CN112510762B - 一种并网逆变器的继电器吸合控制方法及控制装置 - Google Patents

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CN112510762B CN202110144620.2A CN202110144620A CN112510762B CN 112510762 B CN112510762 B CN 112510762B CN 202110144620 A CN202110144620 A CN 202110144620A CN 112510762 B CN112510762 B CN 112510762B
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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器的继电器吸合控制方法及控制装置,包括以下步骤：分别检测电网电压和继电器的状态，并判断电网电压和继电器均处于正常状态；然后根据电网电压的幅值调制逆变器的交流输出电压，使得该交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值；再发出继电器吸合指令，然后分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行。本发明能够有效减小逆变器在继电器吸合瞬间造成的大电流，并能避免逆变器在继电器吸合后受到的电网能量倒灌风险，有效提高逆变器和继电器的工作稳定性；且上述方法能够通过开环控制，有效降低对逆变器电压控制难度。

Description

一种并网逆变器的继电器吸合控制方法及控制装置
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器的吸合控制方法，特别是一种并网逆变器继电器吸合控制方法及控制装置。
背景技术
并网逆变器为了与电网之间进行安全电气隔离，会在其输出端安装有继电器；并且为了符合安全规范要求，一般情况下每相输出端还需要串联两个或多个继电器。而并网逆变器在吸合继电器时，电网已经接入，由于逆变器的输出端内侧有滤波电容的存在，导致在继电器吸合瞬间电网会给电容快速充电，充电形成的大电流会流经继电器并对继电器造成一定程度的伤害；使得继电器长期在大电流状态下吸合，大大缩减了继电器的使用寿命，若吸合电流超过继电器额定电流还有可能造成继电器立即损坏，进而导致逆变器无法并网发电，造成严重损失。
针对上述问题，一般的解决方法是让继电器在电网过零点附近吸合，但由于继电器从发出吸合命令到真正吸合需要时间，并且该时间通常从几毫秒到几十毫秒不固定；导致该方法很难实现在继电器真正吸合瞬间电网也在过零点附近，导致其无法从根本上避免大电流流经继电器。而对于三相并网逆变器而言，由于继电器通常使用一个驱动命令信号，因此更无法保证三相上的继电器同时在三相电网电压过零点附近吸合。
而另一种解决方法则是在继电器吸合前，先控制逆变器的输出电压与电网电压幅值相近，频率和相位相同，然后再吸合继电器。但这种方法的问题是当继电器真正吸合瞬间，逆变器就和电网连接在一起，且逆变器还处于工作中；使得逆变器一旦控制不好，就会有瞬时大电流从电网灌入逆变器，造成逆变器母线电容电压冲高，轻者逆变器报警保护，重者或直接导致逆变器母线电容过压损坏或功率管损坏。
在后一种方法的基础上，为了解决上述缺陷，专利CN109842154A《一种并网逆变器的继电器控制方法及装置》进一步调整了对并网逆变器的继电器控制方法：首先通过逆变器电压闭环反馈控制将逆变器输出端电压控制到与电网电压幅值接近并达到稳定，然后吸合继电器并计时；在计时时间范围内，将逆变器电压反馈控制外回路断开，改由内部电流反馈控制回路控制逆变器电流来抑制流经继电器的电流。但这种方法的缺陷首先是没有从原理上根本解决继电器吸合瞬间电网能量反灌逆变器的问题，其次该方法的控制方式太过复杂，需要用到逆变器的电压反馈回路和电流反馈回路进行双回路反馈控制；并且，由于控制误差和电路延迟的存在，继电器在真正吸合瞬间还是会存在瞬间大电流从电网倒灌入逆变器的可能性，而该专利起到的效果仅是当逆变电流大于过流保护值时，通过将逆变电流减小至预设电流范围内来抑制其冲击电流，并在检测到继电器的吸合动作完成时控制并网逆变器停止运行；即无法从根本上消除继电器吸合瞬间造成逆变器母线电容电压冲高或直接导致逆变器管损坏的风险。
因此，现有对并网逆变器的继电器吸合控制方法存在逆变器和继电器工作稳定性差、控制难度大的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种并网逆变器的继电器吸合控制方法及控制装置。它能够有效提高逆变器和继电器的工作稳定性，并方便对吸合过程的控制。
本发明的技术方案：一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，包括以下步骤：
