無主可并聯(lián)逆變電源控制技術(shù)

1　 引言　　

隨著國內(nèi)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，發(fā)電廠、變電站在故障情況下要求不間斷電源供電的交流負(fù)荷越來越多，對交流供電質(zhì)量和交流供電的可靠性的要求也越來越高，因此如何提高逆變器的供電質(zhì)量和供電可靠性是逆變器研究的重點(diǎn)。

逆變電源的并聯(lián)策略有很多,有主從結(jié)構(gòu)[1] ,用電壓型逆變器作為主模塊控制系統(tǒng)電壓,電流型逆變器提供負(fù)載電流。有對等式,并聯(lián)的各個逆變器結(jié)構(gòu)功能相同,相互間有信號的傳遞,但不存在隸屬關(guān)系。還有基于有功無功調(diào)節(jié)的無連線并聯(lián)方式[2]。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)字處理芯片DSP的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的交流輸出已經(jīng)不成問題；但是如何實(shí)現(xiàn)逆變器的冗余設(shè)計(jì)依然是困擾開發(fā)者的主要問題，目前市場上流行的逆變器的并聯(lián)技術(shù)是采用系統(tǒng)監(jiān)控器統(tǒng)一產(chǎn)生SPWM信號進(jìn)行同步和負(fù)載均分的，這種逆變器的技術(shù)缺點(diǎn)是：單逆變器不能工作，必須配和系統(tǒng)的監(jiān)控器才能工作，因此小系統(tǒng)的性能價格比不高；系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)監(jiān)控器的可靠性，監(jiān)控器一旦損壞，整個系統(tǒng)將癱瘓；交流輸出不能短路，短路將會造成逆變器燒毀的危險(xiǎn)。

2　 無主可并聯(lián)逆變控制方式

逆變器可采用的控制方法種類繁多，每一種控制方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。同時采用不同的控制方法形成復(fù)合控制，可以實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互濟(jì)的目的，因此，復(fù)合控制是逆變器控制方法的一個發(fā)展趨勢。隨著控制理論和數(shù)字處理芯片的迅速發(fā)展，使各種先進(jìn)控制方法的實(shí)現(xiàn)成為可能，逆變器的數(shù)字化控制方法成了今后交流電源領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

本方案采用各種控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制，自同步和外同步結(jié)合的全新原理設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高；可單機(jī)使用也可組屏，配置方便；采用電子開關(guān)外掛方式，方便組成UPS、EPS等其它形式的逆變電源；系統(tǒng)監(jiān)控有三個可以錯相120度的同步信號，方便組合成三相逆變電源系統(tǒng)；并且三相單獨(dú)調(diào)節(jié)，每相可帶100％不平衡負(fù)載。

系統(tǒng)原理框　圖1

3　 硬件設(shè)計(jì)部分：

可并聯(lián)逆變模塊硬件電路由功率處理主電路、控制驅(qū)動電路、保護(hù)電路組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1，DC/DC變換電路為BOOST電路，采用高頻環(huán)進(jìn)行逆變，因而無須采用工頻變壓器，使體積減小，其作用是利用DC-DC全橋高頻隔離升壓將直流220V電壓變換成PWM整流逆變電路所需要的電壓，供后級的全橋逆變使用，其控制系統(tǒng)結(jié)果如圖2所示。輸出給定電流Ug與實(shí)際的輸出電壓Uk相比較后，其誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后與鋸齒波比較形成PWM信號，該信號再經(jīng)驅(qū)動電路去控制BOOST電路中的開關(guān)器件IGBT,便可使實(shí)際的輸出電壓跟蹤給定電壓。本系統(tǒng)采用PWM控制器SG3525獲得PWM控制信號[3]。

DC/DC變換電路控制結(jié)構(gòu)簡圖2

逆變器的功率處理采用全橋電路，經(jīng)過SPWM調(diào)制以后，輸出經(jīng)過濾波電感和電容濾波以后，直接和其它逆變器的輸出進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)要求和電網(wǎng)進(jìn)行快速切換的時候，系統(tǒng)主監(jiān)控指揮電子切換箱的開關(guān)動作，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的旁路切換。

控制電路DSP TMS320F2407A完成SPWM波形的產(chǎn)生、鎖相、控制、均流以及同步信號捕捉、數(shù)據(jù)采樣等功能。使用DSP內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對輸出電壓反饋信號進(jìn)行采樣，通過數(shù)字PI控制器完成電壓有效值外環(huán)控制，保證輸出電壓有效值穩(wěn)態(tài)無差。PI控制器的輸出乘以標(biāo)準(zhǔn)給定信號，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后作為控制電路模擬部分的參考輸入信號。

