CN100495892C - 一种逆变系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变系统及控制方法，该逆变系统由电力变换电路和控制系统构成，电力变换电路提供电力由直流到交流变换的通道，包括功率逆变电路和功率滤波电路；控制系统用于实现控制算法、信息管理和交换，并对电力变换电路中开关器件实施控制，它包含有中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯管理模块、多路功率驱动模块和分级报警管理模块，本发明保证了驱动信号的放大和窄脉冲限制，以及报警信息的及时、准确反馈；且具有强大的通信功能，既保证了系统的单机独立运行，又可和上位机远程检测；软件具有强大的实时性和专用性。

Description

一种逆变系统及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子与电力变换系统及装置技术领域，特别涉及一种逆变系统及控制方法。

背景技术

随着新的电子器件、电磁材料、变换技术、控制理论及新的芯片和软件的不断出现，电力电子与电力变换技术得到长足的发展，相关产品性能有显著提高。

近年来，随着第二代能源系统的建设，以微型燃机发电机组组成的热、电、冷联产系统在国际上得到积极推广应用。逆变系统(将直流电转换为交流电)作为微型燃机发电系统和供电用逆变系统的最终输出电能质量的保证，得到了广泛关注。

目前提供的三相四线制逆变供电系统中，普遍采用加入变压器的方案，该系统体积庞大、工艺复杂、效率较低，并且变压器存在漏电感，因此输出电压的对称性无法得到保障；三个半桥结构，在负载严重不平衡时，连接中心点的电容承受较大电流，增加了系统出现故障的可能性。

发明内容

本发明针对三相四线制逆变供电系统中存在的问题，提供一种逆变系统及控制方法。

本发明包含逆变系统和实现逆变功能的控制方法。所述逆变系统由电力变换电路和控制系统构成。图1为本发明的系统结构示意图。电力变换电路提供了电力由直流到交流变换的通道，它包括功率逆变电路和功率滤波电路；控制系统用于实现控制算法、信息管理和交换，并对电力变换电路中开关器件(IGBT)实施控制，以实现三相四线逆变输出，控制系统包含有中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯管理模块、多路功率驱动模块和分级报警管理模块。其中多路数据检测与采集模块将检测到的包括三相电压、三相电流、零线电流和直流母线电压的多路模拟信号发送到中央控制模块；中央控制模块将多路模拟信号传送给分级报警管理模块；分级报警管理模块根据多路模拟信号确定系统的工作状态是一级报警或者二级报警，并设置报警状态位；中央控制模块将A相电压、B相电压、C相电压和零线电流的检测量作为反馈量，进行PID控制，得出控制量，通过多路功率驱动模块，对功率逆变电路的开关器件控制；分级通讯管理模块根据系统的工作状态与上位机进行通讯。

电力变换电路，包括功率逆变电路和功率滤波电路。

1、功率逆变电路

功率逆变电路采用三相四桥臂结构，图2为功率逆变电路。图2中PN间为外加直流电压，电路由八个开关器件(IGBT)、八个续流二极管和四个无感电容构成，G、A、B、C四点分别为功率逆变电路的四个输出点，与G点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为G桥臂；与A点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为A桥臂；与B点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为B桥臂；与C点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为C桥臂，G、A、B、C四个桥臂并联在功率逆变电路的直流端P、N点，同时每个桥臂都并联一个无感电容；G、A、B、C四点由引线引出提供三相四线制交流电。PN间跨接的每两个开关器件(IGBT)和二极管构成一个单元(即一个桥臂)由一个双开关器件(IGBT)模块实现，在模块上接入无感电容以吸收器件关断时的浪涌电压。电路共由四个双开关器件(IGBT)模块(即四个桥臂)构成。这种电路结构是在传统的三相三桥臂结构基础上，增加第四桥臂，以直接控制中心点电压，并产生零线电流流入负载。这增加的一个可控自由度使得三相四桥臂逆变器可以产生三个独立电压，从而实现解耦控制，维持三相输出相电压的对称。这种独特的结构为实现基于解耦控制思想的独立模糊控制方案在硬件上提供了基础。

2、功率滤波电路

功率滤波电路采用三相对称滤波，滤波电路跨接在每一相的相间。图3为功率滤波电路，电路采用电感、电阻和电容组成。图3(a)为三相滤波电路，三相电路结构完全一致。图3(b)为一相滤波电路加以说明，由于典型的二阶滤波电路只由电容和电感构成，在截止频率附近会出现振荡现象，这是工程上应尽量避免的。为了减弱振荡出现的幅值，在滤波电路中加入电阻，增加了系统的阻尼，改变系统动态特性，这样系统的传递函数变为

$\frac{U_O}{U_I}=\frac{\mathrm{SRC}+1}{S^3\mathrm{RL}{C}^2+S^{2}2\mathrm{LC}+\mathrm{SRC}+1}$

其中：U_O为输出电压；U_I为输入电压；R、L、C分别为电阻、电感、电容值；S为拉氏变换算子。

这一电路结构能有效保留基波成分并滤除高次谐波。

控制系统

控制系统由多路数据检测与采集模块、中央控制模块、分级通讯管理模块、多路功率驱动模块和分级报警管理模块构成，图4为控制系统的电路原理图。实现控制系统各模块功能的硬件平台包括中央处理器(IC101)，内有存储空间用于存储程序和数据；实现3.3V到5V的电压匹配芯片(IC201、IC202、IC203、IC204、IC205)；系统复位芯片(IC102)；专用串行通讯芯片(IC206)；CAN总线通讯芯片(IC207)。

