CN111711225B - 三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统 - Google Patents

三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统 Download PDF

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CN111711225B CN202010469559.4A CN202010469559A CN111711225B CN 111711225 B CN111711225 B CN 111711225B CN 202010469559 A CN202010469559 A CN 202010469559A CN 111711225 B CN111711225 B CN 111711225B
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Abstract

本发明提供了一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统，其可以使得三相逆变电源从并网模式平滑切换到离网模式进行单相供电，方法包括以下步骤：步骤1：采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端电压；步骤2：根据步骤1中采集到的输出端电压来判断三相并网逆变器当前的工作状态，当输出电压在安全规范内，执行步骤3，当输出电压不在安全电压范围内，执行步骤4；步骤3：运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出,返回步骤1；步骤4：运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压为负载进行供电。

Description

三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，具体为一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统。
背景技术
当前，我国风电、光伏发电、太阳能热利用的市场规模都位居全球首位，并建成具有国际竞争力的产业体系，关键核心技术实力明显增强，可再生能源发电的经济性显著提高。
我国光伏产业发展成绩斐然，但用户对光伏应用需求也日益增加，如微电网，在庞大的电网系统中，微电网可以被视为其中的可控单元，能够在很短的时间内进行动作，这样便可降低损耗，又不影响网电能质量，平稳电压，从而使供电域内系统的可靠性有了显著提高。同时，微电网系统能以UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible PowerSupply)的形式来对用户进行电能的供应，满足了相关领域的特定需求。
微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。将分布式电源组成微电网的形式运行，具有多方面的优点，例如：①有助于提高配电系统对分布式电源的接纳能力。②可有效提高间歇式可再生能源的利用效率，在满足冷/热/电等多种负荷需求的前提下实现用能优化；亦可降低配电网络损耗，优化配电网运行方式。③在电网严重故障时，可保证关键负荷供电，提高供电可靠性。④可用于解决偏远地区、海岛和荒漠中用户的供电问题。
微电网的运行过程分为并网和离网两种模式，并网运行模式下，微电网的电压和频率都由大电网支撑，各微源均采用P/Q控制模式；在离网运行模式下，微电网的电压和频率将受到主源控制，各主源采用V/F控制模式。在并网模式中，当出现电网断电或者异常时，要及时与电网断开，在电网恢复正常后，又要能够自动恢复并网，实现无人值守，使得微网的运行模式切换对负载及电网的扰动最小，是实现分布式能源利用率最大化的关键控制技术，因此对于微电网的三相逆变电源平滑切换单相供电的需求越来越迫切。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法及系统，其可以使得三相逆变电源从并网模式平滑切换到离网模式进行单相供电，其操作简单灵活，无须修改硬件电路，软件底层配置，为系统节约硬件成本和降低软件风险。
其技术方案是这样的：一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端电压；
步骤2：根据步骤1中采集到的输出端电压来判断三相并网逆变器当前的工作状态，当输出电压在安全规范内，执行步骤3，当输出电压不在安全电压范围内，执行步骤4；
步骤3：运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出,返回步骤1；
步骤4：运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压为负载进行供电。
进一步的，在步骤4中，输出的离网电压由选取的RST三相中两相电压相减得到，选取的RST三相中两相的电压分别通过三相幅值换算系数和三相换算角度计算得到。
进一步的，在步骤4中，RST三相的每一相的电压通过如下公式计算：
Figure BDA0002513860150000021
其中，
Figure BDA0002513860150000022
分别为R、S、T三相的参考电压；kr、ks、kt分别为三相幅值换算系数，
Figure BDA0002513860150000023
分别为三相换算角度；URef＝V*k， k＝sqrt(2)，θ＝wt＝2*π*F*t，其中w为旋转角速度，t为三相并网逆变器开关周期时间常数，F为单相离网模式下设定的电压频率，V为单相离网模式下设定的电压幅值；
