CN102122896A - 具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统，其特征在于：包括一个监控管理单元，以及一台或多台冗余并联工作的逆变电源模块,所述监控管理单元通过通信信号线与所有逆变电源模块相连接；逆变电源模块间通过通信信号线、同步信号线和平均电流信号线相连接，各逆变电源模块同时与直流输入端、交流输出端相连。本发明的并联系统各模块分担负载电流的比例可根据需要设置，能满足同容量逆变电源模块并联均分负载电流（均流）或者并联系统中不同容量逆变电源模块按照不同比例承担负载电流的要求，实现不同容量逆变电源模块并联功能。

Description

具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统

技术领域

本发明涉及交流逆变电源领域，尤其涉及一种具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统。

背景技术

逆变器是一种将直流电能变换成交流电能的电力电子变换装置，其主要功能是为用电设备提供交流电能。正弦波逆变器则是指交流输出电压为正弦波形的逆变器，以下叙述中的逆变器均指正弦波逆变器。

在使用逆变器给负载供电的情况下，为了提高逆变器供电系统的可靠性，或者当单台逆变器容量不能够满足负载需求时，可使用多个模块组成逆变器并联系统来工作。为了使系统具有与并联的模块数目相对应的容量，要求并联的各个逆变器能均等地或者按比例承担负载电流。为了实现上述功能，现有技术中主要有以下几种方案：

方案一、外特性下垂控制法。其控制原理类似于直流输出变换器并联均流的下垂法，各并联模块间没有控制信号连线。其并联均流通过使模块输出频率、电压和谐波电压分别随其输出的有功功率、无功功率和失真功率呈下垂特性，从而实现同步和均流。这类控制方法主要缺点是效率低、外特性较差。

方案二、主从控制法。该方案用一个控制单元控制所有的功率模块，即所有功率模块采用同一正弦脉宽调制(SPWM)驱动信号驱动，以获得较一致的输出。这类控制方法主要缺点是存在故障瓶颈，可靠性不高。

方案三、功率误差控制法。该方案通过检测各模块输出功率差，根据某种控制规律相应调节各模块输出电压的幅值和相位，实现各并联模块均分负载电流。这类控制方法的主要缺点是系统比较复杂，一般要借助DSP实现。

方案四、平均电流控制法。其主要特点是通过共用电流环的给定以保证各个逆变器的电流保持一致。由于各逆变模块具有离散性，输出电压的幅值和相位仍可能会有微小的差别，从而导致各模块间产生较大的环流。此外，上述方案都存在不能实现不同容量逆变器之间并联的问题。

发明内容

本发明针对现有逆变器并联系统存在的控制方案复杂、不能实现不同容量逆变器并联等问题，提出了一种具有可变电流比的冗余逆变器并联系统，可实现任意并联模块按设定比例分担负载电流，且并联系统稳态和动态性能参数不低于单模块。

为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案：

一种具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统，其特征在于：包括一个监控管理单元，以及一台或多台冗余并联工作的逆变电源模块，所述监控管理单元通过通信信号线与所有逆变电源模块相连接；逆变电源模块间通过通信信号线、同步信号线和平均电流信号线相连接，各逆变电源模块同时与直流输入端、交流输出端相连。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述直流输入端为蓄电池或市电整流滤波后的直流电压；逆变电源模块交流输出电压为正弦波形，且每个逆变电源模块输出与并联系统总输出之间串联控制开关S₅，该开关在逆变电源模块关机或者工作异常时处于断开状态。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述逆变电源模块包括由4个IGBT功率开关构成的逆变桥，逆变桥的第一输出端通过输出滤波电感L_f与控制开关S₅相连，逆变桥的第二输出端通过负载等效电阻R_L与控制开关S₅相连，输出滤波电感L_f的输出端与逆变桥的第二输出端之间连接有输出滤波电容C_f，输出滤波电感L_f的输入端与电感电流采样电路相连，电感电流采样电路与电流调节器相连，输出滤波电感L_f的输出端与输出电压采样电路相连，输出电压采样电路与电压调节器相连，电压调节器电流调节器和微处理器相连，电压调节器与电流调节器相连，电流调节器与逆变桥的隔离驱动电路相连。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述微处理器与同步信号处理电路相连，同步信号处理电路连接同步信号线。并联系统同步信号由各并联模块微处理器发出的基准正弦波过零同步信号经过同步信号处理电路处理后得到；各逆变电源模块的微处理器根据统一的同步信号产生相位一致的基准正弦波U_r。