该硬件平台以中央处理器(IC101)为核心，扩展了存储电路、电压匹配电路、系统复位电路、串行通讯电路、CAN总线通讯电路、报警通道、驱动通道、数据采集通道、I/O通道、晶振电路。其中(1)中央处理器(IC101)的D0-D15提供了数据信号接口(数据通道是从中央处理器(IC101)的D0-D15顺次连接到电压匹配芯片(IC201)的1A1-1A8、2A1-2A8再由电压匹配芯片(IC201)的1B1-1B8、2B1-2B8输出到存储单元)，这一数据通道为存储单元提供数据信息；(2)中央处理器(IC101)的A0-A15提供地址(地址传输通道是从中央处理器(IC101)的A0-A15顺次连接到IC204的1A1-1A8、2A1-2A8再由IC204的1B1-1B8、2B1-2B8输出到存储单元)，给存储单元；(3)中央处理器(IC101)的W/R连接电压匹配芯片(IC201)的1DIR和2DIR，用以控制存储单元的数据传输方向；(4)中央处理器(IC101)的DS、RD、IS、PS、WE、IOPC2形成控制信号接口并与存储单元相连(通道是从中央处理器(IC101)的DS、RD、IS、PS、WE、IOPC2顺次连接到IC205的1A7、1A8、2A1-2A4再由IC205的1B7、1B8、2B1-2B4输出到存储单元)，提供了存储单元各芯片的片选信号；(5)中央处理器(IC101)的RS、WDI与复位电路相连，提供了系统复位功能(通道是从中央处理器(IC101)的RS、WDI顺次连接到IC203的2A3、IC205的2B7再由IC203的2B3、IC205的2A7连接到IC103的11脚、IC102的WDI输出)；(6)中央处理器(IC101)的SCITXD和SCIRXD提供了串行通讯的数据接口并与专用串行通讯芯片相连(通道是从中央处理器(IC101)的SCITXD、SCIRXD顺次连接到IC205的2A6、IC203的2A6再由IC205的2B6、IC203的2B6连接到IC206的T1IN、R1OUT最后由IC206的T1OUT、R1IN输出到端子)；(7)中央处理器(IC101)的CANTX、CANRX.提供了CAN总线通讯的数据接口并与专用CAN通讯芯片相连(通道是从中央处理器(IC101)的CANTX、CANRX对应连接到IC205的2A8、IC203的2A7再由IC205的2B8、IC203的2B7连接到IC207的TXD、RXD最后由IC207的CANL、CANH输出到端子)；(8)中央处理器(IC101)的PDPINTA提供了危险报警的引入接口并与驱动单元相连(通道是从中央处理器(IC101)的PDPINTA连接到IC203的1A2再由IC203的1B2输出)；(9)中央处理器(IC101)的PWM1-PWM8提供了驱动功率器件的信号并与驱动单元相连(通道是从中央处理器(IC101)的PWM1-PWM8顺次连接到IC202的1A1-1A8再由IC202的1B1-1B8输出到驱动单元)；(10)中央处理器(IC101)的ADCIN00-ADCIN09与图5中电路相连，用以采集各物理量；(11)中央处理器(IC101)的IOPA3、IOPA4、IOPE3-IOPE6、IOPFO、IOPF1、IOPF5、IOPF6提供专用I/O通讯接口并与专用I/O线相连(通道是从中央处理器(IC101)的IOPA3、IOPA4、IOPE3-IOPE6、IOPFO、IOPF1、IOPF5、IOPF6顺次连接到IC203的1A3、1A4、1A6-1A8、2A1、IC205的1A2-1A5，IC203的1B3、1B4、1B6-1B8、2B1、IC205的1B2-1B5)；(12)中央处理器(IC101)的TCK、TDO、TDI、TMS、TRST、EMU1、EMU0与插座相连，用于连接仿真器，可以用来调试程序和将程序写入中央处理器(IC101)的闪存；(13)中央处理器(IC101)的PLLF2、PLLF、XTAL1、XTAL2与晶振电路相连，用于提供系统的时钟基准；(14)中央处理器(IC101)的VSSO和VSS与系统的地线相连；(15)中央处理器(IC101)的VDDO和VDD与3.3V相连，提供中央处理器(IC101)的工作电源。

1、多路检测与采集模块

多路检测模块采集多路模拟信号，包括三相电压、三相电流、零线电流和直流母线电压。模块采用软件和硬件相结合的处理方式，对各路反馈信号进行处理，图5为模块一个通道硬件电路。多路通道为若干单路通道并联构成。采集信号来自于传感器，通过四级运算放大器进行模拟信号处理，将传感器输出转化为与图4中中央处理器(IC101)相匹配的0—3.3V信号，传给中央处理器(IC101)的ADCIN00—ADCIN09(其中有两个通道作为预留，中央处理器(IC101)的ADCIN为中央处理器内置A/D转换器的输入)，经过A/D转换形成数字信号，再采用软件处理的方式保证采集信号的真实可靠。图6为测量处理程序框图，其工作流程如下：

