具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行更清楚的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明的作用，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

光伏逆变器在并网模式下采用电流型控制，输出恒定功率；在离网模式下采用电压型控制，维持电网电压频率稳定。针对传统光伏逆变器在并离网工作模态切换时容易产生电流电压波形畸变的问题，提出一种多模态无缝切换的光伏逆变器系统。

本发明提供的多模态无缝切换的光伏逆变器系统如图1所示，包括光伏逆变器和光伏逆变器的控制器。光伏阵列连接光伏逆变器，光伏逆变器连接电网和负载，其中光伏逆变器由前级Boost变换器、后级逆变器和LC滤波器组成。光伏阵列与前级Boost变换器电连接，前级Boost变换器与后级逆变器电连接后级逆变器与LC滤波器电连接，LC滤波器串联开关S后连接负载，电网与负载并联。

光伏逆变器的控制器包括运行控制模块和切换控制模块；运行控制模块用于控制光伏逆变器运行，切换控制模块用于控制光伏逆变器切换工作模式，光伏逆变器工作模式包括并网模式和离网模式；切换控制模块包括电网瞬时相位检测模块、相位预同步模块和参考相位产生模块；电网瞬时相位检测模块用于实时检测电网相位；由并网模式切换到离网模式时，对离网时检测到的相位进行锁定，参考相位产生模块用于生成连续的相位变化，将并网模式的电流指令发送给离网模式的电压外环PI调节器；由离网模式切换至并网模式时，通过相位预同步模块，使得光伏逆变器切换前后的相位输出变化连续。

本发明提供的光伏逆变器系统并网模式控制框图如2所示，并网模式的运行过程包括步骤101至步骤102。

步骤101：运行控制模块通过前级Boost变换器控制电容电压恒定。

获取Boost变换器输出电容电压u_dc，与给定直流电容电压参考值u_dcref比较做差，产生的差值进行PI调节产生调制波，计算公式为：

式中，u_{dc_pwm}为Boost开关管调制信号，k_{p_dc}为PI调节器比例控制器的值，k_{i_dc}为PI调节器积分控制器的值，u_dcref为直流侧电容电压参考值，u_dc为直流侧电容电压，PWM波形调制Boost升压电路中的开关占空比。

步骤102：运行控制模块控制后级逆变器，使得光伏逆变器输出恒定功率。

步骤1021：对系统母线电压和电流进行abc/dq变换，获取dq坐标系下的电压分量和电流分量。

将系统母线电压u_abc经由abc/dq变换后得到dq坐标系下的分量u_d、u_q，系统母线电流i_abc经由abc/dq变换后得到dq坐标系下的分量i_d、i_q。abc/dq变换的公式为：

式中，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出电流在abc三相静止坐标系下的值，i_d、i_q为逆变器输出电流在dq同步旋转坐标系下的值，u_a、u_b、u_c分别为逆变器输出电压在abc三相静止坐标系下的值，u_d、u_q为逆变器输出电压在dq同步旋转坐标系下的值θ₁为d轴与相位参考轴的夹角。

步骤1022：根据电压分量计算电流参考信号。

电流参考信号的计算公式如下：

式中，i_{d_ref}与i_{q_ref}分别为电流有功分量参考值与电流无功分量参考值，P_ref为有功功率指令值，Q_ref为无功功率指令值，u_d与u_q分别为输出电压有功分量与无功分量。

步骤1023：将电流参考信号和电流分量作差，产生电压调制信号。

将产生的电流参考信号i_{d_ref}与i_{q_ref}与i_d、i_q经过比较做差后，其差值再通过PI调节器控制产生电压调制信号m_d、m_q，计算公式为：

式中，m_d、m_q分别为逆变器输出电压d轴调制量、逆变器输出电压q轴调制量，k_{p_di}为逆变器输出电流有功分量PI调节器比例控制器的值，k_{i_di}为逆变器输出电流有功分量PI调节器积分控制器的值，k_{p_qi}为逆变器输出电流无功分量PI调节器比例控制器的值，k_{i_qi}为逆变器输出电流无功分量PI调节器积分控制器的值，i_{d_ref}为逆变器输出电流有功分量参考值，i_d为逆变器输出电流有功分量，i_{q_ref}为逆变器输出电流无功分量参考值，i_q为逆变器输出电流无功分量。

