CN101110518B - 三相并联式逆变模块的同步方法 - Google Patents

Abstract

一种三相并联式逆变模块的同步方法，系统中各逆变模块通过总线抢占的方法自由竞争，确定主机和从机；主机和从机分别以旁路电压和主机输出的电压为锁相跟踪源，各模块采样三相跟踪源电压与三相输出电压，计算跟踪源电压与输出电压的频率、频率差与相位差；根据跟踪源与输出电压之间的频率差，调整PWM调制正弦波的查表步长，使其逐步锁定跟踪源频率；然后再根据跟踪源与输出电压之间的相位差，微调PWM调制正弦波的查表步长，减小两者之间的相位差，对相位进行锁定之后，可以通过主机在主计数器过零处发同步脉冲，从机捕获脉冲交校正其主计数器的方法进行载波同步。本发明解决了三相锁相问题，并可以消除环流中的高频分量问题。

Description

三相并联式逆变模块的同步方法 

技术领域

本发明涉及三相模块化并联式逆变电源领域，尤其涉及三相并联式不间断电源系统的同步。 

背景技术

当前，交流电源供电方式正在由集中式向分布式、全功能式发展。由多个逆变模块并联组成的电源系统，已成为一项很有前景的工程应用方案。这种并联冗余系统具有如下优点：运行可靠，功率范围广，具有极高的系统可维修性能，在模块出现故障时，可以很方便地进行热插拔更换或维修。其技术关键是各逆变模块的同步问题，也即各逆变模块的输出电压应满足同幅、同频与同相，以达到均分负载和环流为零的要求。 

交流并联系统的环流主要由各逆变模块之间的输出电压幅度与相位的差异造成，可通过均流技术与锁相算法来抑制。然而，目前并没有理想的三相锁相算法，如采样单相锁相的思想，由于每个工频周期才调整一次步长，锁相过程复杂，速度迟缓。另外，除了基波与谐波分量外，环流中还含有不可控的高频分量。由于上电时刻不同与晶振的漂移，各逆变模块的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)载波将不能保证同步，从而产生高频分量，这在分散式控制的并联系统中极难消除。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的问题，提出一种对三相并联式逆变模块进行同步的方法，解决三相锁相问题，并在此基础上进一步解决环流中的高频分量问题。 

本发明提供的三相并联式逆变模块的同步方法，包括以下步骤： 

1.1并联系统中各逆变模块通过总线抢占的方法自由竞争，由系统控制确定一台主机，其余模块均设定为从机； 

1.2主机以旁路电压为锁相跟踪源，而从机则以主机的输出电压为锁相跟踪源，各模块分别进行后续步骤； 

1.3采样三相跟踪源电压与三相输出电压，计算跟踪源电压与输出电压的频率、频率差与相位差； 

若跟踪源电压空间矢量对应的频率在锁相范围内，对跟踪源电压进行锁相，否则，产生一个对应于50Hz三相量的空间矢量，再进行锁相。 

1.4根据跟踪源与输出电压之间的频率差，调整PWM调制正弦波的查表步长，以改变逆变模块自身的输出电压频率，使其逐步锁定跟踪源频率； 

1.5当频率已锁定，再根据跟踪源与输出电压之间的相位差，微调PWM调制正弦波的查表步长，减小两者之间的相位差，对相位进行锁定。 

用下述方法完成频率的锁定： 

$\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}+X,& f_{\mathrm{ref}}>f_{\mathrm{goal}}+X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}-X,& f_{\mathrm{ref}}<f_{\mathrm{goal}}-X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{ref}},& |f_{\mathrm{ref}}-f_{\mathrm{goal}}|\&le;X\end{array}\right.$

其中，f_goal为目标频率，f_ref为跟踪源电压的频率，X为频率调节幅限。 

在频率锁定后，计算出跟踪源电压空间矢量与输出电压空间矢量的角度差Δθ，再将频率对应的角度差做为PWM调制正弦波查表步长，将Δθ进行比例调节，经限幅后微调查表步长，对相位进行锁定。 