(1)读各路采样信号；

(2)调用数字滤波子程序；

(3)调用数值计算子程序；

(4)信号处理结束。

其中数字滤波算法通过公式Y_(n)＝0.6Y_(n-1)+0.208X_(n)+0.192X_(n-1)实现，其中X_(n)为现时输入，X_(n-1)为上一时刻的输入，Y_(n)为现时计算出的输出值，Y_(n-1)为上一时刻的输出值，0.6、0.208.和0.192为系数。数字滤波子程序实现了这一算法，其工作流程如下(图7为数字滤波程序框图)：

a)开始；

b)根据所求项目确定对应历史记录表dma单元的地址；

c)读当前输入值X(n)到dma-1单元；

d)将X(n—1)进行乘积(乘以公式中对应系数)，累加(以便实现公式中加法运算)、数据移动(将X(n-1)存入dma+1单元)；

e)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

f)将X(n)进行乘积，累加、数据移动(将X(n)存入dma单元作为下一次计算的X(n-1))；

g)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

h)Y(n-1)进行乘积，累加、数据移动；

i)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

j)将Y(n)存入dma-2单元作为下一次Y(n-1)；

k)输出Y(n)；

l)返回。

数值计算子程序的工作流程如下(图8为数值计算子程序框图)：

a)开始；

b)根据所求项目确定该项目记录一个周期数据表的首地址，并根据当前时刻(有周期计数器计数值确定)在当前正弦周期的位置确定表中地址偏移量A；

c)确定表中地址偏移量；

d)XZ＝XZ-XA(XZ为一周期数值总和，A为当前计数值)；

e)读入当前值并存入寄存器XA；

f)XZ＝XZ+XA；

g)X＝XZ*K*1.11(系数K＝1/96)；；

h)返回。

2、中央控制模块

中央控制模块主要用于控制逻辑的实现。本发明以图4中中央处理器(IC101)为核心，扩展晶振电路(图4中RS101等)、外部看门狗电路(图4中IC102等)、外扩存储器(存储器地址线由图4中IC204的1B1—8、2B1—8提供，数据线由图4中IC201中1B1—8、2B1—8提供)和多路电平转换器(图4中IC201—IC205)构成中央控制模块硬件电路。

中央控制模块软件不仅实现控制逻辑，而且对信息进行管理，主要由运行条件判断、运行和停机控制构成。

运行条件判断软件分别由初始化程序、自检程序、接受开机命令和直流母线电压正常判断构成，其中CCU为上为机，图9为运行条件判断程序框图。

运行和停机控制程序由启动和停机判断、供电控制逻辑、逆变器运行控制、通讯调用构成。图10为运行和停机控制程序框图，其工作流程如下：

(1)等待定时中断；

(2)定时时间到达，进入中断处理程序，对各路反馈信号测量，并判断工作状态是否正常(调用报警子程序)；

(3)中断返回后，调用逆变器运行控制程序，使逆变器工作；

(4)将逆变器工作状态信息通过通讯程序传输；

(5)判断是否第一次启动？如果是第一次启动，进行计数，转入第七步(确保输出稳定后给自身系统供电)；如果不是第一次启动，自身系统供电已实现，转入下一步；

(6)判断是否对外供电并执行相应操作；

  (7)判断是否有停机命令？没有，返回第一步；有，转入下一步；

(8)停机；

(9)将工作状态信息通过通讯程序传输；

(10)转到运行条件判断程序的开始位置。

发明中逆变器运行控制程序以子程序形式被运行和停机控制程序调用，用以实现预期控制逻辑。

通过对三相四桥臂拓扑结构分析，可以得出结论：只要第四桥臂控制恰当，完全可以通过三相独立调节方案达到解耦控制的效果，第四桥臂的控制是实现解耦的关键。三相控制由于控制逻辑基本一致，故只给出一相控制的程序说明。图11为一相控制程序框图，其工作流程如下：

(1)进行周期计数(标准正弦波离散成96个点存在数表中，周期计数的目的是用计数值读取表中相应正弦波的值作为控制参考)；

(2)根据控制给定和反馈值进行PID控制调节得到调节值；

(3)调节值适当处理作为修正系数；

(4)以计数值作为指针在正弦表中找到正弦值作为控制参考；

(5)将正弦值乘以第三步中得到的控制误差修正系数，得到实际控制量。

因为中央处理器在硬件上支持正弦脉宽调制算法，即只要将三相正弦控制量存入相应比较寄存器，中央处理器PWM接口硬件能够自动生成驱动开关器件的控制逻辑，故只要将图4中中央处理器(IC101)的PWM1—6输出经过电平匹配，并接入驱动模块即可实现预定控制。

第四桥臂调节与三相调节有本质区别，是实现解耦控制的关键，图12为第四桥臂控制程序框图，其工作流程如下：

(1)读零线电流；

(2)将零线电流进行滤波处理(将电流乘以一阶惯性环节)存入反馈寄存器(FK)作为反馈，并以0作为给定控制目标(GD为给定寄存器)，进行PID调节，再经过限幅处理作为控制量KZ；

(3)将控制量存入第四桥臂比较寄存器。

由于中央处理器在硬件上支持脉宽调制算法，故只要将图4中中央处理器(IC101)的PWM7、8输出经过电平匹配，并接入驱动模块即可实现预定控制。

B、C两相控制与A相控制类似，只是读正弦表的指针要体现三相互差120度(即B相指针为计数值+32、C相指针为计数值+64)。

整个逆变器运行控制程序顺序执行A、B、C相和第四桥臂控制程序，最后计数器加1，为进行下一步控制提供计数指针，并返回主程序。

3、多路功率驱动模块

多路功率驱动模块以外购西门康公司专用驱动板(SKHI23/17)为基础，模块采用信息双向流动模式(即驱动信号由控制系统传向功率电路，危险报警信号由功率电路传向控制系统)，增加了窄脉冲限制功能。图4中IC202的1B1—8输出的控制逻辑，经过可编程阵列(CPLD)实现窄脉冲限制后，接入4个专用驱动板(一个驱动板驱动一个桥臂的两个开关器件IGBT)，实现对开关器件的控制。窄脉冲限制功能以编程形式植入CPLD中，滤除时间过短的窄脉冲驱动信号，消除无效的器件开关动作。图13为窄脉冲限制程序框图，其工作流程如下：