设定按照S、T相来取得离网电压
Figure BDA0002513860150000024
对应通过kt与
Figure BDA0002513860150000025
Figure BDA0002513860150000026
与ks，计算S、T相的电压
Figure BDA0002513860150000027
则取kr＝0，可得：
Figure BDA0002513860150000028
由于存在离网电压Uoffline＝URef×sinθ，简化得到：
Figure BDA0002513860150000029
由于
Figure BDA00025138601500000210
可得
Figure BDA00025138601500000211
故得：
Figure BDA0002513860150000031
通过配置kt与
Figure BDA0002513860150000032
与ks，得到离网电压
Figure BDA0002513860150000033
选取R、T相时，通过
Figure BDA0002513860150000034
与kr、kt与
Figure BDA0002513860150000035
计算R、T相的电压
Figure BDA0002513860150000036
离网电压为
Figure BDA0002513860150000037
选取R、S相时，通过
Figure BDA0002513860150000038
与kr、ks与
Figure BDA0002513860150000039
计算R、S相的电压
Figure BDA00025138601500000310
离网电压表示为
Figure BDA00025138601500000311
一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，包括电连接的三相并网逆变器、电网以及储能电池、分布式电源，其特征在于，还包括与三相并网逆变器通讯连接的：
信号采集单元，用于采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端的电压信息；
控制单元，所述控制单元根据所述信号采集单元采集的输出端电压，判断三相逆变电源的工作状态，当输出电压在安全规范内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出；当输出电压不在安全电压范围内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压，用于为负载进行供电。
进一步，所述信号采集单元包括电压传感器和电流传感器，所述信号采集单元通过电压传感器检测三相并网逆变器的输出端的电压，所述信号采集单元通过电流传感器检测三相并网逆变器的输出端的电流。
进一步，还包括电压转换单元，所述电压转换单元连接所述信号采集单元和所述控制单元，用于将所述电压转换单元采集的三相并网逆变器的输出端电压转换电压幅值大小后输入所述控制单元。
进一步的，所述控制单元采用DSP芯片或者FPGA芯片，所述控制单元依据V/F控制逻辑，输出电流控制信号或电压控制信号，根据所述电流控制信号或电压控制信号得到的PWM信号进行控制。
进一步的，所述三相并网逆变器基于IGBT器件构建。
本发明的三相逆变电源切换供电单相负荷的方法和系统基于现有的三相机硬件电路，其可以使得三相逆变电源从并网模式平滑切换到离网模式进行单相供电，无须修改硬件电路，软件底层配置，为系统节约硬件成本和降低软件风险，本发明的方法操作简单，可以灵活配置相关变量，能很好兼容现有的程序系统、方便移植，实际测试效果明显，良好的实现三相逆变电源平滑切换供电单相负荷，此外，本发明的三相逆变电源切换供电单相负荷的方法和系统，可以在无N线情况下，也能实现单相供电，降低了系统的硬件成本。
附图说明
图1为本发明的三相逆变电源平滑切换单相供电的方法的流程示意图；
图2为本发明的三相逆变电源切换供电单相负荷的系统的组成框图；
图3为案例1的仿真结果示意图；
图4为案例2的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、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。
见图1，一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法，包括以下步骤：
步骤1：采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端电压；
步骤2：根据步骤1中采集到的输出端电压来判断三相并网逆变器当前的工作状态，当输出电压在安全规范内，执行步骤3，当输出电压不在安全电压范围内，执行步骤4；
步骤3：运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出,返回步骤1；
步骤4：运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压为负载进行供电。
在步骤4中，输出的离网电压由选取的RST三相中两相电压相减得到，选取的RST三相中两相的电压分别通过三相幅值换算系数和三相换算角度计算得到。
具体在本实施例中，RST三相的每一相的电压通过如下公式计算：
Figure BDA0002513860150000051
其中，
Figure BDA0002513860150000052
分别为R、S、T三相的参考电压；kr、ks、kt分别为三相幅值换算系数，
Figure BDA0002513860150000053
