无主可并联逆变电源控制技术

1 引言

随着国内电力工业的不断发展，发电厂、变电站在故障情况下要求不间断电源供电的交流负荷越来越多，对交流供电质量和交流供电的可靠性的要求也越来越高，因此如何提高逆变器的供电质量和供电可靠性是逆变器研究的重点。

逆变电源的并联策略有很多,有主从结构[1] ,用电压型逆变器作为主模块控制系统电压,电流型逆变器提供负载电流。有对等式,并联的各个逆变器结构功能相同,相互间有信号的传递,但不存在隶属关系。还有基于有功无功调节的无连线并联方式[2]。

随着控制技术的发展，高速数字处理芯片DSP的出现，实现高质量的交流输出已经不成问题；但是如何实现逆变器的冗余设计依然是困扰开发者的主要问题，目前市场上流行的逆变器的并联技术是采用系统监控器统一产生SPWM信号进行同步和负载均分的，这种逆变器的技术缺点是：单逆变器不能工作，必须配和系统的监控器才能工作，因此小系统的性能价格比不高；系统的可靠性取决于系统监控器的可靠性，监控器一旦损坏，整个系统将瘫痪；交流输出不能短路，短路将会造成逆变器烧毁的危险。

2 无主可并联逆变控制方式

逆变器可采用的控制方法种类繁多，每一种控制方法都有其优缺点。同时采用不同的控制方法形成复合控制，可以实现取长补短、优势互济的目的，因此，复合控制是逆变器控制方法的一个发展趋势。随着控制理论和数字处理芯片的迅速发展，使各种先进控制方法的实现成为可能，逆变器的数字化控制方法成了今后交流电源领域中的一个研究热点和发展趋势。

本方案采用各种控制方法相结合的复合控制，自同步和外同步结合的全新原理设计，其优点是可靠性高；可单机使用也可组屏，配置方便；采用电子开关外挂方式，方便组成UPS、EPS等其它形式的逆变电源；系统监控有三个可以错相120度的同步信号，方便组合成三相逆变电源系统；并且三相单独调节，每相可带100％不平衡负载。

系统原理框　图1

3 硬件设计部分：

可并联逆变模块硬件电路由功率处理主电路、控制驱动电路、保护电路组成，系统原理框图如图1，DC/DC变换电路为BOOST电路，采用高频环进行逆变，因而无须采用工频变压器，使体积减小，其作用是利用DC-DC全桥高频隔离升压将直流220V电压变换成PWM整流逆变电路所需要的电压，供后级的全桥逆变使用，其控制系统结果如图2所示。输出给定电流Ug与实际的输出电压Uk相比较后，其误差信号经PI调节器后与锯齿波比较形成PWM信号，该信号再经驱动电路去控制BOOST电路中的开关器件IGBT,便可使实际的输出电压跟踪给定电压。本系统采用PWM控制器SG3525获得PWM控制信号[3]。

DC/DC变换电路控制结构简图2

逆变器的功率处理采用全桥电路，经过SPWM调制以后，输出经过滤波电感和电容滤波以后，直接和其它逆变器的输出进行并联，当要求和电网进行快速切换的时候，系统主监控指挥电子切换箱的开关动作，实现与电网的旁路切换。

控制电路DSP TMS320F2407A完成SPWM波形的产生、锁相、控制、均流以及同步信号捕捉、数据采样等功能。使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样，通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制，保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号，经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。

主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，使并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证；而采用自主均流芯片UC3902依据特有的性能，如：“均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等”, 自主均流法实质上是在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，其余的模块则成为从模块，各个从模块的电压误差依次被整定，以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中，事先没有人为设定哪个模块为主模块，而是按输出电流的大小随机排序，输出电流大的模块自动成为主模块。本控制系统采用此芯片可以直接得到均流误差信号，简化了控制系统复杂的电流计算，提高了系统可靠性。

UC3902集成芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外，此芯片有一个独特的有利条件是使用了差模均载母线，这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。UC3902均流芯片应用在电力电源中具有如下的特点：（1）均流精度高（2）外围电路设计简单，不象UC3907那样过于复杂（3）易于做热插拔操作。

4 软件设计部分：

控制部分主程序主要完成开机检测、均流计算、同步捕捉、计算调制度，输出SPWM波、限流保护策略。

4.1　均流计算：

从理论上讲DC/AC逆变模块的并联条件是：各模块输出电压的频率、相位和幅值以及内阻完全相同，才能实现并联运行，并联模块输出的电流、功率完全均衡。实际系统中，由于各模块硬件的分散性是不可避免的，各模块的基准正弦信号的频率和幅值也会有微小差异；以上差异都会导致各模块输出电压的相位和幅值不等；相位差会引起模块之间产生有功环流，幅值差会引起模块间产生无功环流。