(1)计数器清零，标志位清零；

(2)判断输入电平？高电平，进入下一步；低电平，转入第五步；

(3)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，输出高电平并转入第二步；不是，转入下一步；

(4)计数器加1，输出低电平，转入第二步；

(5)判断标志位为1？是，转入第七步；不是，转入下一步；

(6)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，标志位置1；不是，计数器清零；

(7)判断计数值为零否？是，标志位清零并输出低电平；不是，计数器减1并输出高电平；

(8)转入第二步。

4、分级报警管理模块

分级报警管理模块采用三级报警设计。最高级为危险报警，来自IGBT的CE端，表明开关器件面临损坏边缘，系统处于危险状态。报警信号由驱动板反向通道传入图4中IC203的1B2，进而传入图4中中央处理器(IC101)的PDPINTA，引发硬件中断请求。驱动板得到报警信号后自动封锁驱动脉冲，但随着器件关断，报警信号的消失，封锁可能被中央处理器的驱动脉冲打开，所以为保证系统故障的彻底消除，有必要通过中央处理器的软件执行关机，通过人为方式检查系统，消除故障。图14为危险报警引发的中断程序框图，其工作流程如下：

(1)系统关机(关闭所有对逆变器的驱动)；

(2)断开所有继电器；

(3)通过通讯程序传输报警信息和停机前系统工作状态；

(4)查询有无进一步通讯请求？有，将有关信息发送；

(5)返回第四步。

一、二级报警是在分析系统各物理量基础上形成，一级报警表明系统处于故障运行状态，应通知相关系统进行停机处理。二级报警表示系统出现工作异常，并判断异常持续时间，如果持续时间较长，说明系统异常不可恢复，升级为一级报警。一、二级报警以子程序形式出现在图10中(即在运行和停机控制程序中)。图15为一、二级报警子程序框图，其工作流程如下：

(1)将采集三相电流求取最大值(IAn、IBn、ICn分别为三相电流值)；

(2)调三相电流报警子程序；

(3)输入零线电流(IO为领先电流值)；

(4)调零线报警子程序；

(5)将采集的三相电压求取最大值和最小值(UAN、UBN、UCN分别为三相电压值)；

(6)调用电压报警子程序；

(7)调用直流母线电压报警子程序(UD为直流母线电压值)。

图16、图17、图18、图19分别为电流报警子程序，电压报警子程序，直流母线电压报警子程序和一级报警软件中断的工作流程框图。

图16中M1用于判断电流类型，M1＝0时说明判断电流为三相电流，对应的一级报警设定值为A1＝310A，二级报警设定值为A2＝260A；M1＝1时说明判断电流为零线电流，对应的一级报警设定值为A1＝50A，二级报警设定值为A2＝30A。出现一级报警时，引发软件中断；出现二级报警时，通过计数器TABJ计算二级报警连续出现次数，如果出现次数大于96，则升级为一级报警。

图17中Umax、Umin分别为三相输出电压的最大、最小值。当输出电压超出208V-254V范围，确定为一级报警；当输出电压超出220V-245V范围但未达到一级报警，确定为二级报警。出现一级报警时，引发软件中断；出现二级报警时，通过计数器TUBJ计算二级报警连续出现次数，如果出现次数大于96，则升级为一级报警。逆变系统初次启动时，输出电压超出208V-254V范围被认为是正常的，但不能超过一定时限(TQC计数器实现了初次启动电压超值计时)。如果超过规定时限，引发一级报警。

图18中UD为直流母线电压。当电压超出648V-792V范围，确定为一级报警；当电压超出684V-756V范围但未达到一级报警，确定为二级报警。出现一级报警时，引发软件中断；出现二级报警时，通过计数器TUDBJ计算二级报警连续山现次数，如果出现次数大于5000，则升级为一级报警。对于初次启动电压出现波动，但未达到一级报警上限被认为是正常的。图19中一级报警中断的功能是通知上位机出现报警，并通过调用通讯程序上传数据。置状态位是通知通讯程序出现一级报警；置报警位置位使通讯程序判断报警原因，并将相关数据上传上位机。

5、分级通讯管理模块

分级通讯管理模块根据信息实时性要求通过不同优先级的数据通讯通道进行通讯。各通道间为并联关系。通讯通道分为三类：(1)专用I/O口，其硬件电路通道为图4中所示中央处理器(IC101)的IOPF0、1、5、6和IOPE3、4、5、6顺次连接IC205的1A2、3、4、5和IC203的1A6、7、8、2A1再由IC205的1B2、3、4、5和IC203的1B6、7、8、2B1连接到端子；(2)专用串行通讯接口，其硬件电路通道为图4中中央处理器(IC101)的SCITXD、SCIRXD对应连接IC205的2A6、IC203的2A6再由IC205的2B6、IC203的2B6连接到IC206的T1IN、R1OUT最后由IC206的T1OUT、R1IN输出到端子；(3)CAN总线接口，其硬件电路通道为图4的中央处理器(IC101)的CANTX、CANRX连接IC205的2A8、IC203的2A7再由IC205的2B8、IC203的2B7连接IC207的TXD、RXD最后由IC207的CANL、CANH连接到端子。