A.分别检测电网电压和继电器的状态，并判断电网电压和继电器是否处于正常状态，若处于正常状态，则进行下一步骤；
B.根据电网电压的幅值调制逆变器的交流输出电压，使得该交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值；
C.发出继电器吸合指令，然后分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤B的具体步骤为：
b1.采样电网电压并对电网进行锁相，得到电网的锁相角信息cos(wt)，其中w为电网频率，t为时间；
b2.在锁相角cos(wt)的基础上人为增加超前相位角
Figure GDA0002989839820000031
得到超前电网电压相位的超前锁相角
Figure GDA0002989839820000032
b3.根据超前锁相角
Figure GDA0002989839820000033
调制逆变器的交流输出电压，调制信号
Figure GDA0002989839820000034
其中M为调制信号的幅值，然后通过逐渐增加调制信号的幅值M使逆变器的交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤b3中将调制信号Vm与三角波载波信号比较后生成驱动逆变器功率管的方波信号；然后通过逆变器将直流母线电压调制成方波信号，再经过电感和电容滤波后生成逆变器的交流输出电压。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤B中交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值1～5V。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤b2中通过增加超前相位角
Figure GDA0002989839820000035
使逆变器的交流输出电压相位角超前于电网电压的相位角。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤b2中的超前相位角
Figure GDA0002989839820000041
在取值时，通过公式
Figure GDA0002989839820000042
计算流经电感的电流值
Figure GDA0002989839820000043
其中E为电网电压的额定电压幅值，w为电网频率，L为并网逆变器和电网之间电感的感值；电流值
Figure GDA0002989839820000044
的数值小于逆变器的额定电流且趋近于0。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤C中的逆变器为单相逆变器时，分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行；所述步骤C中的逆变器为三相逆变器时，分别检测每一相电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到每一相的电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法中，所述步骤C中当逆变器为三相逆变器时，利用超前锁相角
Figure GDA0002989839820000045
进行旋转坐标变换，将逆变器电压的交流信号转换成直流信号后用于调制超前相位角
Figure GDA0002989839820000046
和逆变器的交流输出电压。
前述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法所用的控制装置，包括连接逆变器输出端的逆变器电压检测装置和连接电网的电网电压检测装置，逆变器电压检测装置和电网电压检测装置外部均连接有控制模块，控制模块外部连接有逆变器驱动模块和继电器驱动模块。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明通过将逆变器的交流输出电压幅值高于电网电压幅值，且交流输出电压的相位角超前于电网电压的相位角，能够在逆变器吸合继电器瞬间使能量由逆变器流向电网，进而避免因能量从电网倒灌入逆变器而造成的逆变器和继电器损坏，有效提高逆变器和继电器的工作稳定性；
(2)本发明通过锁相进行数值检测，而由于电路延迟和锁相回路延迟的存在，使得通常情况下逆变器交流输出电压的相位角会落后于电网电压的相位角；而本发明通过在电网锁相角的基础上人为增加超前相位角
Figure GDA0002989839820000051
能够使逆变器的交流输出电压相位角超前于电网电压的相位角，从而从原理上根本消除继电器吸合瞬间的能量从电网倒灌入逆变器的问题，提高逆变器和继电器的工作稳定性；
(3)通过将交流输出电压幅值高于电网电压幅值1～5V，能够实现对逆变器输出电压的开环控制，即控制过程中既无需反馈控制，也不需要针对逆变器的输出电压和电网电压之间的电压差对控制参数进行反馈和修正，有效降低了控制程序的复杂度和所需的控制精度，方便本发明对吸合过程的控制及更多的继电器吸合场合的应用；
