基于DSP控制的逆變器并聯(lián)

基于DSP控制的逆變器并聯(lián)??

摘要：通過(guò)采樣輸出電壓和電感上電流來(lái)控制逆變器，并采用CAN總線作為并聯(lián)通訊線，通過(guò)對(duì)逆變器參考電壓的調(diào)節(jié)使得各并聯(lián)逆變器達(dá)到均流的效果。文章給出了仿真波形并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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

1? 前言

??? 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)交流電源的要求也越來(lái)越高。不間斷電源（Uninterruptible Power Systems簡(jiǎn)稱(chēng)UPS）能夠提供品質(zhì)良好的正弦波電源，且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的污染小。隨著對(duì)交流電源容量和整個(gè)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的要求越來(lái)越高，UPS的并聯(lián)技術(shù)也被廣泛地研究與應(yīng)用。采用UPS并聯(lián)技術(shù)組成的供電系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)：

??? 1）它使電源的容量大大提高；

??? 2）提高了整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；

??? 3）方便了整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)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(shù)中，最重要的一點(diǎn)就是要保證各個(gè)并聯(lián)模塊的功率分配要均勻，也就是各個(gè)模塊要達(dá)到均流的要求。下面以2臺(tái)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行為例，簡(jiǎn)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(gè)逆變器的SPWM輸出波形電壓；L1、L2、C1、C2分別是2個(gè)逆變器的濾波電感和電容；R是2個(gè)逆變器的公共負(fù)載。

圖1? 2臺(tái)UPS并聯(lián)的等效電路

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

??? iL1=（1）

??? iL2=（2）

??? 從式（1）、（2）可以看出每個(gè)逆變器的電感電流包括兩個(gè)部分：第一部分是負(fù)載電流，這一部分兩個(gè)逆變器是一樣的；第二部分是環(huán)流，這一部分兩個(gè)逆變器所承擔(dān)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(guān)，而且跟輸出電壓的相位也有關(guān)。因此，UPS的并聯(lián)比一般的直流電源并聯(lián)要復(fù)雜得多，它必須滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：

??? 1）各個(gè)逆變器的輸出電壓的幅值必須相等；

??? 2）各個(gè)逆變器的輸出電壓的頻率必須相等；

??? 3）各個(gè)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(mǎn)足逆變器并聯(lián)所必須的條件，各種并聯(lián)控制方案相應(yīng)被提出。主要有集中控制、主從式控制、分散式并聯(lián)、無(wú)互聯(lián)線控制等方案。本文采用CAN總線數(shù)字技術(shù)，將1臺(tái)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(gè)并聯(lián)模塊。各并聯(lián)模塊跟蹤主模塊的電流，以達(dá)到均流的效果。

3.1? 逆變器主電路分析

??? 單個(gè)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在單個(gè)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(nèi)帶CAN控制器）及一些采樣電路組成。DSP通過(guò)采樣電感電流和輸出電壓來(lái)控制逆變器，同時(shí)通過(guò)CAN通訊線來(lái)獲得主模塊的電流和相位。

圖2? 2臺(tái)逆變器并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)

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

圖3? 逆變器的數(shù)學(xué)模型

??? 由圖3可以得到以下2個(gè)傳遞函數(shù)：

??? =（3）

??? =（4）

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

3.2? 均流控制方案設(shè)計(jì)

??? 為了使得每個(gè)并聯(lián)逆變器的電流達(dá)到均等的目的，在每個(gè)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(gè)均流環(huán)。控制框圖如圖4所示。在均流控制中，主模塊通過(guò)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(gè)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(lái)控制SPWM波形，以達(dá)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(dòng)態(tài)響應(yīng)得到提高，而均流環(huán)使得各個(gè)模塊能夠達(dá)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(gè)數(shù)據(jù)誤碼而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的沖擊。

4? 電路仿真及波形

??? 利用MATLAB對(duì)以上所設(shè)計(jì)的并聯(lián)控制方案進(jìn)行仿真。仿真時(shí)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(kāi)關(guān)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(diào)節(jié)，均流環(huán)采用PID控制。仿真結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5? 2臺(tái)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(shí)驗(yàn)及波形

??? 為驗(yàn)證仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用2臺(tái)UPS并聯(lián)，具體的參數(shù)與仿真時(shí)相同，即U1=U2=200V，f=50Hz，輸出電壓設(shè)計(jì)為100V，L=2.7mH，C=4.5μF。

??? 圖7為2臺(tái)逆變器輸出8A電流時(shí)各自輸出的電流，從實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，2臺(tái)逆變器有很好的均流效果。

圖7? 2臺(tái)逆變器的輸出電流

??? 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(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障退出并聯(lián)，其他2臺(tái)的電流波形。

圖9? 3臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)，當(dāng)其中1臺(tái)發(fā)生故障退出并聯(lián)，其它2臺(tái)的電流波形

??? 圖10是2臺(tái)逆變器并聯(lián)由空載到突加負(fù)載時(shí)的輸出電流波形。

圖10? 突加負(fù)載時(shí)的電流

6? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文采用主從控制方式，通過(guò)采樣逆變器電感上的電流，在控制上加入一個(gè)均流環(huán)來(lái)達(dá)到各臺(tái)并聯(lián)逆變器的均流。從仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，這種控制方式能夠使各個(gè)逆變器達(dá)到很好的均流效果。