为解决环流高频问题，本发明进一步对载波进行同步： 

5.1并联系统中各逆变模块均确定自身的主计数器，该计数器为模块的控制算法定时触发中断，同时为PWM调制提供载波； 

5.2通过一根系统同步总线，主机在主计数器过零处发出高频同步脉冲； 

5.3各从机实时捕获同步脉冲，定期校正其主计数器的计数值，使之与主机的保持同步。 

在上述方案中，如各逆变模块中存在多个载波，同时将主计数器的计数值赋给提供载波的多个计数器，实现单机载波一致，主从机载波同步。 

本发明解决了三相锁相问题，并可以消除环流中的高频分量问题。 

附图说明

图1是三相系统矢量变换的原理图； 

图2是本发明提出的三相锁相方法的流程图； 

图3是从机载波超前于主机载波时载波同步校正的基本原理图； 

图4是从机载波滞后于主机载波时载波同步校正的基本原理图； 

图5是本发明中进一步对载波同步的方法的流程图； 

图6是双脉冲形式的高频同步脉冲发生方案； 

图7是单脉冲形式的高频同步脉冲发生方案； 

图8是计数值校正导致PWM脉宽变化的示意图； 

图9是计数值校正导致PWM脉冲丢失的示意图。 

具体实施方式

本发明包括三相锁相和载波同步两部分内容，后者是用于进一步解决环流高频分量的。下面分别进行描述： 

1.三相锁相方法 

在三相交流系统中，abc三相量对应于一个旋转的空间矢量，各相分量等于该矢量在坐标轴上的投影，如图1所示。空间矢量的旋转速度等于三相量的角速度，对应其频率。空间矢量的相角，即其与a轴的夹角等于a相电压的相角，对应三相量的相位。于是三相量的锁相等效为，输出电压空间矢量对跟踪源电压空间矢量的跟踪问题。 

空间矢量的旋转速度可用其在载波周期间隔的角度差表示 

θ_now-θ_pre≈sin(θ_now-θ_pre)＝sinθ_now cosθ_pre-cosθ_now sinθ_pre

其中，θ_now为本时刻空间矢量的相角，θ_pre为上个载波周期间隔的空间矢量相角。为计算上式，可先通过如下静止变换将三相量变换为两相量。 

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ V_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\\ V_c\end{array}\right]$

式中，V_a，V_b，V_c为abc坐标系上的三相量，V_α，V_β为αβ坐标系上的两相量。于是，可得出弦值的计算公式 

$\left\{\begin{array}{c}{\sin \mathrm{\&theta;}}_i=\frac{V_{\mathrm{\&beta;i}}}{V_{\mathrm{mi}}}\\ {\sin \mathrm{\&theta;}}_i=\frac{V_{\mathrm{\&alpha;i}}}{V_{\mathrm{mi}}}\\ V_{\mathrm{mi}}=\sqrt{V_{\mathrm{\&alpha;i}}^2+V_{\mathrm{\&beta;i}}^2}\end{array}\right.$

其中，θ_i为空间矢量的相角，V_mi为空间矢量的模长，V_αi，V_βi分别为空间矢量的α，β分量。 

本发明的三相锁相的流程如图2所示。首先计算跟踪源电压空间矢量对应的频率，如其在锁相范围内，则对跟踪源电压进行锁相。否则，产生一个对应于50Hz三相量的空间矢量，再进行锁相。 

锁相时，先完成频率跟踪再进行相位调节。频率跟踪方法为 

$\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}+X,& f_{\mathrm{ref}}>f_{\mathrm{goal}}+X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}-X,& f_{\mathrm{ref}}<f_{\mathrm{goal}}-X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{ref}},& |f_{\mathrm{ref}}-f_{\mathrm{goal}}|\&le;X\end{array}\right.$

其中f_goal为目标频率，f_ref为跟踪源电压的频率，X为频率调节幅限。X的引入可限制频率跟踪速度，避免逆变输出频率突变，其值可由频率跟踪速度指标求得。在频率跟踪完成后，进行相位调节。可计算出基准电压空间矢量与输出电压空间矢量的角度差Δθ。再将频率对应的角度差做为PWM调制正弦波查表步长。在此基础上，将Δθ进行比例调节，经限幅后微调查表步长，从而校正相位差。 

2.载波同步方法 

下面结合这图5至9对载波同步进行说明。其中，载波同步方法的流程如图5所示。其中的一些步骤图6至图9进行说明。 

假定各逆变模块的处理器均以定时计数器Timer1为主计数器，载波同步方法的基本原理如图3与图4所示。在图3中，从机载波超前于主机载波Lead个计数值，主机在载波过零处发出高频同步脉冲。经过硬件电路延迟了Delay个计数值，从机才捕获到同步脉冲，捕获值为CAP。假定从机主计数器Timer1在校正时刻处于递增计数阶段，计数值为T1CNT，则应将其校正为T1CNT＝T1CNT-CAP+Delay。对于图4，从机载波滞后于主机载波Lag个计数值。同样分析可得，Timer1的计数值应校正为T1CNT＝T1CNT+CAP-Delay。 