(4)通过在吸合前使逆变器的交流输出电压幅值高于电网电压幅值，并在继电器吸合后停止逆变器运行，则能够有效防止逆变器在吸合继电器后的能量互灌，在保证继电器稳定吸合的同时进一步提高逆变器的工作稳定性；
所以，本发明能够有效提高逆变器和继电器的工作稳定性，减小继电器和逆变器的故障风险，进而提升继电器的使用寿命，并方便对吸合过程的控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图中的标记为：1-逆变器，2-逆变器电压检测装置，3-电网，4-电网电压检测装置，5-控制模块，6-逆变器驱动模块，7-继电器驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，包括以下步骤：
A.分别检测电网电压和继电器的状态，并判断电网电压和继电器均处于正常状态；
其中根据NB/T32004:2018的规定，电网电压处于正常状态是指0.9Un≤U≤1.1Un，其中Un为电网额定相电压220V，电网电压的频率范围处于49.5～50.2Hz；
继电器依据常规的继电器检测逻辑判断其是否处于正常状态(没有粘连和无法吸合故障)，若处于正常状态，则进行下一步骤；
B.根据电网电压的幅值调制逆变器的交流输出电压，使得该交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值；
C.发出继电器吸合指令，然后分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当在半个市电周期内(不限于半个周期，时间可更短或更长)检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值(5V以内)时，停止逆变器运行。
所述步骤B的具体步骤为：
b1.通过逆变器上的数字控制芯片采样电网电压并对电网进行锁相，得到电网的锁相角信息cos(wt)，其中w为电网频率，t为时间；
b2.在锁相角cos(wt)的基础上人为增加超前相位角
Figure GDA0002989839820000061
得到超前电网电压相位的超前锁相角
Figure GDA0002989839820000062
b3.根据超前锁相角
Figure GDA0002989839820000063
调制逆变器的交流输出电压，调制信号
Figure GDA0002989839820000064
其中M为调制信号的幅值，然后通过逐渐增加调制信号的幅值M使逆变器的交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值。
所述步骤b3中将调制信号Vm与一定周期的三角波载波信号比较后生成驱动逆变器功率管的方波信号，该方波信号用来控制逆变器中功率管的开通和关断；然后通过驱动电路使得逆变器将直流母线电压调制成电压方波信号，再经过电感和电容滤波后生成逆变器的交流输出电压。
所述步骤B中交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值1V。
所述步骤b2中通过增加超前相位角
Figure GDA0002989839820000071
使逆变器的交流输出电压相位角超前于电网电压的相位角；超前相位角
Figure GDA0002989839820000072
的最小取值单位取决于逆变器的PWM中断周期，对于20kHz中断周期的逆变器，超前相位角
Figure GDA0002989839820000073
的最小超前角度为0.9度，即超前相位角
Figure GDA0002989839820000074
在取值时可设为0.9度、1.8度、2.7度及以上。
所述步骤b2中的超前相位角
Figure GDA0002989839820000075
在取值时，假设电网电压在复平面表示成
Figure GDA0002989839820000076
并网逆变器的电压在复平面表示成
Figure GDA0002989839820000077
其中ΔE为逆变器的电压幅值高出电网电压的幅值，i为复平面的虚数单位，
Figure GDA0002989839820000078
为逆变器的电压相位超前于电网电压的相位，逆变器和电网之间电感的感值为L，其感抗值表示为：jwL，其中j为复平面的虚数单位；在上述基础上，流经电感的电流为：
Figure GDA0002989839820000079
当逆变器和电网之间只有电压差ΔE，没有相位差时，即
Figure GDA00029898398200000710
则流经电感的电流值为：
Figure GDA00029898398200000711
于是流入电网的功率为无功功率
Figure GDA00029898398200000712
当逆变器和电网之间只有相位差
Figure GDA00029898398200000713
没有电压差ΔE时，即ΔE＝0，则流经电感的电流值为：
