一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统及其切换方法

摘要

本发明公开了一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统及其切换方法。系统包括移动切换装置和切换组，切换组包括由电网各相上的接触器组成的开关组以及自锁电路，开关组中电网三相的接触器并联，隔离变压器、电压采集电路和开关组连接到电网上，单相逆变器分别与隔离变压器、电压和电流采集电路、滤波器以及自锁电路连接，电压采集电路和滤波器均通过并网接触器与负载连接，电流采集电路与负载连接。电压、电流采集电路采集各个切换组和逆变器的电压电流信号并汇总到单相逆变器中，然后输出切换控制信号到切换组的自锁电路，控制各相接触器，完成后由自锁电路保持接触器的状态。本发明实现切换过程中对负载不会产生冲击电流，完成无跳动柔性切换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性切换系统及其切换方法，尤其是涉及一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统及其切换方法。

背景技术

随着我国经济发展，人们的生活水平得到很大的提高，用电设备的类型越来越多且功率各有不同。伴随单相负载的大量应用，且各负荷的使用时间具有不定性等原因，导致三相四线制配电系统出现了严重的三相不平衡运行状态。

当三相负载不平衡运行时，负序分量会给供电系统和用户带来极大的危害，主要体现在以下几点：1、增加线路的电能损耗；2、增加配电变压器的电能损耗；3、减少配电变压器出力；4、降低电动机效率；5、影响用电设备的安全运行。三相负载不平衡运行时，三相输出电流也不平衡，造成中性线上有电流通过，导致中性点漂移，使各相相电压发生变化，这样就很容易造成电压高的一相所带的用户用电设备被烧坏，而电压低的一相所带的用户的用电设备可能无法正常使用。且中性线有电流通过，这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。为此，配变在三相负载不平衡时运行，其输出的容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。

随着全控型功率器件的高频调制技术的快速发展和不断完善，开关型逆变器技术无论在电路的基本形式和控制的基本方面都已趋于成熟，且逆变器在可再生能源并网发电中的运用和技术开发已经取得长足发展，为本设计提供了充足的理论基础。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统及其切换方法，针对三相配电系统，当三相出现严重不平衡时，将设备在三相间进行柔性切换，使其尽量达到三相平衡。切换时单相逆变器会跟踪原接相和将要切换相的相位、幅值，因此切换过程中不会产生冲击电流，实现“无跳动柔性切换”。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统的切换方法：

柔性切换系统包括并联到电网上的移动切换装置和切换组，负载分别经移动切换装置和切换组连接电网，其特征在于：移动切换装置包括隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、单相逆变器、滤波器、并网接触器，切换组包括由串联到电网各相上的接触器组成的开关组以及与开关组连接进行控制的自锁电路；开关组中电网的A、B、C三相的接触器并联，隔离变压器、电压采集电路和开关组连接到电网上，单相逆变器分别与隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、滤波器和自锁电路连接，电压采集电路和滤波器均通过并网接触器与负载连接，电流采集电路与负载连接；

系统电压采集电路、电流采集电路分别实时监测电网各相电压、电流的大小，进行三相的不平衡度及负载功率的运算，假设B相功率负荷最大、电压出现明显下降，C相功率负荷最小，满足三相不平衡切换条件，需要将负载由B相切换到C相，系统按以下步骤进行切换：

1）确定负载当前所在相为B相，电压采集电路采集B相的电压信号，电流采集电路采集负载的电流信号，B相的电压信号和负载的电流信号经单相逆变器和滤波器滤波产生滤波后的电压、电流信号；

2）以B相的电压信号作为参考对B相的幅值、相位进行跟踪，以滤波后的电压、电流信号作为反馈信号，构成双闭环控制，产生PWM的驱动信号，使得单相逆变器输出的电压波形经滤波器滤波后为稳定的正弦波；