主从机载波的相位关系判断是载波同步方法的基础，这与高频同步脉冲的发生与捕获关系密切。同步脉冲可采用双脉冲或单脉冲两种形式发生，则捕获器的时基定时器的计数方式也随之改变，如图6与图7所示。在图6中，主机在Timer1过零中断后，通过I/O口发出两个高频同步脉冲，从机捕获器的时基定时器(假定为Timer2)与Timer1一样采用连续增/减计数方式。通过捕获值CAP1与CAP2之间的大小关系可判断出在主机载波过零时，从机载波处于递增还是递减计数阶段，即可得出主从机载波之间的相位关系。如CAP1与CAP2分别落在Timer2过零点两侧，则另加两同步脉冲间的时间距离Gap信息，同样也可进行判断。在图7中，主机可通过PWM端口在Timer1过零处发出一个高频同步脉冲，从机Timer2改为递增计数方式，其计数周期为2T1PR-1(T1PR为载波的计数周期)。由捕获值CAP与T1PR之间的大小关系，即可判断出主从机载波之间的相位关系。 

就载波而言，由于PWM调制中通常采用等腰三角载波，因此处理器的Timer1计数器采用连续增/减模式。于是校正点可能处在计数器递增计数阶段也可能在递减计数阶段，而从机载波可超前或滞后于主机载波，两者组合情况较多。为简化逻辑，可通过算法运行时间控制，将校正点设计于计数器的递增计数阶段，从而减少逻辑判断、提高运行效率。 

本方法通过改变计数器的计数值来实现载波同步，因而可能出现计数值调整后跨过PWM调制值，错过调制匹配或重复匹配，导致PWM脉宽变化或脉冲丢失，引起逆变输出波形畸变。图8示出了脉宽变化的情况，从机载波超前于主机载波，计数值回调跨过调制值CMPR，于是造成重复匹配，PWM脉冲加宽。图9示出了脉冲丢失的情况，从机载波滞后于主机载波，前调跨过调制值CMPR，于是错过调制匹配，PWM脉冲丢失。可见，应避免计数值调整跨过调制值。首先，通过运 行时间控制，尽可能设计校正点靠近Timer1的过零点。再求出所有PWM调制值的最小值，将校正点计数值与其比较。如前者小于后者，则进行载波同步校正；而其余情况出现几率较小，为简化逻辑不进行校正。在从机载波滞后前调时，如Timer1校正后的计数值跨过最小调制值，则缩小校正步伐，校正到比最小调制值略小处。此外，还应对校正步长进行限幅，幅限以小为宜，尽可能减小载波同步校正对PWM脉冲的影响。实际上，减小幅限只使载波从异步到同步过渡时间拉长而已。一旦载波同步后，只对计数值进行微调，不会出现大步校正。 

Claims (3)

1.一种三相并联式逆变模块的同步方法，包括以下步骤：

1.1并联系统中各逆变模块通过总线抢占的方法自由竞争，由系统控制确定一台主机，其余模块均设定为从机；

1.2主机以旁路电压为锁相跟踪源，而从机则以主机的输出电压为锁相跟踪源，各模块分别进行后续步骤；

1.3采样三相跟踪源电压与三相输出电压，计算跟踪源电压与输出电压的频率、频率差与相位差；若跟踪源电压空间矢量对应的频率在锁相范围内，对跟踪源电压进行锁相，否则，产生一个对应于50Hz三相量的空间矢量，再进行锁相

1.4根据跟踪源与输出电压之间的频率差，调整PWM调制正弦波的查表步长，以改变逆变模块自身的输出电压频率，使其逐步锁定跟踪源频率；

1.5当频率已锁定，再根据跟踪源与输出电压之间的相位差，微调PWM调制正弦波的查表步长，减小两者之间的相位差，对相位进行锁定；

用下述方法完成频率的锁定：

$\left\{\begin{array}{cc}{f}_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}+X,& f_{\mathrm{ref}}>f_{\mathrm{goal}}+X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{goal}}-X,& f_{\mathrm{ref}}<f_{\mathrm{goal}}-X\\ f_{\mathrm{goal}}=f_{\mathrm{ref}},& |f_{\mathrm{ref}}-f_{\mathrm{goal}}|\&le;X\end{array}\right.$

其中，f_goal为目标频率，f_ref为跟踪源电压的频率，X为频率调节幅限；

在频率锁定后，计算出跟踪源电压空间矢量与输出电压空间矢量的角度差Δθ，再将频率对应的角度差做为PWM调制正弦波查表步长，将Δθ进行比例调节，经限幅后微调查表步长，对相位进行锁定。

2.权利要求1所述的三相并联式逆变模块的同步方法，其特征在于，还包括以下载波同步的步骤：

5.1并联系统中各逆变模块均确定自身的主计数器，该计数器为模块的控制算法定时触发中断，同时为PWM调制提供载波；

5.2通过一根系统同步总线，主机在主计数器过零处发出高频同步脉冲；

5.3各从机实时捕获同步脉冲，定期校正其主计数器的计数值，使之与主机的保持同步。

3.权利要求2所述的三相并联式逆变模块的同步方法，其特征在于，如各逆变模块中存在多个载波，同时将主计数器的计数值赋给提供载波的多个计数器，实现单机载波一致，主从机载波同步。

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