分别为三相换算角度；URef＝V*k， k＝sqrt(2)，θ＝wt＝2*π*F*t，其中w为旋转角速度，t为三相并网逆变器开关周期时间常数，F为单相离网模式下设定的电压频率，V为单相离网模式下设定的电压幅值；
设定按照S、T相来取得离网电压Uoffline，
Figure BDA0002513860150000054
对应通过设定kt与
Figure BDA0002513860150000055
与ks，计算S、T相的电压
Figure BDA0002513860150000056
则取kr＝0，可得：
Figure BDA0002513860150000057
其中，
Figure BDA0002513860150000058
Figure BDA0002513860150000059
由于存在离网电压Uoffline＝URef×sinθ，简化得到：
Figure BDA00025138601500000510
情况1：当采集相同的三相幅值换算系数相同，设定ks＝kt＝k(k*∈(0,1))，当
Figure BDA00025138601500000511
取任意时，结合上式，可得
Figure BDA00025138601500000512
或
Figure BDA00025138601500000513
由于ST相合成离网电压，
Figure BDA00025138601500000514
不合理，可得
Figure BDA00025138601500000515
Figure BDA00025138601500000516
可得：
Figure BDA0002513860150000061
对应可得：
Figure BDA0002513860150000062
对应得到kt与
Figure BDA0002513860150000063
与ks的表达式：
Figure 1
通过配置kt与
Figure BDA0002513860150000065
与ks，可以得到S、T相的电压
Figure BDA0002513860150000066
离网电压Uoffline表示为
Figure BDA0002513860150000067
同时本发明所提供方法不局限于当前方法，在实际操作过程中，可以采用不同的ks与 kt来实现，其衍生方式均可以通过上述推导与数学关系来确定，在此不再具体衍生推导。
情况2：当采集相同的三相幅值换算系数不同，由
Figure BDA0002513860150000068
可得：
Figure BDA0002513860150000069
由于
Figure BDA00025138601500000610
可得
Figure BDA00025138601500000611
故得：
Figure BDA00025138601500000612
所以存在：
Figure BDA00025138601500000613
Figure BDA0002513860150000071
Figure BDA0002513860150000072
所以可得：
Figure BDA0002513860150000073
最后得到kt与
Figure BDA0002513860150000074
与ks的表达式：
Figure BDA0002513860150000075
通过配置kt与
Figure BDA0002513860150000076
与ks，可以得到S、T相的电压
Figure BDA0002513860150000077
离网电压Uoffline表示为
Figure BDA0002513860150000078
所以存在：
Figure RE-GDA0002636527540000079
对应给定参考信息量，存在离网电压
Figure BDA00025138601500000710
以上证明本专利所提供方法推导正确。
同时本专利所提供方法不局限于选取的ST相，选取R、T相时，通过
Figure BDA00025138601500000711
与kr、kt与
Figure BDA00025138601500000712
计算R、T相的电压
Figure BDA00025138601500000713
离网电压为
Figure BDA00025138601500000714
选取R、S相时，通过
Figure BDA0002513860150000081
与kr、ks
Figure BDA0002513860150000082
计算R、S相的电
Figure BDA0002513860150000083
离网电压表示为
Figure BDA0002513860150000084
在实际操作过程中，可以通过上述推导与数学关系推广到其他任意相组合关系，在此不再具体任意组合推导。
本发明的三相逆变电源平滑切换单相供电的方法，具体为通过检测外接输出端电压信息，根据输出端电压信息，确定当前逆变器是否在线，当确定处于离线状态，控制器根据预先制定的相序关系产生单相电压输出规则而调整控制器，控制器根据输出信号作用到三相逆变硬件电路上，实现供电单相负荷。
以下给出选取S、T相时的实际案例验证本实施例中的三相逆变电源切换供电单相负荷的方法。
案例1：
Figure BDA0002513860150000085
Figure 2
得：
Figure BDA0002513860150000087
Figure BDA0002513860150000091
图3为仿真结果示意图，左上图是设定的输出离网参考电压波形，右上图是R,S,T三相对直流母线中点的输出电压波形，左下是ST两相作为单相输出的电压波形，右下是参考给定与实际输出的电压偏差。
案例2：ks＝kt＝k，当
Figure BDA0002513860150000092
得：
Figure BDA0002513860150000093