逆变电源模块采用双闭环瞬时反馈控制技术。其中，电压外环为输出电压反馈环，电压调节器采用比例积分(PI)形式，每个电压调节器的输出I_g经平均处理后作为电流内环的给定信号；电流内环为逆变器输出滤波电感电流反馈环，电流内环为跟随器性质，可等效为一个电流放大器。根据电流内环实现方式的不同，可以有三态滞环控制、SPWM调制等不同方案。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：平均电流信号线I_gp通过串联连接的模拟开关S₆、电阻R1与各逆变电源模块电压调节器输出信号线I_g相连，所述模拟开关S₆在逆变电源模块关机或者工作异常时处于断开状态，所有并联模块电流内环给定I_g1是I_gp经过开关S₆和由运算放电器U1组成的电压跟随器处理后得到的。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述电流调节器包括运算放大器U1，运算放大器U1的正输入端与模拟开关S₆相连，运算放大器U1的输出端与通过电阻R3与运算放大器U2负输入端相连，运算放大器U2的负输入端与输出端之间通过电阻R4相连，运算放大器U2的输出端分别接入电压比较器U3的正输入端和电压比较器U4的负输入端，电压比较器U3和电压比较器U4的输出端接入隔离驱动电路，电感电流采样电路的输出端通过反馈电阻R2接入运算放大器U2的负输入端。

前述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述电流调节器包括运算放大器U1，运算放大器U1的正输入端与模拟开关S₆相连，运算放大器U1的输出端与通过电阻R3与运算放大器U2负输入端相连，运算放大器U2的输出端与电压比较器U3相连，运算放大器U2的输出端通过电阻R6接入运算放大器U5的负输入端，运算放大器U5的输出端接入电压比较器U4的负输入端，电压比较器U3和电压比较器U4的输出端均接入隔离驱动电路，电感电流采样电路的输出端通过反馈电阻R2接入运算放大器U2的负输入端，正负对称波形的三角载波波源分别接入电压比较器U3的负输入端和电压比较器U4的正输入端。

系统中各逆变电源模块并联工作时，各模块输出电流可以相等，也可以通过监控管理单元设置成不同的负载电流分担比例，其调节过程通过微处理器发出电流分配控制信号到电流内环的反馈电阻R2并调节其阻值实现。

本发明的有益效果：

1、并联系统各模块分担负载电流的比例可根据需要设置，能满足同容量逆变电源模块并联均分负载电流(均流)或者并联系统中不同容量逆变电源模块按照不同比例承担负载电流的要求，实现不同容量逆变电源模块并联功能；

2、并联系统各模块分担负载电流的比例调节通过微处理器调节电流内环反馈电阻的阻值实现，控制方法简单，无需经过复杂的计算；

3、并联系统逆变电源模块采用输出电压和输出滤波电感电流双闭环瞬时反馈控制技术，具有良好的稳态和动态性能。同时，逆变模块电流内环可等效为一个电流放大器，适合并联运行，且具有输出自动限流和短路保护功能。

4、逆变电源模块采用的电压电流双闭环瞬时反馈控制技术及本专利采用的并联控制技术，可保证并联系统的稳定性、动态和静态响应性能与单模块一致，不受并联模块数的影响，容易构成大容量逆变电源系统；

5、采用无主从冗余并联控制技术，任意模块故障后自动退出并联系统，不影响其它设备和装置的正常运行。同时，本系统中的逆变电源模块允许热插拔操作，具有较好的可维护性能。