通讯软件在中央处理器中实现，图20为通讯程序框图，其工作流程如下：

(1)读上位机输入信息；

(2)判断有危险报警否？有，通过专用I/O发报警；并转入下一步；没有，转入下一步；

(3)判断有一级报警否？有转入下一步；没有，转入第五步；

(4)将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

(5)将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

(6)判断有进一步通讯要求否？有，按要求将信息通过CAN总线发送：并转入下一步；没有，转入下一步；

(7)返回。

使用本发明的逆变系统，其控制方法包括一下步骤：

步骤一、中央控制模块初始化各寄存器；

步骤二、检查系统是否正常；

步骤三、中央控制模块等待电力变换电路工作命令；

步骤四、接到命令后等待由多路数据检测与采集模块输入直流母线电压进入稳定；

步骤五、中央控制模块等待定时中断的到来；

步骤六、分级报警管理模块判断检测的各物理量是否正常？不正常，进入报警运行；正常，进入下一步；

步骤七、根据多路数据检测与采集模块采集的检测信息和控制目标控制电力变换电路运行；

步骤八、分级通讯管理模块与其他系统和上位机通讯；

步骤九、根据情况中央控制模块决定对自身机组和对外部用户供电；

步骤十、中央控制模块查询停机命令，没有停机命令则返回步骤五；有停机命令则进入下一步；

步骤十一、有停机命令则执行停机过程，并返回步骤一。

本发明保证了驱动信号的放大和窄脉冲限制，以及报警信息的及时、准确反馈；且具有强大的通信功能，采用专用I/O口，专用串行通讯接口和通用CAN总线的分级信息交互方式，保证了系统的单机独立运行，又可和上位机远程监控；本系统和装置软件采用基于DSP32OF240系列芯片的专用汇编语言进行编制，具有强大的实时性和专用性。

附图说明：

图1本发明的系统结构示意图；

图2本发明的电力变换电路中的功率逆变电路；

图3(a)为三相滤波电路(b)为一相滤波电路；

图4控制系统的电路原理图；

图5多路采集模块一个通道硬件电路；

图6测量处理程序框图；

图7数字滤波子程序框图；

图8数值计算子程序框图；

图9运行前检测和判断程序框图

图10运行和停机控制程序框图；

图11逆变器单相控制程序框图；

图12逆变器第四桥臂控制程序框图；

图13窄脉冲限制程序框图；

图14危险报警中断处理程序框图；

图15一、二级报警程序框图；

图16电流报警子程序框图；

图17电压报警子程序框图；

图18直流母线电压报警子程序；

图19一级报警软件中断；

图20通讯程序框图。

具体实施方式：

实施例：微型燃机发电机组逆变系统

微型燃机发出电能进行处理可形成直流电，直流电需要进行逆变形成三相四线制交流电提供给用户。

本发明的一种逆变控制系统及方法，可以针对这一要求，很好地完成这一功能。系统由电力变换电路和控制系统构成。图1给出本发明的系统体系示意图。电力变换电路由功率逆变电路和功率滤波电路构成；控制系统它包含有中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块。

一、电力变换电路

1、功率逆变电路

功率逆变电路采用三相四桥臂结构，图2给出了功率逆变电路。电路由八个IGBT、八个续流二极管和四个无感电容构成，PN间跨接的每两个IGBT和二极管构成一个单元(即一个桥臂)由一个双IGBT模块实现。电路共由四个IGBT模块(即四个桥臂)构成，IGBT模块采用德国西门康公司产品，规格为500A/1700V；四个电容采用规格为1uF/1200V的无感电容。

2、功率滤波电路

功率滤波电路采用三相对称滤波形式，由电感、电阻和电容组成，图3给出了电路结构。电阻采用规格为1欧姆/100W的水泥结构电阻；电容采用规格为33uF/900V的无极性电容；电感采用规格为1mH铁心电感，铁心采用坡莫合金材料，磁路开有气隙以防止磁饱和。

二、控制系统

控制系统由多路数据检测与采集模块、中央控制模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块构成，图4给出了控制系统的硬件电路。IC101为中央处理器，采用美国TI公司生产的TMS320LF2407芯片，内有存储空间用于存储程序和数据；IC201—IC205为实现3.3V到5V的电压匹配芯片，采用SN74LVC164245芯片；系统复位电路包括IC102、IC103、电阻和电容构成，IC102采用MAX6374芯片，IC103采用4093与非门芯片；IC206为专用串行通讯芯片，采用MAX232芯片；IC207为CAN总线通讯芯片，采用PCA82C250T芯片。

1、多路检测与采集模块

多路检测模块采集多路模拟信号，包括三相电压、三相电流、零线电流和直流母线电压。模块采用软件和硬件相结合的处理方式，对各路反馈信号进行处理。采集信号来自于传感器，通过图5所示四级运算放大器进行模拟信号处理，传给中央处理器的内置A/D转换器，由A/D转换器转换为数字信号并存入相应寄存器，再经过软件滤波处理和数值计算后提供给中央控制模块作为形成控制逻辑的参考。