可得
Figure BDA0002513860150000094
计算得到：
Figure BDA0002513860150000095
其中，
sin(θ-60°)-sin(θ-120°)
＝sinθ×cos60°-cosθ×sin60°-(sinθ×cos120°-cosθ×sin120°)
＝sinθ×cos60°-cosθ×sin60°-sinθ×cos120°+cosθ×sin120°
＝sinθ×(cos60°-cos120°)-cosθ×(sin60°-sin120°)＝sinθ
图4为仿真结果示意图，左上图是设定的输出离网参考电压波形，右上图是R,S,T三相对直流母线中点的输出电压波形，左下是ST两相作为单相输出的电压波形，右下是参考给定与实际输出的电压偏差。
见图2，在本发明的实施例中，还提供了一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，包括电连接的三相并网逆变器1、电网2、储能电池3、分布式电源7，三相并网逆变器1基于IGBT器件构建，还包括与三相并网逆变器1通讯连接的：
信号采集单元4，用于采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端的电压信息；
控制单元5，控制单元5根据信号采集单元4采集的输出端电压，判断三相逆变电源的工作状态，当输出电压在安全规范内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出；当输出电压不在安全电压范围内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行单相离网模式，按照V/F 控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压，用于为负载8进行供电。
具体的，信号采集单元4包括电压传感器和电流传感器，信号采集单元4通过电压传感器检测三相并网逆变器的输出端的电压，信号采集单元通过电流传感器检测三相并网逆变器的输出端的电流。
由于控制单元使用的是DSP芯片，其片上自带的A/D转换器是单极性的，只能接收0～3.3V的电压信号，故系统还包括电压转换单元6，，对采集的电压进行转换，这样才能和DSP相连接，电压转换单元6连接信号采集单元4和控制单元5，用于将电压转换单元6采集的三相并网逆变器的输出端电压转换电压幅值大小后输入控制单元5。
在本实施例中，控制单元4采用DSP芯片或者FPGA芯片，dsp型号可以采用TI的TMS320F28379，控制单元4依据V/F控制逻辑，输出电流控制信号或电压控制信号，根据电流控制信号或电压控制信号得到的PWM信号进行控制。
本发明的三相逆变电源切换供电单相负荷的方法和系统，基于现有的三相机硬件电路，其可以使得三相逆变电源从并网模式平滑切换到离网模式进行单相供电，无须修改硬件电路，软件底层配置，为系统节约硬件成本和降低软件风险，本发明的方法操作简单，可以灵活配置相关变量，能很好兼容现有的程序系统、方便移植，实际测试效果明显，良好的实现三相逆变电源平滑切换供电单相负荷，此外，本发明的三相逆变电源切换供电单相负荷的方法和系统，可以在无N线情况下，也能实现单相供电，降低了系统的硬件成本。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (6)

1.一种三相逆变电源平滑切换单相供电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端电压；
步骤2：根据步骤1中采集到的输出端电压来判断三相并网逆变器当前的工作状态，当输出电压在安全规范内，执行步骤3，当输出电压不在安全电压范围内，执行步骤4；
步骤3：运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出,返回步骤1；
步骤4：运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压为负载进行供电；
在步骤4中，输出的离网电压由选取的RST三相中两相电压相减得到，选取的RST三相中两相的电压分别通过三相幅值换算系数和三相换算角度计算得到；
在步骤4中，RST三相的每一相的电压通过如下公式计算：
Figure FDA0003347902810000011
其中，
Figure FDA0003347902810000012
分别为R、S、T三相的参考电压；kr、ks、kt分别为三相幅值换算系数，
Figure FDA0003347902810000013
分别为三相换算角度；URef＝V*k，k＝sqrt(2)，θ＝wt＝2*π*F*t，其中w为旋转角速度，t为三相并网逆变器开关周期时间常数，F为单相离网模式下设定的电压频率，V为单相离网模式下设定的电压幅值；
设定按照S、T相来取得离网电压Uoffline，
Figure FDA0003347902810000014
对应通过kt与
Figure FDA0003347902810000015
Figure FDA0003347902810000016
与ks，计算S、T相的电压
Figure FDA0003347902810000017
则取kr＝0，可得：
Figure FDA0003347902810000018
由于存在离网电压Uoffline＝URef×sinθ，简化得到：
Figure FDA0003347902810000019
由于
Figure FDA00033479028100000110
可得
Figure FDA00033479028100000111
故得：
Figure FDA0003347902810000021
通过配置kt与