Figure GDA00029898398200000714
于是流入电网的功率为有功功率
Figure GDA00029898398200000715
在上述基础上，超前相位角
Figure GDA0002989839820000081
的取值后，通过公式
Figure GDA0002989839820000082
计算流经电感的电流值
Figure GDA0002989839820000083
其中E为电网电压的额定电压幅值，w为电网频率，L为并网逆变器和电网之间电感的感值；然后通过电流值
Figure GDA0002989839820000084
优化超前相位角
Figure GDA0002989839820000085
的取值，电流值
Figure GDA0002989839820000086
的数值须小于逆变器的额定电流值，且越趋近于0越好；
假设电网电压为额定电压幅值220V，电感感值为2mH,电网频率为50Hz，则当超前相位角
Figure GDA0002989839820000087
取值为1°时，则可以计算出电流值
Figure GDA0002989839820000088
为：
Figure GDA0002989839820000089
根据计算可知该电流值
Figure GDA00029898398200000810
在逆变器的额定电流值内，说明超前相位角
Figure GDA00029898398200000811
能够取值为1°。
所述步骤C中的逆变器为单相逆变器时，分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当在半个市电周期内检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行；所述步骤C中的逆变器为三相逆变器时，分别检测每一相电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当在半个市电周期内检测到每一相的电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行。
所述步骤C中当逆变器为三相逆变器时，可根据需要利用超前锁相角
Figure GDA00029898398200000812
进行旋转坐标变换，将三相交流信号从abc固定坐标系转换到dq0旋转坐标系下，将逆变器电压的交流信号转换成直流信号后再进行逆变器交流电压的调制，转换关系如以下公式所示：
Figure GDA0002989839820000091
其中xa、xb和xc为交流量，cos wt和sin wt就是锁相信息，经过坐标系变换后就转换成xd、xq和x0三个直流量。
所述一种并网逆变器的继电器吸合控制方法所用的控制装置，构成如图1所示，包括连接逆变器1输出端的逆变器电压检测装置2和连接电网3的电网电压检测装置4，逆变器电压检测装置2和电网电压检测装置4外部均连接有控制模块5，控制模块5可选用数字信号处理器DSP或微控制单元MCU，控制模块5外部连接有逆变器驱动模块6和继电器驱动模块7，逆变器驱动模块6端部连接逆变器1，继电器驱动模块7端部连接继电器。
本发明的工作原理：由于在继电器吸合瞬间，逆变器1与电网3连接后，仅当逆变器1的输出电压幅值、频率和相位与电网3电压的幅值、频率和相位完全相等时，其能量才能达到平衡，不会出现能量互灌问题；但在实际情况下是无法控制成完全相等的，只能做到近似相等，从而在继电器吸合瞬间，就存在能量从电网3倒灌入逆变器1，造成逆变器3受损的问题。
而本申请在继电器吸合前，先由控制模块5分别经逆变器电压检测装置2和电网电压检测装置4检测逆变器的输出电压和电网电压，然后根据检测结果计算出调制信号Vm，并将调制信号Vm替换成方波信号后经逆变器驱动模块6改变逆变器1的交流输出电压，使逆变器1输出电压幅值高于电网3电压幅值，且逆变器1输出电压相位超前于电网电压相位。
调制信号Vm在调制时，人为增加一个超前相位角
Figure GDA0002989839820000092
使得逆变器的交流输出电压相位角超前于电网电压的相位角；同时，超前相位角
Figure GDA0002989839820000101
需与电流值
Figure GDA0002989839820000102
相互配合，即经超前相位角
Figure GDA0002989839820000103
计算得到的电流值
Figure GDA0002989839820000104
需小于额定电流值，且趋近于0；进而通过上述条件计算出超前相位角
Figure GDA0002989839820000105
使得在继电器吸合瞬间，一方便避免因相位差造成的能量倒灌问题，另一方面避免因电流过大造成继电器的受损。
当逆变器电压检测装置2和电网电压检测装置4测出逆变器1输出电压幅值高于电网3电压幅值5V以内后，由控制模块5经继电器驱动模块7控制继电器进行吸合，并在检测到继电器吸合完成后停止逆变器1工作，实现继电器吸合瞬间无大电流流过继电器的效果，从而大大提高继电器的使用寿命，彻底消除继电器和逆变器故障和损坏的风险。