图6为测量处理程序框图，其工作流程如下：

(1)读各路采样信号；

(2)调用数字滤波子程序；

(3)调用数值计算子程序；

(4)信号处理结束。

图7为数字滤波子程序框图，其工作流程如下：

a)开始；

b)根据所求项目确定对应历史记录表dma单元的地址；

c)读当前输入值X(n)到dma-1单元；

d)将X(n—1)进行乘积(乘以公式中对应系数)，累加(以便实现公式中加法运算)、数据移动(将X(n-1)存入dma+1单元)；

e)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

f)将X(n)进行乘积，累加、数据移动(将X(n)存入dma单元作为下一次计算的X(n-1))；

g)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

h)Y(n-1)进行乘积，累加、数据移动；

i)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

j)将Y(n)存入dma-2单元作为下一次Y(n-1)；

k)输出Y(n)；

l)返回。

图8为数值计算子程序框图，其工作流程如下：

a)开始；

b)根据所求项目确定该项目记录一个周期数据表的首地址，并根据当前时刻(有周期计数器计数值确定)在当前正弦周期的位置确定表中地址偏移量A；

c)确定表中地址偏移量；

d)XZ＝XZ-XA(XZ为一周期数值总和，A为当前计数值)；

e)读入当前值并存入寄存器XA；

f)XZ＝XZ+XA；

g)X＝XZ*K*1.11(系数K＝1/96)；；

h)返回。

模块软件以子程序形式装入DSP的闪存中。

2、中央控制模块

中央控制模块主要用于控制逻辑的实现，以中央处理器(IC101)为核心，扩展晶振电路、系统复位电路、外扩存储器和多路电平转换器构成系统平台，并以此为基础通过软件实现控制逻辑。

中央控制模块软件不仅实现控制逻辑，而且对信息进行管理，主要由运行条件判断、运行和停机控制构成。运行条件判断软件分别由初始化程序、自检程序、接受开机命令和直流母线电压正常判断构成；运行和停机控制程序由启动和停机判断、供电控制逻辑、逆变器运行控制、通讯调用构成。

图10为运行和停机控制程序框图，其工作流程如下：

(1)等待定时中断；

(2)定时时间到达，进入中断处理程序，对各路反馈信号测量，并判断工作状态是否正常(调用报警子程序)；

(3)中断返回后，调用逆变器运行控制程序，使逆变器工作；

(4)将逆变器工作状态信息通过通讯程序传输；

(5)判断是否第一次启动？如果是第一次启动，进行计数，转入第七步(确保输出稳定后给自身系统供电)；如果不是第一次启动，自身系统供电已实现，转入下一步；

(6)判断是否对外供电并执行相应操作；

(7)判断是否有停机命令？没有，返回第一步；有，转入下一步；

(8)停机；

(9)将工作状态信息通过通讯程序传输；

(10)转到运行条件判断程序的开始位置。

图11为一相控制程序框图，其工作流程如下：

(1)进行周期计数(标准正弦波离散成96个点存在数表中，周期计数的目的是用计数值读取表中相应正弦波的值作为控制参考)；

(2)根据控制给定和反馈值进行PID控制调节得到调节值；

(3)调节值适当处理作为修正系数；

(4)以计数值作为指针在正弦表中找到正弦值作为控制参考；

(5)将正弦值乘以第三步中得到的控制误差修正系数，得到实际控制量。

以上程序以主程序形式装入DSP的闪存中，其中逆变器运行控制程序以子程序形式被运行和停机控制程序调用并存入DSP的闪存中，用以实现预期控制逻辑。

3、多路功率驱动模块

多路功率驱动模块以外购德国西门康公司专用驱动板(规格为SKHI23/17)为基础，增加了窄脉冲限制功能。窄脉冲限制功能以编程形式植入CPLD中，滤除时间过短的窄脉冲驱动信号，消除无效的器件开关动作。

图13为窄脉冲限制程序框图，其工作流程如下：

(1)计数器清零，标志位清零；

(2)判断输入电平？高电平，进入下一步；低电平，转入第五步；

(3)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，输出高电平并转入第二步；不是，转入下一步；

(4)计数器加1，输出低电平，转入第二步；

(5)判断标志位为1？是，转入第七步；不是，转入下一步；

(6)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，标志位置1；不是，计数器清零；

(7)判断计数值为零否？是，标志位清零并输出低电平；不是，计数器减1并输出高电平；

(8)转入第二步。

4、分级报警管理模块

分级报警管理模块采用三级报警设计。危险报警利用PDPINTA引脚引入到模块保证报警的实时性；一、二级报警通过监测到的反馈信息，在分析系统工作状态基础上形成。图14为危险报警引发的中断程序框图，其工作流程如下：

(1)系统关机(关闭所有对逆变器的驱动)；

(2)断开所有继电器；

(3)通过通讯程序传输报警信息和停机前系统工作状态；

(4)查询有无进一步通讯请求？有，将有关信息发送；

(5)返回第四步。

图15为一、二级报警子程序框图，其工作流程如下：

(1)将采集三相电流求取最大值(IAn、IBn、ICn分别为三相电流值)；

(2)调三相电流报警子程序；

(3)输入零线电流(IO为零线电流值)；

(4)调零线报警子程序；

(5)将采集的三相电压求取最大值和最小值(UAN、UBN、UCN分别为三相电压值)；

(6)调用电压报警子程序；

调用直流母线电压报警子程序(UD为直流母线电压值)。危险报警以中断程序形式装入DSP的闪存中；一、二级报警以子程序形式装入DSP的闪存中。

5、分级通讯管理模块

分级通讯管理模块根据信息实时性要求通过不同通道进行通讯。

图20为通讯程序框图，其工作流程如下：

(1)读上位机输入信息；

(2)判断有危险报警否？有，通过专用I/O发报警；并转入下一步；没有，转入下一步；

(3)判断有一级报警否？没有，转入第五步；

(4)将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

(5)将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

(6)判断有进一步通讯要求否？有，按要求将信息通过CAN总线发送；

(7)返回。

由于微型燃机发电机组中逆变系统与上位机距离较近，因此利用专用I/O接口对故障信息进行传输以保证信息交换的实时性；专用串行接口用于传输实时性较高的控制命令和与控制相关的协调用信息；对于大量显示数据采用CAN总线传送。模块软件以子程序形式装入DSP闪存中。