步骤1024：对电压调制信号进行dq/abc变换。

电压调制信号m_d、m_q经过dq/abc变换模块得到后级逆变器的调制信号，dq/abc变换模块的计算公式为：

式中，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出电流在abc三相静止坐标系下的值，i_d、i_q为逆变器输出电流在dq同步旋转坐标系下的值，u_a、u_b、u_c分别为逆变器输出电压在abc三相静止坐标系下的值，u_d、u_q为逆变器输出电压在dq同步旋转坐标系下的值θ₁为d轴与相位参考轴的夹角。

本发明提供的光伏逆变器系统离网模式控制框图如3所示，包括步骤201至步骤202：

步骤201：运行控制模块通过前级Boost变换器控制电容电压恒定，实现源荷之间的功率平衡。

获取Boost变换器输出电容电压u_dc，与给定直流电容电压参考值u_dcref比较做差，产生的差值进行PI调节产生调制波，计算公式为：

式中，u_{dc_pwm}为Boost开关管调制信号，k_{p_dc}为PI调节器比例控制器的值，k_{i_dc}为PI调节器积分控制器的值，u_dcref为直流侧电容电压参考值，u_dc为直流侧电容电压，PWM波形调制Boost升压电路中的开关占空比。

步骤202：由后级逆变器采用V/f控制实现对交流母线的电压频率支撑。

步骤2021：对系统母线电压和电流进行abc/dq变换，获取dq坐标系下的电压分量和电流分量。

将系统母线电压u_abc经由abc/dq变换后得到dq坐标系下的分量u_d、u_q，系统母线电流i_abc经由abc/dq变换后得到dq坐标系下的分量i_d、i_q。

步骤2022：根据电压分量计算电流参考信号。

将u_d、u_q与给定电压参考值U_dref和U_qref比较做差，产生的差值进行PI调节，产生电流内环参考信号i_dref与i_qref，计算公式为：

式中，i_{d_ref}与i_{q_ref}分别为逆变器输出电流有功分量参考值、无功分量参考值，k_{p_du}为逆变器输出电压有功分量PI调节器比例控制器的值，k_{i_du}为逆变器输出电压有功分量PI调节器积分控制器的值，k_{p_qu}为逆变器输出电压无功分量PI调节器比例控制器的值，k_{i_qu}为逆变器输出电压无功分量PI调节器积分控制器的值，u_{d_ref}为逆变器输出电压有功分量参考值，u_dc为逆变器输出电压有功分量，u_{q_ref}为逆变器输出电压无功分量参考值，u_q为逆变器输出电压无功分量。

步骤2023：将电流参考信号和电流分量作差，产生电压调制信号。电流参考信号i_dref、i_qref分别与i_d、i_q比较做差后，输入到电流内环，经过PI调节产生电压调制信号m_d、m_q。

步骤2024：对电压调制信号进行dq/abc变换。

电压调制信号m_d、m_q经过dq/abc变换模块得到后级逆变器的调制信号。

本发明提供的并离网切换的微网结构图如4所示，通过切换控制模块实现模态切换时逆变器输出电压相位连续变化，切换控制模块包括以下三部分：

1)电网瞬时相位检测模块；

2)相位预同步模块；

3)参考相位产生模块。

其中，电网瞬时相位检测模块的控制框图如5所示，包括步骤A1至A2。

步骤A1：实时检测电网的三相电压u_ga、u_gb、u_gc并进行abc/dq变换，得到q轴的电压分量u_q。

表达式为：

u_q＝Vsin(θ-θ_g) (7)