由无功功率公式

可知（其中N为系统中并联模块总数，n表示第n个模块，为功率因数，是均流差值），减少即可减少无功环流。

无功功率电流调节可采用功率偏差控制策略，逆变器通过模块检测出本模块的均流偏差值，来调节本模块输出的电压值，使各个并联逆变器模块输出的无功功率相等，达到均流的目的。为了使得每个并联逆变器的电流达到均等地目的，在每个并联逆变器的控制环上除了电压控制环之外还加了一个均流环。控制框图如下图3所示。在均流控制中，均流差值信号由均流芯片uc3902给出，均流环采用不完全微分PID控制，以减小由于单个模块数据错误而对整个系统的冲击。为保证实际均流的可行性和调整范围，采用模糊控制的思想，限定均流实际输出的电压在一定范围之内（即调整后的实际输出电压在标准电压内），这样可以保证均流的可靠性。同时单步调整的幅度不能过大，一般在1V以内，否则会引起较大的环流波动。

系统闭环控制图3

4.2　同步控制策略

逆变电源系统中，为抑制模块间环流的影响，必须保证各逆变模块输出电压的相位、幅值及频率的一致性，这是实现并机控制的前提。

本系统可并联逆变器采用自同步和外同步结合的全新原理设计如图4，在有外部同步信号的时候，逆变器输出可以跟踪电网同步或监控器给定的同步；在同步控制单元检测一段时间如果没有外同步信号，同步信号线自动切换到自激电路，保证监控单元出现故障也能够正常工作。这种同步控制方式即使有某个模块因为故障损坏不能输出同步信号，也不影响并联运行，从而实现了内同步和外同步相结合的同步机制，这是本系统一大特点。逆变器用2407A 的捕获单元，通过捕获同步脉冲，在中断程序中完成与市电相位、频率的同步。

同步控制电路4

4.3　SPWM控制策略：

在实际设计过程中，采用事件管理器(假设EV2)中的1个全比较单元、通用定时器3、死区发生单元以及输出逻辑来生成单相四路SPWM波，经4个复用的Ｉ/Ｏ引脚输出。TMS320LF2407A的定时器有4种工作方式，采用连续增/减计数方式工作时，将产生对称的SPWM波输出。在这种计数方式下，计数器的值由初值开始向上增计数，当到达T3PR值时，开始递减计数，直至计数器的值为零时(进入中断服务程序)又重新向上增计数，如此循环往复。在计数器计数的过程中，计数器的值都与比较寄存器CMPRx (x=4，5)的值作比较，当计数器的值与其相对应的比较寄存器的值相等发生匹配，则对应的该相方波输出发生电平翻转。在每个载波周期内，输出的方波将发生两次电平翻转。只要在每个三角波载波周期根据在线计算改写比较寄存器CMPRx的值，就可实时地改变脉冲的占空比，得到完整周期的SPWM脉冲。对每个脉冲相对于载波周期的占空比的计算是在定时器的中断服务子程序中完成的。

4.4　限流保护策略

限流保护采用硬件和DSP软件双重保护，DSP软件保护采用预测控制限流技术，在电流上升过程中，根据去除采样点的异常电流值后的连续采样电流值和连续采样电流值的斜率与设定值进行比较，预测电流是否出现过流的情况，对过流可以提前进行判断和处理，使输出控制软件产生电流波形无限逼近标准波形，大大减少了谐波电流，从而更好的保护负载正常工作运行，硬件保护采用驱动模块HCPL-316J自带的过流检测电路，主要在软件限流失效或者过流上升速度非常快的情况下起保护作用。采用双重限流保护，能够大大提供系统工作的安全性和可靠性。

5 试验结果及分析

5.1  直流输入和DC/DC直流升压后的电压波形

直流输入和升压后电压波形图5

图5为直流输入和DC/DC升压后电压波形，电压纹波较小，基本平直，当电压有轻微抖动时，通过直流电压幅值反馈的调节使电压保持稳定，保证了良好的动态响应。

5.2　模块与市电同步波形图

同步波形图6

图6为模块与市电同步波形图，两者相位相差接近为0，较好的保证了并联。

5.3　模块并联的电压波形图

并联波形图7

图7为并联模块图，可以看出，基本成分近似为正弦，畸变很小，并联效果好。

6 结论

本系统主控制芯片TI公司的dsp2407全数字化设计，控制元件少，稳定度高，高可靠性SPWM驱动信号输出，采用UC3902芯片均流技术，各逆变单元独立工作，民主均流，简化了大量的软件计算，大大提高了均流精度，并机安装方便。采用自同步和外同步结合的全新原理设计，单个模块和监控故障不影响其他模块正常工作，大大提高了系统可靠性。可实现N+1逆变单元并联扩容，电源的容量大大提高。可带电热更换，操作维护方便。

总之本系统采用的方案具有高集成度、高性能比、最简单的外围电路、最佳的性能指标等特点，将带来巨大的经济和社会效益。

参考文献：

1 刑岩　逆变器并联运行系统的研究.[博士生论文] 南京航空航天大学, 19991

2 陈宏　逆变电源并联技术.南京：东南大学学报，2002.55～59

3 李永富 高频开关有源逆变技术.北京：直流电源,2004.39～44