过三相正弦调制波的电压幅值、相位和频率与变频器输出的三相电压幅值、相位和频率间的关系，控制变频器的输出电压。图9示出了本发明实施例中变频器输出的三相电压多电平PWM控制的波形图。当变频器的输出电压与所获得的三相正弦调制波的电压达到同频。当变频器的输出电压和电网电压同频同相同幅值时，第三开关电路闭合，控制转矩电流和励磁电流不断减小，电机负载逐渐由变频器转换到电网，并断开第一开关电路和第二开关电路，以实现变频器与电网同步拖动电机运行。图10示出了本发明实施例中变频器与电网并网端的开关电路的结构示意图。需要说明的是，当电网电压和变频器输出的三相电压的频率误差在±1Hz、相位误差在±3度、幅值误差在±5％时，第三开关电路闭合，变频器和电网共同拖动电机运行。其中，图11示出了本发明实施例提供的变频器与电网实现并网时的电流波形图。

需要说明的是，移相对于N级级联系统，各级的三角载波依次移相180°/N，即需要移动1/2个周期。

同时，在实现变频器与电网的并网过程中，需要通过变频器的输出电流获取转矩电流和励磁电流，并将励磁电流和转矩电流分别作为励磁电流PI控制器和转矩电流PI控制器的反馈值，以通过PI控制器来循环控制三相正弦调制波的电压。需要说明的是，在进行三相正弦调制波的控制过程中，变频器的输出电流也在不断随着变频器输出的三相电压的变化而变化，即通过励磁电流和转矩电流来控制变频器输出电流逐渐减小，将电机由变频器平滑转移到电网侧。

其中，在本发明实施例提供的一种同步并网的方法中，采用了H桥级联型高压变频器，H桥级联型高压变频器的结构示意图如图12所示。同时采用移相PWM调制方法，在为了保证变频器输出电压幅值足够实现并网的前提下，本发明中的并网高压变频器需要非并网变频器多串联一级单元模块。

本发明实施例提供的同步并网的系统中，在变频器与第二开关电路的连接线上增加了电感线圈，用以控制电流采集器对电流获取过程中阻碍变频器输出的交流电流。

需要说明的是，在变频器和电机并联拖动电机运行时，将转矩电流PI控制器和励磁电流PI控制器的给定值慢慢减小，通过这两个电流控制器控制变频器输出电流逐渐减小，这样变频器输出功率逐渐减小而电网输出功率慢慢增大，同时电网到电机的电流慢慢增大，而电机的整体输入电流保持稳定，负载从变频器侧逐渐转移到电网侧，变频器侧电流逐渐减小，电网电流逐渐增加，没有突增突减波动，即整个过程变频器侧、电网侧电流变化平滑，电机电流稳定，保证了同步并网的安全可靠。

当变频器输出电流减小到额定输出电流的5％左右时，首先变频器停机，以防止变频器过流故障，然后断开变频器，将第一开关电路和第二开关电路开通，并网结束。

本发明提供的同步并网方法，利用变频器输出的三相电压、变频器输出电流电机转速及电网电压构建了一个循环控制回路，在循环控制回路中通过变频器输出电流、电机转速、电网电压和变频器输出的三相电压共同控制变频输出电压的大小，以使变频器输出的三相电压与电网电压相等，达到同频、同相和同幅值，使变频器和电网在并网过程中电流变换平滑，减小了电流的冲击，保证了同步并网的安全可靠性。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种同步并网系统，其特征在于，所述系统包括：

第一电压采集器、第二电压采集器、电流采集器、转速采集器、第一锁相环、第二锁相环、相位PI控制器、转速PI控制器、转矩电流PI控制器、幅值PI控制器、励磁电流PI控制器、第一变换器、第二变换器、移相脉冲调制器、变频器、第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路；

所述第一电压采集器的第一端与电网相连，所述第一电压采集器的第二端与所述第一锁相环的第一端相连；所述第一锁相环的第二端与所述相位PI控制器的第一端相连；所述相位PI控制器的第二端与所述转速PI控制器的第一端相连；所述转速PI控制器的第二端与所述转矩电流PI控制器的第一端相连；所述转矩电流PI控制器的第二端与所述第一变换器的第一端相连；所述第一变换器的第二端与所述移相脉冲调制器的第一端相连，所述移相脉冲调制器的第二端与所述变频器相连；

所述第二电压采集器的第一端与所述变频器相连，所述第二电压采集器的第二端与所述第二锁相环的第一端相连；所述第二锁相环的第二端与所述幅值PI控制器的第一端相连；所述幅值PI控制器的第二端与所述励磁电流PI控制器的第一端相连；所述励磁电流PI控制器的第二端与所述第一变换器的第一端相连；所述第一变换器的第二端与所述移相脉冲调制器的第一端相连；所述移相脉冲调制器的第二端与所述变频器相连；

所述电流采集器的第一端与所述变频器相连，所述电流采集器的第二端与所述第二变换器的第一端相连；所述第二变换器的第二端分别与所述励磁电流的第一端相连及所述转矩电流的第一端相连；