式中，u_q为电压q轴分量，表示锁相得到的相位角θ_g和实际电网电压的相位角θ之间的误差，V为电压幅值，θ_g为锁相得到的相位角，θ为实际电网电压的相位角。

步骤A2：根据电压分量计算电网瞬时相位。

具体的，将u_q与给定参考值0进行比较作差，其差值经过PI调节器，得到所追踪的电网电压瞬时角频率ω_g，对角频率ω_g进行积分得到电网的瞬时相位θ_g。

计算角频率ω_g的公式为：

式中，ω_g为电网电压角频率，k_p为PI调节器比例环节的值，k_i为PI调节器积分环节的值，u_q为电网电压q轴分量，ω₀为初始频率。

相位预同步模块控制框图如6所示，包括步骤B1至B3：

步骤B1：获得电网相位θ_g与微网相位θ_inv之间的相位差Δθ。

步骤B2：对Δθ进行PI调节，获得频率补偿信号Δf，将其与离网模式下的额定频率f_ref做差获得逆变器的频率参考值，计算公式如下：

式中，f为逆变器输出频率，f_ref为电网频率，f为频率补偿信号，k_p为PI调节器比例控制器的值，k_i为PI调节器积分控制器的值，θ_g为电网电压相位，θ_inv为逆变器输出电压相位。

步骤B3：改变逆变器的电压频率使其接近电网相位。

参考相位产生模块控制框图如7所示，包括步骤C1至C2。

步骤C1：光伏逆变器并网运行时Ctrl＝1，选择开关S接通2通道，θ_inv＝θ_g。而当上级电源突然断电时，Ctrl＝0，选择开关S接通1通道，对脱网相位进行锁定，θ_inv以角频率2πf_ref继续运行。

步骤C2：当逆变器由离网模式切换至并网运行时，由于相位预同步模块的存在，在转换前已经完成了相位预同步，即θ_inv＝θ_g。

通过切换控制模块控制光伏逆变器在并离网模态中平滑切换的方法如下，包括步骤301至步骤302。

步骤301：光伏逆变器由离网模式平滑切换到并网模式。

光伏逆变器切换到并网预同步信号后，启动预同步程序；微网锁相角逐步追踪电网相位，实现同步后将并网控制信号Ctrl置1；逆变器电流内环指令由离网模式下切换至并网模式。

步骤302：光伏逆变器由并网模式平滑切换到离网模式。

将控制信号Ctrl置0，对脱网相位进行锁定；主控制逆变器的参考频率跟踪脱网相位，逆变器工作角频率θ_inv以2πf_ref继续运行；将并网模式下逆变器外环PI调节器工作值赋予给离网模式逆变器外环PI调节器，具体值为：

I_{dq_ref_2_initial}＝I_{dq_ref_1_final} (10)

式中，I_{dq_ref_2_initial}为离网模式的电压外环PI调节器的初始输出值，I_{dq_ref_1_final}为并网模式的电流指令值。

实施例1，为了对本发明进行测试，在MATLAB/Simulink中搭建了光伏逆变器的仿真。

光伏逆变器从离网模式切换到并网模式的仿真波形图如图8、图、图和图11所示，分别为直流侧电容电压波形、光伏逆变器输出电压波形、光伏逆变器输出电流波形、光伏逆变器输出功率波形。可以看到光伏逆变器的三相输出电压、三相输出电流、直流侧电容电压波形均可实现平滑过渡。在转入并网模式运行后，微网内部功率由储能进行平衡，光伏逆变器功率由离网状态时输出10kW功率变为输出5kW恒定功率。

光伏逆变器从并网模式切换到离网模式的仿真波形图如图12、图13、图14、图15所示，分别为直流侧电容电压波形、光伏逆变器输出电压波形、光伏逆变器输出电流波形、光伏逆变器输出功率波形。可以看到光伏由并网转为离网模式，在转换过程中输出电压的频率和相位变化平滑，电压电流连续无冲击；光伏逆变器的输出功率由并网时恒定输出8kW变为离网时平衡负荷功率的10kW。

图16是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图16所示，该实施例的终端设备4包括：处理器40、存储器41以及存储在存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42，例如多模态无缝切换光伏逆变器控制器控制程序。

示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述终端设备4中的执行过程。

所述终端设备4可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图16仅仅是终端设备4的示例，并不构成对终端设备4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器41可以是所述终端设备4的内部存储单元，例如终端设备4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述终端设备4的外部存储设备，例如所述终端设备4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述终端设备4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。