附图说明

图1为逆变器并联系统框图；

图2为逆变电源模块电路原理图；

图3为逆变电源模块等效控制框图；

图4电流调节器实现方式一；

图5电流调节器实现方式二；

图6为数字电位器控制原理图。

具体实施方式

图1是本发明正弦波逆变器并联系统的原理框图。从图中可以看出，该系统由一个监控管理单元和n个逆变电源模块并联组成。其中，监控管理单元通过通信信号线与所有逆变电源模块相连接，其主要功能是：一方面收集各并联模块的相关数据并上传到上级监控系统；另一方面接收并执行上级监控系统的指令，对并联系统进行控制和管理。

图2和图3分别给出了采用输出电压和输出滤波电感电流双闭环瞬时反馈控制技术的逆变电源模块电路原理图及控制框图。该模块主要由逆变桥(含S₁～S₄共4个IGBT功率开关)、输出滤波电感L_f、输出滤波电容C_f、负载等效电阻R_L、输出电压采样电路、电感电流采样电路、电压调节器、电流调节器、隔离驱动电路、同步信号处理电路、微处理器及人机界面等部分组成。

逆变电源模块基准正弦波Ur的产生与同步方法：设逆变器输出电压频率为50Hz，首先将基准正弦波一个周期分为1000个数据点，编程时将1000个数据点对应的数字量存放在EPROM中，每隔20微秒微处理器发送一个数字量到D/A转换器，就得到50Hz的基准正弦波U_r。同时，为了保证各逆变电源模块基准正弦波同步输出，微处理器在向D/A转换器发送基准正弦波正向过零的第一个数据点时，向同步信号处理电路发送一个脉冲同步信号。同步信号处理电路在固定的时间段内接收到各并联模块发送的脉冲同步信号并经过处理后，向并联系统同步信号线发送唯一的同步信号，作为各并联模块的总同步信号。任意模块不能正常工作时，同步信号处理电路屏蔽该模块发出的脉冲同步信号，保证并联系统正常工作。

逆变电源模块的工作原理：基准正弦波U_r与逆变器输出电压反馈信号U_f经过电压PI调节器处理后，得到电感电流给定信号I_g；电流调节器将I_g、平均电流信号I_gp、电感电流反馈信号I_Lf等信号经过电流调节器处理后，得到逆变桥功率管的驱动信号，经隔离放大后送到功率管S₁～S₄，两个逆变桥臂的中点得到含高次谐波的脉冲波形，经滤波后得到需要的交流输出电压U_o，从而完成直流/交流的电压变换过程。

逆变电源模块投入/退出并联系统的控制：在任意逆变模块处于故障状态或者输出电压U_o未正常建立前，开关S₅和S₆(见图4/图5)均处于断开状态。其中，S₅可以是功率继电器或者功率开关管，S₆可以是模拟开关或者小型继电器。一旦微处理器检测到逆变电源模块输出电压U_o与并联系统输出电压U_ob之间的有效值和瞬时值小于某一数值，可认为符合并联条件，微处理器发出开关S₅和S₆的导通信号，该逆变电源模块投入到并联系统。

图4给出了电流调节器的一种实现方式，即三态滞环电流控制方式，该方式的主要特点是动态响应速度快、结构简单。图4中，U1和U2为运算放大器，U3和U4为电压比较器，VCC和VEE分别为+12V和-12V工作电源，U_C是电感电流给定I_g1与电感电流反馈信号I_Lf的比例误差放大信号，U_H+和U_H-分别是正负滞环宽度，其值可通过调节R6～R8的阻值实现。三态滞环电流控制就是将电感电流作为反馈量与电流给定进行比较，当电感电流与电流给定的误差放大值U_C超过滞环上限U_H+时，开关管S₁和S₃导通，电感电流减小。误差放大值U_C超过滞环下限U_H-时，开关管S₂和S₄导通，电感电流增加。当误差放大值U_C在滞环上限U_H+和下限U_H-之间时，开关管S₃和S₄导通，电感电流处于续流状态。这样，电感电流总是时刻跟踪电感电流给定信号I_g，电流内环基本上可等效为一个电流跟随器。本方案的缺点是工作过程中逆变器的开关频率不固定，输出电压幅值最大时开关频率最低，过零时开关频率最高。通过设置随输出或者参考电压变化的滞环宽度，可以实现开关管恒频工作，但会带来控制参数设计困难和系统复杂的缺点。