3）当第2）步输出的正弦波和B相的电压同幅值同相位时，闭合并网接触器KM，将单相逆变器与B相并网给负载供电；

4）单相逆变器输出切换信号到自锁电路，断开开关组中的B相接触器，由单相逆变器给负载供电；

5）对于C相重复步骤1）～2）采用与B相相同的切换方式，产生C相稳定的正弦波；

6）当第5）步输出的C相的正弦波和C相的电压同幅值同相位时，单相逆变器的输出切换信号到自锁电路，闭合开关组中的C相接触器，将单相逆变器与B相并网给负载供电；

7）断开单相逆变器并网接触器，完成B-C相的整个切换过程。

对于连接在电网中的各个负载，所述的移动切换装置通过监测A、B、C三相的电压、各个切换组的电流大小，运用公式功率=电压*电流计算每切换组功率大小、三相不平衡度，判断是否需要切换，确定要切换哪组负载，然后进行切换；一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。

所述的单相逆变器，采用交-直-交电路结构，包括依次连接的不控整流电路、启动电阻、直流滤波电容、逆变电路和DSP控制板，DSP控制板与逆变电路连接并进行控制；并采用PWM调制，其输出经滤波器滤波产出稳定的正弦波，逆变器前有隔离变压器起到隔离的作用，以防短路对负载产出重大影响。

所述的电压采集电路，采集三相电压用于单相逆变器跟踪电网的电压；电流采集电路的输出电流采样用于闭环控制，控制单相逆变电源输出。

所述的切换组中的自锁电路为四路继电器触发式控制电路，具有自锁功能，控制并保持开关组中各相的接触器开启或者关闭的状态。

所述的滤波器为LC滤波器。

二、一种基于单相并网逆变器的柔性切换系统：

包括并联到电网上的移动切换装置和切换组，负载分别经移动切换装置和切换组连接电网；

移动切换装置包括：

包括用于将单相逆变器与电网隔离进行变压的隔离变压器；

包括用于采集电网电压信号的电压采集电路；

包括用于采集负载和单相逆变器的电流信号的电流采集电路；

包括用于接收电流信号和电网电压信号进而产生同步电流和电压然后进行柔性切换控制的单相逆变器，单相逆变器输出切换控制信号到切换组的自锁电路进行切换控制；

包括用于将单相逆变器输出信号进行滤波的滤波器；

包括用于接收单相逆变器的并网控制信号的并网接触器，并网接触器连接在滤波器与负载之间；

切换组包括：

包括由串联到电网各相上的接触器组成的开关组，开关组中电网的A、B、C三相的接触器输出端并联；

包括与开关组连接并控制各相接触器吸合的自锁电路；

所述隔离变压器、电压采集电路和开关组连接到电网上，单相逆变器分别与隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、滤波器和自锁电路连接，电压采集电路和滤波器均通过并网接触器与负载连接，电流采集电路与负载连接。

所述的单相逆变器，采用交-直-交电路结构，包括依次连接的不控整流电路、启动电阻、直流滤波电容、逆变电路和DSP控制板，DSP控制板与逆变电路连接并进行控制。

所述的滤波器为LC滤波器。

所述的自锁电路为四路继电器触发式控制电路，具有自锁功能，控制并保持开关组中各相的接触器开启或者关闭的状态。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明能使三相供电系统最终达到三相平衡的状态。由于是在单相逆变器输出电压和电网电压达到同幅值同相位后并网，因此切换过程中不会有冲击电流产出，实现了“无跳动柔性切换”。