在上述配合下，则能够在继电器吸合瞬间确保没有大电流流过继电器，并且确保能量稳定从逆变器1流向电网3，从而避免逆变器1因能量从电网3倒灌造成的损害。
同时，本发明对逆变器1的电压控制不需要通过闭环反馈控制实现，只需用开环调制即可，进而有效降低对逆变器交流输出电压的控制难度和所需的控制精度，大大提升了继电器小电流吸合的应用场合。

Claims (8)

1.一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
A.分别检测电网电压和继电器的状态，并判断电网电压和继电器是否处于正常状态，若处于正常状态，则进行下一步骤；
B.根据电网电压的幅值调制逆变器的交流输出电压，使得该交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值；
C.发出继电器吸合指令，然后分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行；
所述步骤B的具体步骤为：
b1.采样电网电压并对电网进行锁相，得到电网的锁相角信息cos(wt)，其中w为电网频率，t为时间；
b2.在锁相角cos(wt)的基础上人为增加超前相位角
Figure FDA0002989839810000011
得到超前电网电压相位的超前锁相角
Figure FDA0002989839810000012
b3.根据超前锁相角
Figure FDA0002989839810000013
调制逆变器的交流输出电压，调制信号
Figure FDA0002989839810000014
其中M为调制信号的幅值，然后通过逐渐增加调制信号的幅值M使逆变器的交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值。
2.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤b3中将调制信号Vm与三角波载波信号比较后生成驱动逆变器功率管的方波信号；然后通过逆变器将直流母线电压调制成方波信号，再经过电感和电容滤波后生成逆变器的交流输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤B中交流输出电压的幅值高于电网电压的幅值1～5V。
4.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤b2中通过增加超前相位角
Figure FDA0002989839810000021
使逆变器的交流输出电压相位角超前于电网电压的相位角。
5.根据权利要求4所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤b2中的超前相位角
Figure FDA0002989839810000022
在取值时，通过公式
Figure FDA0002989839810000023
计算流经电感的电流值
Figure FDA0002989839810000024
其中E为电网电压的额定电压幅值，w为电网频率，L为并网逆变器和电网之间电感的感值；电流值
Figure FDA0002989839810000025
的数值小于逆变器的额定电流且趋近于0。
6.根据权利要求1所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤C中的逆变器为单相逆变器时，分别检测电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行；所述步骤C中的逆变器为三相逆变器时，分别检测每一相电网电压和逆变器交流输出电压的实时值，当检测到每一相的电网电压和逆变器交流输出电压的实时值相等或电压差小于阈值时，停止逆变器运行。
7.根据权利要求6所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法，其特征在于：所述步骤C中当逆变器为三相逆变器时，利用超前锁相角
Figure FDA0002989839810000026
进行旋转坐标变换，将逆变器电压的交流信号转换成直流信号后用于调制超前相位角
Figure FDA0002989839810000027
和逆变器的交流输出电压。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的一种并网逆变器的继电器吸合控制方法所用的控制装置，其特征在于：包括连接逆变器(1)输出端的逆变器电压检测装置(2)和连接电网(3)的电网电压检测装置(4)，逆变器电压检测装置(2)和电网电压检测装置(4)外部均连接有控制模块(5)，控制模块(5)外部连接有逆变器驱动模块(6)和继电器驱动模块(7)。
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