图5给出了电流调节器的另外一种实现方式，即正弦脉宽调制(SPWM)方式。该方式的特点是功率管恒频开关，电路参数易于设计，动态响应速度快。图5中，U1、U2和U5为运算放大器，U3和U4为电压比较器，VCC和VEE分别为+12V和-12V工作电源，U_C+是电感电流给定I_g1与电感电流反馈信号I_Lf的比例误差放大信号，U_C-与U_C+大小相等，相位相差180度。三角载波为正负对称波形，可通过运放等分立器件产生，也可通过ICL8038等集成芯片产生。控制电路根据U_C-、U_C+与三角载波的瞬时值比较，按照一定的规律产生高频SPWM调制信号到隔离驱动电路驱动功率管S₁～S₄，从而实现电感电流实时跟踪电感电流给定信号I_g的功能。此时，电流内环也可等效为一个电流跟随器。

并联均流或者不同容量逆变电源模块按照设定比例承担负载电流的原理分析：对于图4或者图5，设运算放大器的放大倍数为无穷大，根据前文对电流内环的特性分析可知有下式成立：

$\frac{I_{g1}}{R_3}=\frac{I_{\mathrm{Lf}}}{R_2}=\frac{K_{\mathrm{if}}*I_L}{R_2}---\left(1\right)$

则每个模块的电感电流为：

$I_L=\frac{R_2}{R_3*K_{\mathrm{if}}}{I}_{g1}=\frac{R_2}{R_3*K_{\mathrm{if}}}{I}_{\mathrm{gp}}---\left(2\right)$

上式结果表明，每个逆变电源模块电感电流I_L与并联系统平均电流信号成正比关系。分析图2可知，I_L由输出滤波电容电流和负载电流两部分组成，而由各模块输出滤波电容容值误差引起的电流误差可忽略不计，可认为每个逆变电源模块承担的负载电流与平均电流信号成比例关系，且比例系数与电阻R2、R3和电感电流反馈信号K_if有关。由于各模块电感电流给定信号I_gp/I_g1幅值和相位相同，调节R2、R3和K_if的值即可调整和改变任意模块承担负载电流的比例大小。

下面以调节电阻R2为例给出具体实施例：

设逆变器并联系统输入直流电压Vdc＝360V，逆变器输出电压U_o＝220V/50Hz，R1＝4.7KΩ，R3＝5.1KΩ，运算放大器均为LF353，比较器均为LM311。R2为数字电位器MAX5481(端到端电阻为10KΩ)，该电位器是10位非易失、线性变化、可编程电阻器，采用可引脚配置的3线串行SPI兼容接口，其原理图如图6所示。显然，数字电位器R2的电阻调节步长为10K/1024＝9.766Ω。由公式(2)可计算出电流环电流跟随控制调节精度为(9.766*100％)/5100＝0.191％，完全满足目前逆变器并联系统±5％的均流调节要求。R2的阻值需要调节时，微处理器通过发送相关电流分配控制信号到MAX5481的3～5引脚即可。

同容量逆变电源模块的并联均流调节方法如下：设三台并联的逆变电源模块额定输出均为220V/50HZ/20A，R2电阻正常值设置为5.0K，滑动端定位在第512个触点上。某负载时，三个模块输出电流分别是14.0A、14.9A和15.8A，平均值为14.9A。则三个模块的电阻R2做如下调节：

模块1：R2需要调节为原来数值的14.9/14.0＝1.064倍，新的滑动端触点位置在第512*1.064＝545个触点上，对应阻值变为5.32K；

模块2：R2需要调节为原来数值的14.9/14.9＝1.0倍，滑动端触点位置和电阻阻值不变；

模块3：R2需要调节为原来数值的14.9/15.8＝0.943倍，新的滑动端触点位置在第512*0.943＝483个触点上，电阻阻值变为4.72K。

需要注意的是，由于R2影响了并联模块的电感电流反馈控制参数，并联系统平均电流信号I_gp/I_g1可能会发生改变，但各并联模块的输出电流都变成14.90A，从而实现并联均流。