所述转速采集器的第一端与所述电网相连，所述转速采集器的第二端与所述转速PI控制器相连；

所述第一开关电路的第一端与所述电网的第一端相连，所述第一开关电路的第二端与所述变频器的第一端相连，所述变频器的第二端与所述第二开关电路的第一端相连，所述第二开关电路的第二端与所述电网的第二端相连；

所述第三开关电路的第一端与所述电网的第一端相连，所述第三开关的第二端与所述电网的第二端相连；

当所述变频器的输出电压和所述电网电压同频同相同幅值时，所述第三开关电路闭合，控制所述转矩电流和所述励磁电流不断减小，电机负载逐渐由所述变频器转换到所述电网，并断开所述第一开关电路和所述第二开关电路。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一锁相环包括：

第三变换器、第一PI调节器和第一积分器；

所述第三变换器的第一端与所述第一电压采集器相连，所述第三变换器的第二端同时与所述第一PI调节器的第一端及所述幅值PI控制器的第一端相连，所述第一PI调节器的第二端与所述第一积分器的第一端相连，所述第一积分器的第二端与所述相位PI控制器的第一端相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二锁相环包括：

第四变换器、第二PI调节器和第二积分器；

所述第四变换器的第一端与所述第二电压采集器相连，所述第四变换器的第二端同时与所述第二PI调节器的第一端及所述相位PI控制器的第一端相连，所述第二PI调节器的第二端与所述第二积分器的第一端相连，所述第二积分器的第二端与所述幅值PI控制器的第一端相连。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电感线圈，所述电感线圈位于所述变频器与所述第二开关电路的连接线上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集器具体为霍尔传感器和AD转换器。

6.一种同步并网方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的系统中，所述方法包括：

在所述第一开关电路和所述第二开关电路闭合的情况下，所述第一电压采集器获取电网三相电压；所述第二电压采集器获取变频器输出的三相电压；所述电流采集器获取所述变频器输出三相电流；所述转速采集器获取所述电机转速；

所述第一锁相环对电网电压进行锁相获取电网电压相位和电网电压幅值，所述第二锁相环对变频器电压进行锁相获取变频器电压相位和变频器电压幅值；

所述相位PI控制器将所述电网电压相位作为给定值，所述变频器电压相位作为反馈值，计算出一个频率给定累加到正常的所述变频器频率给定上确定第一转速；

所述转速PI控制器将所述第一转速作为给定值，所述电机转速作为反馈值，计算出一个转矩电流给定累加到所述正常的变频器电流给定上确定第一电流；

所述第二变换器将所述变频器输出三相电流转化为转矩电流和励磁电流；

所述转矩电流PI控制器将所述第一电流作为给定值，将所述转矩电流作为反馈值，计算出转矩电压；

所述幅值PI控制器将所述电网电压幅值作为给定值，将所述变频器电压幅值作为反馈值，计算出励磁电流给定，并累加到矢量控制励磁电流给定上作为第二电流；

所述励磁电流PI控制器将所述第二电流作为给定值，将所述励磁电流作为反馈值，计算出励磁电压；

所述第一变换器根据所述转矩电压和所述励磁电压获取三相正弦调制波；

将所述三相正弦调制波进行移相，在移相之后将所述三相正弦调制波与三角载波进行对比，控制所述变频器的输出电压；

当所述变频器的输出电压和所述电网电压同频同相同幅值时，所述第三开关电路闭合，控制所述转矩电流和所述励磁电流不断减小，电机负载逐渐由所述变频器转换到所述电网，并断开所述第一开关电路和所述第二开关电路。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一变换器将所述转矩电压与所述励磁电压按照下述公式获取三相交流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_d\cos \mathrm{\θ}-U_q\sin \mathrm{\θ}\\ U_{\mathrm{\β}}=U_q\cos \mathrm{\θ}+U_d\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=U_{\mathrm{\α}}\\ U_B=-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{\α}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{U}_{\mathrm{\β}}\\ U_C=-U_A-U_B\end{array}\right.;$

其中，U_A、U_B、U_c分别为A相、B相和C相电压，θ为变频器电压相位，U_d为励磁电压，U_q为转矩电压。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二锁相环对变频器电压进行锁相，按照下述公式获取所述变频器电压幅值：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_A\\ U_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(U_A+2U_B)\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d=U_{\mathrm{\α}}\cos \mathrm{\θ}+U_{\mathrm{\β}}\sin \mathrm{\θ}\\ U_q=U_{\mathrm{\β}}\cos \mathrm{\θ}-U_{\mathrm{\α}}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.;$

$U=\sqrt{U_d^2+U_q^2};$

其中，U_A、U_B分别为A相和B相电压，θ为变频器电压相位，U_d为励磁电压，U_q为转矩电压，U为变频器电压幅值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述相位PI控制器将所述电网电压相位作为给定值，所述变频器电压相位作为反馈值，按照下述公式计算出一个频率给定：

${\mathrm{\ω}}_2^{*}=k_p\·({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M)+k_i\·\mathrm{T\Σ}({\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_M);$

其中，θ_G为电网电压相位，θ_M为变频器输出的三相电压相位，T为周期，kp、ki为控制参数。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在移相之后将所述三相正弦调制波与三角载波进行对比，控制所述变频器的输出电压包括：

所述移相脉冲调制器根据所述三角载波调节内部的半导体控制模块的开度大小改变所述变频器输出的三相电压。