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主從設(shè)置法和平均電流法都無法實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，使并聯(lián)電源模塊系統(tǒng)的可靠性得不到很好的保證；而采用自主均流芯片UC3902依據(jù)特有的性能，如：“均流精度高，動態(tài)響應(yīng)好，可以實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)等”, 自主均流法實(shí)質(zhì)上是在N個并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊將自動成為主模塊，其余的模塊則成為從模塊，各個從模塊的電壓誤差依次被整定，以調(diào)節(jié)負(fù)載電流分配的不均衡。由于N個并聯(lián)的模塊中，事先沒有人為設(shè)定哪個模塊為主模塊，而是按輸出電流的大小隨機(jī)排序，輸出電流大的模塊自動成為主模塊。本控制系統(tǒng)采用此芯片可以直接得到均流誤差信號，簡化了控制系統(tǒng)復(fù)雜的電流計(jì)算，提高了系統(tǒng)可靠性。

UC3902集成芯片通過精確地調(diào)整變換器的輸出電壓以匹配所有的輸出電流。另外，此芯片有一個獨(dú)特的有利條件是使用了差模均載母線，這種結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)對噪音的抑制能力。UC3902均流芯片應(yīng)用在電力電源中具有如下的特點(diǎn)：（1）均流精度高（2）外圍電路設(shè)計(jì)簡單，不象UC3907那樣過于復(fù)雜（3）易于做熱插拔操作。

4　 軟件設(shè)計(jì)部分：

控制部分主程序主要完成開機(jī)檢測、均流計(jì)算、同步捕捉、計(jì)算調(diào)制度，輸出SPWM波、限流保護(hù)策略。

4.1　均流計(jì)算：

從理論上講DC/AC逆變模塊的并聯(lián)條件是：各模塊輸出電壓的頻率、相位和幅值以及內(nèi)阻完全相同，才能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)模塊輸出的電流、功率完全均衡。實(shí)際系統(tǒng)中，由于各模塊硬件的分散性是不可避免的，各模塊的基準(zhǔn)正弦信號的頻率和幅值也會有微小差異；以上差異都會導(dǎo)致各模塊輸出電壓的相位和幅值不等；相位差會引起模塊之間產(chǎn)生有功環(huán)流，幅值差會引起模塊間產(chǎn)生無功環(huán)流。

由無功功率公式

，

可知（其中N為系統(tǒng)中并聯(lián)模塊總數(shù)，n表示第n個模塊，為功率因數(shù)，是均流差值），減少即可減少無功環(huán)流。

無功功率電流調(diào)節(jié)可采用功率偏差控制策略，逆變器通過模塊檢測出本模塊的均流偏差值，來調(diào)節(jié)本模塊輸出的電壓值，使各個并聯(lián)逆變器模塊輸出的無功功率相等，達(dá)到均流的目的。為了使得每個并聯(lián)逆變器的電流達(dá)到均等地目的，在每個并聯(lián)逆變器的控制環(huán)上除了電壓控制環(huán)之外還加了一個均流環(huán)?？刂瓶驁D如下圖3所示。在均流控制中，均流差值信號由均流芯片uc3902給出，均流環(huán)采用不完全微分PID控制，以減小由于單個模塊數(shù)據(jù)錯誤而對整個系統(tǒng)的沖擊。為保證實(shí)際均流的可行性和調(diào)整范圍，采用模糊控制的思想，限定均流實(shí)際輸出的電壓在一定范圍之內(nèi)（即調(diào)整后的實(shí)際輸出電壓在標(biāo)準(zhǔn)電壓內(nèi)），這樣可以保證均流的可靠性。同時單步調(diào)整的幅度不能過大，一般在1V以內(nèi)，否則會引起較大的環(huán)流波動。

系統(tǒng)閉環(huán)控制圖3

4.2　同步控制策略

逆變電源系統(tǒng)中，為抑制模塊間環(huán)流的影響，必須保證各逆變模塊輸出電壓的相位、幅值及頻率的一致性，這是實(shí)現(xiàn)并機(jī)控制的前提。