附图说明

图1是本发明柔性切换系统的结构示意图。

图2是本发明柔性切换系统与各个负载连接的分组结构示意图。

图3是本发明单相逆变器的控制结构图。

图4是本发明单相逆变器的结构图。

图5是实施例的负载1切换波形图。

图6是实施例的负载1从A相到逆变器波形图。

图7是实施例的负载2从A相到并网波形图。

图8是实施例的负载2从并网到B相波形图。

图9是实施例的负载2切换逆变器电流电压波形图。

A：A相；B：B相；C：C相；N：中性线，亦称零线；1：负载1；2：负载2；3：负载3；KM₁₁：C相接触器；KM₁₂：B相接触器；KM₁₃：A相接触器；KM₁₄：零线接触器；T：隔离变压器；Switcher control：柔性切换装置；LC：滤波器；KM：逆变器并网接触器；IoS：电流采集电路；VoS：电压采集电路；VD1- VD 6：整流桥；VD7- VD 10:逆变桥；KM1.5：启动电阻旁路继电器；Cb：母线主电容；L1：滤波电感；C：滤波电容；R：负载； D_PWM：PWM驱动；K_i：电流调节器；K_u：电压调节；U_c：正弦波合成器；U_s：幅值给定；ω：电网电压信息；δ：相位给定。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明柔性切换系统的切换方法包括：其中柔性切换系统包括并联到电网上的移动切换装置和切换组，负载分别经移动切换装置和切换组连接电网，移动切换装置包括隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、单相逆变器、滤波器、并网接触器KM，切换组包括由串联到电网各相上的接触器组成的开关组以及与开关组连接进行控制的自锁电路；开关组中电网的A、B、C三相的接触器并联，隔离变压器、电压采集电路和开关组连接到电网上，单相逆变器分别与隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、滤波器和自锁电路连接，电压采集电路和滤波器均通过并网接触器KM与负载连接，电流采集电路与负载连接。

系统电压采集电路、电流采集电路分别实时监测电网各相电压、电流的大小，进行三相的不平衡度及负载功率的运算，假设B相功率负荷最大、电压出现明显下降，C相功率负荷最小，满足三相不平衡切换条件，需要将负载由B相切换到C相，系统按以下步骤进行切换：

1）确定负载当前所在相为B相，电压采集电路采集B相的电压信号，电流采集电路采集负载的电流信号，B相的电压信号和负载的电流信号经单相逆变器和滤波器滤波产生滤波后的电压、电流信号；

2）以B相的电压信号作为参考对B相的幅值、相位进行跟踪，以滤波后的电压、电流信号作为反馈信号，构成双闭环控制，产生PWM的驱动信号，使得单相逆变器输出的电压波形经滤波器滤波后为稳定的正弦波；

3）当第2）步输出的正弦波和B相的电压同幅值同相位时，闭合并网接触器KM，将单相逆变器与B相并网给负载供电；

4）单相逆变器输出切换信号到自锁电路，断开开关组中的B相接触器，由单相逆变器给负载供电；

5）对于C相重复步骤1）～2）采用与B相相同的切换方式，产生C相稳定的正弦波；

即为采集C相的电压信号并对C相的幅值、相位进行跟踪，以滤波后的电压、电流信号作为反馈信号，构成双闭环控制，产生PWM的驱动信号，使得单相逆变器输出的电压波形经滤波器滤波后为稳定的正弦波；

6）当第5）步输出的C相的正弦波和C相的电压同幅值同相位时，单相逆变器的输出切换信号到自锁电路，闭合开关组中的C相接触器，将单相逆变器与B相并网给负载供电；

7）断开单相逆变器并网接触器KM，完成B-C相的整个切换过程。

切换完成后，移动切换装置可以与切换组断开，用于对其他负载下的切换组的切换。

对于连接在电网中的各个负载，所述的移动切换装置通过监测A、B、C三相的电压、各个切换组的电流大小，运用公式功率=电压*电流计算每切换组功率大小、三相不平衡度，判断是否需要切换，确定要切换哪组负载，然后进行切换；一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。

如图3、图4所示，单相逆变器，采用交-直-交电路结构，包括依次连接的不控整流电路、启动电阻、直流滤波电容、逆变电路和DSP控制板，DSP控制板与逆变电路连接并进行控制；并采用全桥电路、PWM调制，其输出经滤波器滤波产出稳定的正弦波，逆变器前有隔离变压器起到隔离的作用，以防短路对负载产出重大影响。

