基于DSP控制的逆變器并聯(lián)

摘要：通過采樣輸出電壓和電感上電流來控制逆變器，并采用CAN總線作為并聯(lián)通訊線，通過對逆變器參考電壓的調節(jié)使得各并聯(lián)逆變器達到均流的效果。文章給出了仿真波形并加以實驗驗證。

關鍵詞：逆變器；控制器局域網(wǎng)總線；并聯(lián)；數(shù)字信號處理

1  前言

    隨著信息技術的發(fā)展，各個應用領域中對交流電源的要求也越來越高。不間斷電源（Uninterruptible Power Systems簡稱UPS）能夠提供品質良好的正弦波電源，且對整個電網(wǎng)的污染小。隨著對交流電源容量和整個供電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的要求越來越高，UPS的并聯(lián)技術也被廣泛地研究與應用。采用UPS并聯(lián)技術組成的供電系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點：

    1）它使電源的容量大大提高；

    2）提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；

    3）方便了整個系統(tǒng)的維護和維修，真正能夠做到不間斷地供電。

2  逆變器并聯(lián)條件

    在UPS的并聯(lián)技術中，最重要的一點就是要保證各個并聯(lián)模塊的功率分配要均勻，也就是各個模塊要達到均流的要求。下面以2臺逆變電源并聯(lián)運行為例，簡單分析一下逆變器并聯(lián)所需的條件。

    如圖1所示，U1、U2表示2個逆變器的SPWM輸出波形電壓；L1、L2、C1、C2分別是2個逆變器的濾波電感和電容；R是2個逆變器的公共負載。

圖1  2臺UPS并聯(lián)的等效電路

    當并聯(lián)模塊的參數(shù)相同時，即C1=C2=C，L1=L2=L時，由上圖可以得到

    iL1=（1）

    iL2=（2）

    從式（1）、（2）可以看出每個逆變器的電感電流包括兩個部分：第一部分是負載電流，這一部分兩個逆變器是一樣的；第二部分是環(huán)流，這一部分兩個逆變器所承擔的大小是不一樣的。正是由于環(huán)流的存在，使得逆變器的并聯(lián)遇到困難。

    從式（1）、（2）可以看出，環(huán)流的大小，不僅跟逆變器輸出電壓的幅值有關，而且跟輸出電壓的相位也有關。因此，UPS的并聯(lián)比一般的直流電源并聯(lián)要復雜得多，它必須滿足以下3個條件：

    1）各個逆變器的輸出電壓的幅值必須相等；

    2）各個逆變器的輸出電壓的頻率必須相等；

    3）各個逆變器的輸出電壓的相位必須一致。

3  電流均流控制

    為了滿足逆變器并聯(lián)所必須的條件，各種并聯(lián)控制方案相應被提出。主要有集中控制、主從式控制、分散式并聯(lián)、無互聯(lián)線控制等方案。本文采用CAN總線數(shù)字技術，將1臺逆變器（主模塊）的電流和電壓相位利用CAN通訊線發(fā)送給各個并聯(lián)模塊。各并聯(lián)模塊跟蹤主模塊的電流，以達到均流的效果。

3.1  逆變器主電路分析

    單個模塊的硬件結構如圖2所示。在單個逆變器中，主電路由全橋和LC濾波器組成；而控制電路主要由1塊TMSC320F241的DSP芯片（內帶CAN控制器）及一些采樣電路組成。DSP通過采樣電感電流和輸出電壓來控制逆變器，同時通過CAN通訊線來獲得主模塊的電流和相位。

圖2  2臺逆變器并聯(lián)的電路結構

    從圖2可以得到單臺逆變器的數(shù)學模型如圖3所示。圖中是A,B兩點之間的電壓,Δi是環(huán)流。

圖3  逆變器的數(shù)學模型  [!--empirenews.page--]

    由圖3可以得到以下2個傳遞函數(shù)：

    =（3）

    =（4）

    由式（3）、（4）可以看出，環(huán)流對輸出電壓的傳遞函數(shù)與輸入電壓對輸出電壓的傳遞函數(shù)的極點配置是一樣的。因此可以通過對輸入?yún)⒖茧妷旱恼{節(jié)來減小環(huán)流對輸出電壓的影響，從而達到均流的效果。

3.2  均流控制方案設計

    為了使得每個并聯(lián)逆變器的電流達到均等的目的，在每個并聯(lián)逆變器的控制環(huán)上除了電壓、電流雙環(huán)控制[3]之外還加了一個均流環(huán)?？刂瓶驁D如圖4所示。在均流控制中，主模塊通過DSP的CAN總線將采集到的主模塊電感電流和其參考電壓發(fā)送給各個從模塊。各從模塊接收到主模塊的電感電流數(shù)據(jù)后與自身的電感電流相比較，其誤差由均流環(huán)處理后來控制SPWM波形，以達到均流的目的。而主模塊的參考電壓使得各從模塊輸出電壓的相位與主模塊保持一致。逆變器控制中的電壓環(huán)使輸出電壓保持良好的正弦波，電流環(huán)的加入使得系統(tǒng)的動態(tài)響應得到提高，而均流環(huán)使得各個模塊能夠達到均流的目的。

圖4  均流控制框圖

    在控制方案中，均流環(huán)采用不完全微分PID控制，以減小通訊線傳輸中由于單個數(shù)據(jù)誤碼而對整個系統(tǒng)的沖擊。

4  電路仿真及波形

    利用MATLAB對以上所設計的并聯(lián)控制方案進行仿真。仿真時的參數(shù)為：輸入直流母線電壓U1=U2=200V，輸出為50Hz有效值為100V的正弦波，開關頻率20kHz，L=2.7mH，C=4.5μF。其中電壓環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用P調節(jié)，均流環(huán)采用PID控制。仿真結果見圖5、圖6。

圖5  2臺并聯(lián)逆變器的電感電流波形

圖6  并聯(lián)逆變器輸出電流和電壓波形

5  實驗及波形

    為驗證仿真結果，實驗采用2臺UPS并聯(lián)，具體的參數(shù)與仿真時相同，即U1=U2=200V，f=50Hz，輸出電壓設計為100V，L=2.7mH，C=4.5μF。

    圖7為2臺逆變器輸出8A電流時各自輸出的電流，從實驗情況來看，2臺逆變器有很好的均流效果。

圖7  2臺逆變器的輸出電流  [!--empirenews.page--]

    圖8為并聯(lián)逆變器的輸出電流和電壓。

圖8  并聯(lián)輸出電流和電壓(CH1：電流；CH2：電壓)

    圖9是3臺逆變器并聯(lián)時當其中一臺發(fā)生故障退出并聯(lián)，其他2臺的電流波形。

圖9  3臺逆變器并聯(lián)時，當其中1臺發(fā)生故障退出并聯(lián)，其它2臺的電流波形

    圖10是2臺逆變器并聯(lián)由空載到突加負載時的輸出電流波形。

圖10  突加負載時的電流

6  結語

    本文采用主從控制方式，通過采樣逆變器電感上的電流，在控制上加入一個均流環(huán)來達到各臺并聯(lián)逆變器的均流。從仿真和實驗的結果來看，這種控制方式能夠使各個逆變器達到很好的均流效果。