不同容量逆变电源模块按照设定比例承担负载电流方法如下：设三台并联的逆变电源模块额定输出电压为220V/50HZ，额定输出电流分别巍峨20A、20A和10A，则三台逆变模块R2电阻阻值分别设置为5.0K、5.0K和2.5即可实现三台模块按照2∶2∶1的比例分担负载电流。如果由于电阻参数不一致等各种原因造成输出电流不按上述比例，则按照前述的控制规律调节相应模块电阻R2的阻值即可。

此外，根据公式(2)可知，通过将多个数字电位器串并联或者将数字电位器与固定电位器串并联等方法，还可提高电流环电流控制调节精度，进而提高各并联模块承担负载电流比例的控制精度。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有可变电流比的正弦波逆变器并联系统，其特征在于：包括一个监控管理单元，以及一台或多台冗余并联工作的逆变电源模块，所述监控管理单元通过通信信号线与所有逆变电源模块相连接；逆变电源模块间通过通信信号线、同步信号线和平均电流信号线相连接，各逆变电源模块同时与直流输入端、交流输出端相连。

2.根据权利要求1所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述直流输入端为蓄电池或市电整流滤波后的直流电压；逆变电源模块交流输出电压为正弦波形，且每个逆变电源模块输出与并联系统总输出之间串联控制开关S₅，该开关在逆变电源模块关机或者工作异常时处于断开状态。

3.根据权利要求1或2所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述逆变电源模块包括由4个IGBT功率开关构成的逆变桥，逆变桥的第一输出端通过输出滤波电感L_f与控制开关S₅相连，逆变桥的第二输出端通过负载等效电阻R_L与控制开关S₅相连，输出滤波电感L_f的输出端与逆变桥的第二输出端之间连接有输出滤波电容C_f，输出滤波电感L_f的输入端与电感电流采样电路相连，电感电流采样电路与电流调节器相连，输出滤波电感L_f的输出端与输出电压采样电路相连，输出电压采样电路与电压调节器相连，电压调节器电流调节器和微处理器相连，电压调节器与电流调节器相连，电流调节器与逆变桥的隔离驱动电路相连。

4.根据权利要求3所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述微处理器与同步信号处理电路相连，同步信号处理电路连接同步信号线。

5.根据权利要求3所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：平均电流信号线I_gp通过串联连接的模拟开关S₆、电阻R1与各逆变电源模块电压调节器输出信号线I_g相连，所述模拟开关S₆在逆变电源模块关机或者工作异常时处于断开状态。

6.根据权利要求3所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述电流调节器包括运算放大器U1，运算放大器U1的正输入端与模拟开关S₆相连，运算放大器U1的输出端与通过电阻R3与运算放大器U2负输入端相连，运算放大器U2的负输入端与输出端之间通过电阻R4相连，运算放大器U2的输出端分别接入电压比较器U3的正输入端和电压比较器U4的负输入端，电压比较器U3和电压比较器U4的输出端接入隔离驱动电路，电感电流采样电路的输出端通过反馈电阻R2接入运算放大器U2的负输入端。

7.根据权利要求3所述的具有可变电流比的逆变器并联系统，其特征在于：所述电流调节器包括运算放大器U1，运算放大器U1的正输入端与模拟开关S6相连，运算放大器U1的输出端与通过电阻R3与运算放大器U2负输入端相连，运算放大器U2的输出端与电压比较器U3相连，运算放大器U2的输出端通过电阻R6接入运算放大器U5的负输入端，运算放大器U5的输出端接入电压比较器U4的负输入端，电压比较器U3和电压比较器U4的输出端均接入隔离驱动电路，电感电流采样电路的输出端通过反馈电阻R2接入运算放大器U2的负输入端，正负对称波形的三角载波波源分别接入电压比较器U3的负输入端和电压比较器U4的正输入端。

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