电压采集电路，采集三相电压用于单相逆变器跟踪电网的电压；电流采集电路的输出电流采样用于闭环控制，控制单相逆变电源输出。

切换组中的自锁电路为四路继电器触发式控制电路，具有自锁功能，控制并保持开关组中各相的接触器开启或者关闭的状态。

滤波器为LC滤波器。

包括并联到电网上的移动切换装置和切换组，负载分别经移动切换装置和切换组连接电网。

移动切换装置包括：

包括用于将单相逆变器与电网隔离进行变压的隔离变压器；

包括用于采集电网电压信号的电压采集电路；

包括用于采集负载和单相逆变器的电流信号的电流采集电路；

包括用于接收电流信号和电网电压信号进而产生同步电流和电压然后进行柔性切换控制的单相逆变器，单相逆变器输出切换控制信号到切换组的自锁电路进行切换控制；

包括用于将单相逆变器输出信号进行滤波的滤波器；

包括用于接收单相逆变器的并网控制信号的并网接触器KM，并网接触器KM连接在滤波器与负载之间。

切换组包括：

包括由串联到电网各相上的接触器组成的开关组，开关组中电网的A、B、C三相的接触器并联；

包括与开关组连接并控制各相接触器吸合的自锁电路；

隔离变压器、电压采集电路和开关组连接到电网上，单相逆变器分别与隔离变压器、电压采集电路、电流采集电路、滤波器和自锁电路连接，电压采集电路和滤波器均通过并网接触器KM与负载连接，电流采集电路与负载连接。

如图4所示，单相逆变器，采用交-直-交电路结构，包括依次连接的不控整流电路、启动电阻、直流滤波电容、逆变电路和DSP控制板，DSP控制板与逆变电路连接并进行控制；并采用全桥电路、PWM调制，其输出经滤波器滤波产出稳定的正弦波，逆变器前有隔离变压器起到隔离的作用，以防短路对负载产出重大影响。

滤波器为LC滤波器。

自锁电路为四路继电器触发式控制电路，具有自锁功能，控制并保持开关组中各相的接触器开启或者关闭的状态；可以为四路12V自锁继电器模块，高低电平触发。

本发明是在单相逆变器的输出电压和电网电压的相位和幅值相同时并网，因此切换过程中不会有冲击电流产出，实现了“无跳动柔性切换”。

电压采集电路与柔性切换装置相连，用于采集A、B、C三相的输入电压和逆变器的母线和输出电压；电流采集电路采集各个分组和逆变器的电流，采集信号汇总到单相逆变器，实现切换过程中对负载不会产生冲击电流，完成“无跳动柔性切换”。

如图2所示，本发明的可通用于各个负载下的切换，将所有负载按每组4KW分组，负载1、负载2、负载3、负载4……并联在三相四线制的电网上，每一个切换组都可以在A、B、C三相之间任意切换，切换后由自锁电路保证接触器的吸合。

本发明的具体实施过程中：

系统IoS电流采集电路、VoS电压采集电路实时监测各相电压、电流的大小，进行三相平衡度及各负载组功率运算，以下以切换组1为例，假设B相功率负荷最大、电压出现明显下降，C相功率负荷最小，满足三相不平衡切换条件。所以决定将负载1由B相切换到C相，如图3所示，系统按以下步骤进行切换：

1、确定负载1当前所在相为B相，VoS电压采集电路采集B相电压，输入到单相逆变器；

2、以B相的ω电压信号、δ相位、U_s幅值作为参考跟踪B相，以单相逆变电源输出的电压、电流信号作为反馈信号，构成双闭环控制，产生PWM的驱动信号，使单相逆变器输出的电压波形经LC滤波器滤波后产出稳定的正弦波；

3、当第2步输出的稳定的正弦波和B相电压同幅值同相位时，闭合KM逆变器并网接触器，与B相并网，同时给负载1供电；

4、此时，单相逆变器输出切换信号到自锁电路，断开B相接触器KM₁₂，单相逆变器单独供电；

5、在单独供电时，逆变器开始跟踪C相的幅值、相位，与第二步同理；

6、当第5步输出的稳定的正弦波和C相电压同幅值同相位时，单相逆变器输出切换信号到自锁电路，闭合C相接触器KM₁₁，逆变器与B相并网，同时给负载1供电；

7、完成第6步，断开KM逆变器并网接触器，完成B-C相的整个切换过程；

8、切换完成后，移动切换装置可以与切换组1断开，用于对其他切换组的切换。

如图3所示，本发明采用移相控制策略，跟踪B相时，VoS电压采集电路先采集B相的ω电压信号、δ相位、U_s幅值，作为参考跟踪B相，同时检测输入电压的过零点(电压从负变正)，在每个过零点或每隔数个过零点让单相逆变器的参考信号的初始相位角变化一个小的值，这样，经过一段时间后，单相逆变器的输出与B相同。假设，每个过零点让单相逆变器的参考信号的初始相位角变化2度，那么经过1.2秒的时间便使输出和输入同相。由于每次移相的角度很小，因此不会产生冲击电流或谐波很小。