本系統(tǒng)可并聯(lián)逆變器采用自同步和外同步結(jié)合的全新原理設(shè)計(jì)如圖4，在有外部同步信號的時候，逆變器輸出可以跟蹤電網(wǎng)同步或監(jiān)控器給定的同步；在同步控制單元檢測一段時間如果沒有外同步信號，同步信號線自動切換到自激電路，保證監(jiān)控單元出現(xiàn)故障也能夠正常工作。這種同步控制方式即使有某個模塊因?yàn)楣收蠐p壞不能輸出同步信號，也不影響并聯(lián)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)同步和外同步相結(jié)合的同步機(jī)制，這是本系統(tǒng)一大特點(diǎn)。逆變器用2407A 的捕獲單元，通過捕獲同步脈沖，在中斷程序中完成與市電相位、頻率的同步。

同步控制電路4

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4.3　SPWM控制策略：

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用事件管理器(假設(shè)EV2)中的1個全比較單元、通用定時器3、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來生成單相四路SPWM波，經(jīng)4個復(fù)用的Ｉ/Ｏ引腳輸出。TMS320LF2407A的定時器有4種工作方式，采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式工作時，將產(chǎn)生對稱的SPWM波輸出。在這種計(jì)數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值由初值開始向上增計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)T3PR值時，開始遞減計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(進(jìn)入中斷服務(wù)程序)又重新向上增計(jì)數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的過程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器CMPRx (x=4，5)的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與其相對應(yīng)的比較寄存器的值相等發(fā)生匹配，則對應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。在每個載波周期內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。只要在每個三角波載波周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器CMPRx的值，就可實(shí)時地改變脈沖的占空比，得到完整周期的SPWM脈沖。對每個脈沖相對于載波周期的占空比的計(jì)算是在定時器的中斷服務(wù)子程序中完成的。

4.4　限流保護(hù)策略

限流保護(hù)采用硬件和DSP軟件雙重保護(hù)，DSP軟件保護(hù)采用預(yù)測控制限流技術(shù)，在電流上升過程中，根據(jù)去除采樣點(diǎn)的異常電流值后的連續(xù)采樣電流值和連續(xù)采樣電流值的斜率與設(shè)定值進(jìn)行比較，預(yù)測電流是否出現(xiàn)過流的情況，對過流可以提前進(jìn)行判斷和處理，使輸出控制軟件產(chǎn)生電流波形無限逼近標(biāo)準(zhǔn)波形，大大減少了諧波電流，從而更好的保護(hù)負(fù)載正常工作運(yùn)行，硬件保護(hù)采用驅(qū)動模塊HCPL-316J自帶的過流檢測電路，主要在軟件限流失效或者過流上升速度非?？斓那闆r下起保護(hù)作用。采用雙重限流保護(hù)，能夠大大提供系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1　直流輸入和DC/DC直流升壓后的電壓波形

直流輸入和升壓后電壓波形圖5

圖5為直流輸入和DC/DC升壓后電壓波形，電壓紋波較小，基本平直，當(dāng)電壓有輕微抖動時，通過直流電壓幅值反饋的調(diào)節(jié)使電壓保持穩(wěn)定，保證了良好的動態(tài)響應(yīng)。

5.2　 模塊與市電同步波形圖

同步波形圖6

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圖6為模塊與市電同步波形圖，兩者相位相差接近為0，較好的保證了并聯(lián)。

5.3　 模塊并聯(lián)的電壓波形圖

并聯(lián)波形圖7

圖7為并聯(lián)模塊圖，可以看出，基本成分近似為正弦，畸變很小，并聯(lián)效果好。

6　 結(jié)論

本系統(tǒng)主控制芯片TI公司的dsp2407全數(shù)字化設(shè)計(jì)，控制元件少，穩(wěn)定度高，高可靠性SPWM驅(qū)動信號輸出，采用UC3902芯片均流技術(shù)，各逆變單元獨(dú)立工作，民主均流，簡化了大量的軟件計(jì)算，大大提高了均流精度，并機(jī)安裝方便。采用自同步和外同步結(jié)合的全新原理設(shè)計(jì)，單個模塊和監(jiān)控故障不影響其他模塊正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性?？蓪?shí)現(xiàn)N+1逆變單元并聯(lián)擴(kuò)容，電源的容量大大提高?？蓭щ姛岣鼡Q，操作維護(hù)方便。

總之本系統(tǒng)采用的方案具有高集成度、高性能比、最簡單的外圍電路、最佳的性能指標(biāo)等特點(diǎn)，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

1 刑巖　逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的研究.[博士生論文] 南京航空航天大學(xué), 19991

2 陳宏　逆變電源并聯(lián)技術(shù).南京：東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.55～59

3 李永富 高頻開關(guān)有源逆變技術(shù).北京：直流電源,2004.39～44