使用本发明逆变系统，其控制过程安以下步骤执行：

步骤一、中央控制模块初始化各寄存器；

步骤二、检查系统是否正常；

步骤三、中央控制模块等待电力变换电路工作命令；

步骤四、接到命令后等待由多路数据检测与采集模块输入直流母线电压进入稳定；

步骤五、中央控制模块等待定时中断的到来；

步骤六、分级报警管理模块判断检测的各物理量是否正常？不正常，进入报警运行；正常，进入下一步；

步骤七、根据多路数据检测与采集模块采集的检测信息和控制目标控制电力变换电路运行；

步骤八、分级通讯管理模块与其他系统和上位机通讯；

步骤九、根据情况中央控制模块决定对自身机组和对外部用户供电；

步骤十、中央控制模块查询停机命令，没有停机命令则返回步骤五；有停机命令则进入下一步；

步骤十一、有停机命令则执行停机过程，并返回步骤一。

Claims (8)

1、一种逆变系统，其特征在于由电力变换电路和控制系统构成，电力变换电路提供电力由直流到交流变换的通道，包括功率逆变电路和功率滤波电路；控制系统用于实现控制算法、信息管理和交换，并对电力变换电路中开关器件实施控制，控制系统包含有中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯管理模块、多路功率驱动模块和分级报警管理模块，其中多路数据检测与采集模块将检测到的包括三相电压、三相电流、零线电流和直流母线电压的多路模拟信号发送到中央控制模块；中央控制模块将多路模拟信号传送给分级报警管理模块；分级报警管理模块根据多路模拟信号确定系统的工作状态是一级报警或者二级报警，并设置报警状态位；中央控制模块将A相电压、B相电压、C相电压和零线电流的检测量作为反馈量，进行PID控制，得出控制量，通过多路功率驱动模块，对功率逆变电路的开关器件控制；分级通讯管理模块根据系统的工作状态与上位机进行通讯。

2、如权利要求1所述的逆变系统，其特征在于功率逆变电路采用三相四桥臂拓扑结构，功率逆变电路由八个开关器件、八个二极管和四个无感电容构成，G、A、B、C四点分别为功率逆变电路的四个输出点，与G点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为G桥臂；与A点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为A桥臂；与B点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为B桥臂；与C点相连的两个开关器件和两个二极管共同构成一个单元，被称为C桥臂，G、A、B、C四个桥臂并联在功率逆变电路的直流端P、N点，同时每个桥臂都并联一个无感电容；G、A、B、C四点由引线引出提供三相四线制交流电。

3、如权利要求1所述的逆变系统，其特征在于还包括实现控制系统各模块功能的硬件平台，其中该硬件平台包括：中央处理器(IC101)，内有存储空间用于存储程序和数据；实现3.3V到5V的电压匹配芯片(IC201、IC202、IC203、IC204、IC205)；用于系统复位芯片(IC102)；专用串行通讯芯片(IC206)；CAN总线通讯芯片(IC207)；该硬件平台以中央处理器(IC101)为核心，扩展了存储电路、电压匹配电路、系统复位电路、串行通讯电路、CAN总线通讯电路、报警通道、驱动通道、数据采集通道、I/O通道、晶振电路，其中(1)中央处理器(IC101)的D0-D15提供了数据信号接口；(2)中央处理器(IC101)的A0-A15提供地址；(3)中央处理器(IC101)的W/R连接电压匹配芯片(IC201)的1DIR和2DIR；(4)中央处理器(IC101)的DS、RD、IS、PS、WE、IOPC2形成控制信号接口并与存储单元相连；(5)中央处理器(IC101)的RS、WDI与复位电路相连；(6)中央处理器(IC101)的SCITXD和SCIRXD提供了串行通讯的数据接口并与专用串行通讯芯片相连；(7)中央处理器(IC101)的CANTX、CANRX提供了CAN总线通讯的数据接口并与专用CAN通讯芯片相连；(8)中央处理器(IC101)的PDPINTA提供了危险报警的引入接口并与驱动单元相连；(9)中央处理器(IC101)的PWM1-PWM8提供了驱动功率器件的信号并与驱动单元相连；(10)中央处理器(IC101)的ADCIN00-ADCIN09与多路采集模块一个通道硬件电路相连；(11)中央处理器(IC101)的IOPA3、IOPA4、IOPE3-IOPE6、IOPFO、IOPF1、IOPF5、IOPF6提供专用I/O通讯接口并与专用I/O线相连；(12)中央处理器(IC101)的TCK、TDO、TDI、TMS、TRST、EMU1、EMUO与插座相连；(13)中央处理器(IC101)的PLLF2、PLLF、XTAL1、XTAL2与晶振电路相连；(14)中央处理器(IC101)的VSSO和VSS与系统的地线相连；(15)中央处理器(IC101)的VDDO和VDD与3.3V相连，提供中央处理器(IC101)的工作电源。

4、如权利要求1所述的逆变系统，其特征在于所述多路数据检测与采集模块采用硬件滤波电路和软件滤波算法相结合对各路反馈信号进行处理，硬件滤波电路多通道为若干单通道并联构成，软件处理流程如下：