在切换完成后，移动切换装置就可以被旁路了，与切换组1脱离。此时，移动切换装置(包括T：隔离变压器、单相逆变器、LC：滤波器、KM：逆变器并网接触器、IoS：电流采集电路、VoS：电压采集电路)继续检测三相不平衡度，检测各个切换控制组的电流，当出现三相不平衡时，继续进行其它切换组的切换。当不需要进行切换时，整个移动切换装置都可以旁路，从系统中脱离。上述的三相不平衡度可采用国家标准：GB-T15543-1995电能质量，三相电压允许不平衡度．国家技术监督局，1994-04-06。

所述的各个控制切换组最大功率都为4KW，移动切换装置通过监测A、B、C三相的电压、各个切换组的电流大小，运用公式功率=电压*电流计算每切换组功率大小、三相的功率多少、三相不平衡度，判断是否需要切换，确定要切换哪组负载，然后进行切换；一次切换完成后，重复上述计算步骤，再进行切换，直到A、B、C三相的功率负荷平衡或基本平衡为止。

所述的单相逆变器，采用交-直-交电路结构，即VD1-VD6不控整流桥+ KM1.5启动电阻+Cb直流滤波电容+D7-VD10逆变桥+LC滤波器。

所述的逆变器，采用全桥电路、PWM调制，其输出经LC滤波器滤波产出稳定的正弦波，逆变器前有T隔离变压器起到隔离的作用，以防短路对负载产出重大影响。

所述的VoS电压采集电路，采集三相电压用于单相逆变器跟踪电网的电压，需要时使单相逆变器输出与电网任意一相具有同频同相的电压；IoS电流采集电路的输出电流采样用于闭环控制，控制单相逆变电源输出。

本发明下面以具体实施例为例，因为输出电压峰值超出示波器的耐压值，所以下图中所测电压为实际的1/3。

如图5为柔性切换装置将负载1从A相切换到B相整个过程中单相逆变器输出电压和负载电流情况，其负载1为100欧电阻。由图，我们可以看到在整个切换过程中，负载没有出现冲击电流，且电流平滑没有波动，相当稳定。图6所示为逆变器从关闭状态开始跟踪A相电网，然后与A相并网给负载1供电，经过6个周期后，断开A相电网由单相逆变器开始单独供电。在此图中可以看到单相逆变器跟踪A相电网的过程、相位调整的变化，最后与A相电网同步。

实际电网中存在大量整流型负载，下面针对此情况进行分析。负载2为100欧电阻加一台电脑，如图7所示为负载2从A相电网单独供电到逆变器与A相电网并网供电过程中负载电流、单相逆变器电压情况。图8为负载2从单相逆变器与B相电网并网供电状态到断开单相逆变器，B相电网单独供电过程中负载电流、逆变器电压情况。由两图可以看到两个过程中，负载2的电流没有出现任何的波动和冲击。虽然在过程中可能会出现有一个周期整流型负载有丢失的情况，但整流型负载都具有大电容，因此其负载不会出现任何故障，能继续正常运行。

图9为切换过程中，单相逆变器输出电压、电流的情况。当单相逆变器与电网同时供电时，单相逆变器上存在环流（本实验选择环流抑制电感过小，因此环流比较大）。两个并网过程，逆变器输出电压没有波动，但因为环流影响输出电流波形明显不同。上述实验结果说明，在负载电压过零点时切换，负载上不会产生冲击电流，能够实现负载的无跳动柔性切换。但是，并网时逆变器上存在环流，需要加以抑制，保证设备的安全。

基于三相平衡度的要求，本设计提出了一种基于单相逆变器的柔性切换系统，在切换时，负载上不会产生冲击电流，实现其柔性切换要求。但在并网时单相逆变器上有环流问题，对此，后期需要加以解决和完善。本设计解决了人工切换时存在的危险，很好地完成了负载在线运行时在不同电网相位间的无跳动柔性切换，使三相平衡度满足国家标准，提高了三相电网的供电安全和供电效率，具有可行性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。