Figure FDA0003347902810000022
与ks，得到离网电压
Figure FDA0003347902810000023
选取R、T相时，通过
Figure FDA0003347902810000024
与kr、kt与
Figure FDA0003347902810000025
计算R、T相的电压
Figure FDA0003347902810000026
离网电压为
Figure FDA0003347902810000027
选取R、S相时，通过
Figure FDA0003347902810000028
与kr、ks与
Figure FDA0003347902810000029
计算R、S相的电压
Figure FDA00033479028100000210
离网电压表示为
Figure FDA00033479028100000211
2.一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，包括电连接的三相并网逆变器、电网以及储能电池、分布式电源，其特征在于，还包括与三相并网逆变器通讯连接的：
信号采集单元，用于采集三相逆变电源的三相并网逆变器的输出端的电压信息；
控制单元，所述控制单元根据所述信号采集单元采集的输出端电压，判断三相逆变电源的工作状态，当输出电压在安全规范内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行三相并网模式，三相并网逆变器按照P/Q控制逻辑，实现供电输出；当输出电压不在安全电压范围内，控制单元给出控制信号，控制三相并网逆变器运行单相离网模式，按照V/F控制逻辑，以设定的电压幅值V与频率F输出交流负荷供电，从RST三相中取任意两相的电压，产生单相的离网电压，用于为负载进行供电；
输出的离网电压由选取的RST三相中两相电压相减得到，选取的RST三相中两相的电压分别通过三相幅值换算系数和三相换算角度计算得到；
RST三相的每一相的电压通过如下公式计算：
Figure FDA00033479028100000212
其中，
Figure FDA00033479028100000213
分别为R、S、T三相的参考电压；kr、ks、kt分别为三相幅值换算系数，
Figure FDA00033479028100000214
分别为三相换算角度；URef＝V*k，k＝sqrt(2)，θ＝wt＝2*π*F*t，其中w为旋转角速度，t为三相并网逆变器开关周期时间常数，F为单相离网模式下设定的电压频率，V为单相离网模式下设定的电压幅值；
设定按照S、T相来取得离网电压Uoffline，
Figure FDA0003347902810000031
对应通过kt与
Figure FDA0003347902810000032
Figure FDA0003347902810000033
与ks，计算S、T相的电压
Figure FDA0003347902810000034
则取kr＝0，可得：
Figure FDA0003347902810000035
由于存在离网电压Uoffline＝URef×sinθ，简化得到：
Figure FDA0003347902810000036
由于
Figure FDA0003347902810000037
可得
Figure FDA0003347902810000038
故得：
Figure FDA0003347902810000039
通过配置kt与
Figure FDA00033479028100000310
与ks，得到离网电压
Figure FDA00033479028100000311
选取R、T相时，通过
Figure FDA00033479028100000312
与kr、kt与
Figure FDA00033479028100000313
计算R、T相的电压
Figure FDA00033479028100000314
离网电压为
Figure FDA00033479028100000315
选取R、S相时，通过
Figure FDA00033479028100000316
与kr、ks与
Figure FDA00033479028100000317
计算R、S相的电压
Figure FDA00033479028100000318
离网电压表示为
Figure FDA00033479028100000319
3.根据权利要求2所述的一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，其特征在于：所述信号采集单元包括电压传感器和电流传感器，所述信号采集单元通过电压传感器检测三相并网逆变器的输出端的电压，所述信号采集单元通过电流传感器检测三相并网逆变器的输出端的电流。
4.根据权利要求2所述的一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，其特征在于：还包括电压转换单元，所述电压转换单元连接所述信号采集单元和所述控制单元，用于将所述电压转换单元采集的三相并网逆变器的输出端电压转换电压幅值大小后输入所述控制单元。
5.根据权利要求2所述的一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，其特征在于：所述控制单元采用DSP芯片或者FPGA芯片，所述控制单元依据V/F控制逻辑，输出电流控制信号或电压控制信号，根据所述电流控制信号或电压控制信号得到的PWM信号进行控制。
6.根据权利要求2所述的一种三相逆变电源切换供电单相负荷的系统，其特征在于：所述三相并网逆变器基于IGBT器件构建。
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