(1)读各路采样信号，

(2)调用数字滤波子程序，

(3)调用数值计算子程序，

(4)信号处理结束；

数字滤波子程序的工作流程如下：

a)开始，

b)根据所求项目确定对应历史记录表dma单元的地址；

c)读当前输入值X(n)到dma-1单元；

d)将X(n-1)乘以公式中对应的系数0.192，累加，并将X(n-1)存储到dma+1单元；

e)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

f)将X(n)乘以公式中对应的系数0.208，累加，并将X(n)存入dma单元作为下一次计算的X(n-1)；

g)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

h)Y(n-1)乘以公式中对应的系数，累加、数据移动，

i)判断有无进位，如果有进位要进行进位处理，无进位直接转入下一步；

j)将Y(n)存入dma-2单元作为下一次Y(n-1)，；

k)输出Y(n)，

l)返回；

数值计算子程序的工作流程如下：

a)开始，

b)根据所求项目确定该项目记录一个周期数据表的首地址，并根据周期计数器计数值确定当前时刻在正弦周期的位置，进而确定表中地址偏移量A；

c)XZ＝XZ-XA，其中XZ为一个周期数值总和，A为当前计数值；

d)读入当前值并存入寄存器XA；

e)XZ＝XZ+XA；

f)X＝XZ*K*1.11，系数K＝1/96；

1)返回。

5、如权利要求1所述的逆变系统其特征在于所述中央控制模块的运行条件判断软件分别由初始化程序、自检程序、接受开机命令和直流母线电压正常判断构成，运行和停机控制程序由启动和停机判断、供电控制逻辑、逆变器运行控制、通讯调用构成，

运行和停机控制程序的工作流程如下：

(1)等待定时中断，

(2)定时时间到达，进入中断处理程序，对各路反馈信号测量，并判断工作状态是否正常，

(3)中断返回后，调用逆变器运行控制程序，使逆变器工作，

(4)将逆变器工作状态信息通过通讯程序传输，

(5)判断是否第一次启动？如果是第一次启动，进行计数，转入第七步；如果不是第一次启动，自身系统供电已实现，转入下一步，

(6)判断是否对外供电并执行相应操作，

(7)判断是否有停机命令？没有，返回第一步，有，转入下一步，

(8)停机，

(9)将工作状态信息通过通讯程序传输，

(10)转到运行条件判断程序的开始位置；

一相控制程序的工作流程如下：

(1)进行周期计数，

(2)根据控制给定和反馈值进行PID控制调节得到调节值，

(3)调节值适当处理作为修正系数，

(4)以计数值作为指针在正弦表中找到正弦值作为控制参考，

(5)将正弦值乘以第三步中得到的控制误差修正系数，得到实际控制量；

第四桥臂调节与三相调节有本质区别，第四桥臂控制程序的工作流程如下：

(1)读零线电流，

(2)将零线电流进行滤波处理存入反馈寄存器(FK)作为反馈，并以0作为给定控制目标，进行PID调节，再经过限幅处理作为控制量KZ，

(3)将控制量存入第四桥臂比较寄存器。

6、如权利要求1所述的逆变系统，其特征在于多路功率驱动模块采用窄脉冲限制策略，其限制过程按以下步骤控制：

(1)计数器清零，标志位清零；

(2)判断输入电平？高电平，进入下一步；低电平，转入第五步；

(3)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，输出高电平并转入第二步，不是，转入下一步；

(4)计数器加1，输出低电平，转入第二步；

(5)判断标志位为1？是，转入第七步，不是，转入下一步；

(6)判断计数值到窄脉冲限制值否？是，标志位置1，不是，计数器清零；

(7)判断计数值为零否？是，标志位清零并输出低电平，不是，计数器减1并输出高电平；

(8)转入第二步。

7、如权利要求1所述的逆变系统，其特征在于所述分级通信模块采用不同优先级的数据通讯，通讯通道分为三类：(1)专用I/O口，(2)专用串行通讯接口，(3)CAN总线接口；

通讯程序的工作流程如下：

(1)读上位机输入信息；

(2)判断有危险报警否？有，通过专用I/O发报警并转入下一步；没有，转入下一步；

(3)判断有一级报警否？有，转入下一步；没有，转入第五步，

(4)将报警代码和引发报警的物理量按串行协议打包，并通过专用串行通道发送；

(5)将各物理量按CAN总线协议打包，并通过CAN总线发送；

(6)判断有进一步通讯要求否？有，按要求将信息通过CAN总线发送并转入下一步；没有，转入下一步；

(7)返回。

8、权利要求1所述逆变系统的控制方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一、中央控制模块初始化各寄存器；

步骤二、检查系统是否正常；

步骤三、中央控制模块等待电力变换电路工作命令；

步骤四、接到命令后等待由多路数据检测与采集模块输入直流母线电压进入稳定；

步骤五、中央控制模块等待定时中断的到来；

步骤六、分级报警管理模块判断检测的各物理量是否正常？不正常，进入报警运行；正常，进入下一步；

步骤七、根据多路数据检测与采集模块采集的检测信息和控制目标控制电力变换电路运行；

步骤八、分级通讯管理模块与其他系统和上位机通讯；

步骤九、中央控制模块根据系统运行情况决定对自身机组和对外部用户供电；

步骤十、中央控制模块查询停机命令，没有停机命令则返回步骤五，有停机命令则进入下一步；

步骤十一、有停机命令则执行停机过程，并返回步骤一。

Images