CN1242528C - 并联工作的正弦波逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于正弦波逆变器并联控制技术领域，涉及并联工作的正弦波逆变器。包括由逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括市电采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及其它控制电路；还包括同步控制器及同步线，以及由环流传感器、求和电路及与外部相连的均流线组成的控制环节。本发明具有结构简单、低成本，电路实现容易的特点，且采用本发明的逆变器模块组成的并联系统的每一个逆变器模块都可以热插拔。各逆变器模块的控制部分是不共地、或完全电气隔离的，使并联系统有很好的抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明属于正弦波逆变器并联控制技术领域，特别涉及制单相和三相正弦波逆变器、单相和三相在线式不间断电源(UPS)等并联工作的方法和实现技术。
背景技术
逆变器是一种把直流电压变换成交流电压的电力电子变换装置。正弦波逆变器则是指逆变器的交流输出电压为正弦波形，以下叙述中的逆变器均指正弦波逆变器。逆变器的一种典型应用是构成在线式不间断电源(UPS)，如图1，它的作用是通过逆变支路向负载不间断地提供高质量的交流电压。在市电正常时，逆变器的直流输入来自市电整流后的直流电压；在市电异常(如停电)时逆变器的直流电压来自由蓄电池；在不间断电源故障或人为关机等情况下，负载通过旁路支路由市电直接供电。为了保证在“逆变”和“旁路”供电转换时负载端的正弦电压波形不变形，逆变器必须保持其输出电压与市电同频同相，这一点是通过其逆变控制电路中产生的基准正弦信号跟踪市电信号实现的。
逆变器(或称逆变器模块)的基本构成如图1，包括由逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括市电采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及其它控制电路。该逆变器的工作原理为：syn是市电采样、整形(过零比较)后产生的矩形波。当市电正常时，基准信号发生器首先产生与syn同频同相的正弦基准信号vr，然后在电压调节器中vr与输出电压反馈采样信号vf运算，对逆变输出电压进行闭环调节。而当市电不正常而导致syn信号不正常时，正弦基准信号vr由基准正弦信号发生器内部的振荡电路产生。基准正弦信号发生器和电压调节器的功能可以由硬件或软件实现，电压调节器的输出信号vx再经过其它控制电路的处理，最终控制逆变电路向负载输出所要求的正弦电压。
多台逆变器并联工作、向负载供电，可以带来很多好处，如提高系统的可靠性。具体而言，当N台逆变器的容量之和可以满足负载用电量时，实际使用N+1台逆变器并联工作，那么当其中一台逆变器发生故障、被切除过程中和切除后，其余的N台仍能保证向负载不间断地可靠供电。
为了实现多台逆变器并联工作，图1中的逆变控制器除了“逆变控制”功能(使逆变器输出符合要求的正弦波电压)以外，还必须具有“并联控制”功能。并联控制的目的是使多个逆变器模块并联工作时在任何负载条件下和工作过程中保证并联系统中的各个逆变器均分负载、即各逆变器的输出电流尽可能相同(同频、同相、同幅)，即所谓的“均流”。
已有的一种并联工作的正弦波逆变器来源于C.S.Lee，S.Kim and C.B.Kim，etc，Parallel UPS with a Instantaneous Current Sharing Control，IECON，1998，pp568-573。在该并联工作的正弦波逆变器中，加入一个基于数字信号处理器(DSP)实现的数字锁相环控制基准正弦信号发生器、使相并联的各逆变器模块输出电压同相位，再采用了一个新的逆变及均流控制电路取代图1中的电压调节器，实现逆变和均流控制，如图2所示，其中的虚线框内为逆变及均流控制电路。该逆变及均流控制电路的基本控制原理是：每一个逆变器将自己的输出电流与均流总线信号比较，得出偏差电流(即环流)，据此调节逆变电路的控制信号vx、实现逆变及均流控制。
采用上述结构的多个正弦波逆变器可组成并联系统。以两个逆变器模块构成的并联系统中的一个模块为例，具体说明逆变及均流控制器的构成和工作原理。参考图2，图中if1和if2分别表示两个逆变器模块的输出电流采样信号，它们分别经过两个正向导通二极管D1和D3后在节点A相连、经过两个负向导通二极管D2和D4后在节点B相连。于是，输出电流的正半周，在A点得到if1和if2当中的正向最大电流；而输出电流的负半周，在节点B得到负向最大电流(指绝对值最大)，这两个半周电流合成后得到整周期的、各逆变器模块输出电流中的最大电流，即均流总线电流imax。该逆变器模块输出电流采样信号if1与总线电流imax相减得到电流差值(称作环流)信号Δi。接下来，一方面，正弦基准信号vr与输出电压采样信号vf经过PI调节器作用、生成逆变器输出滤波电感电流的基准信号ir；另一方面，vr经过前馈控制器产生信号ic *、它反映的是逆变器输出滤波电容电流，if1、ic和Δi合成后的信号isum同时包含了输出滤波电感电流及环流信息，isum与其基准信号ir经过电流控制器处理，输出控制信号vx，可见vx包含了环流Δi及电压误差(vf-vr)信息。vx再经过逆变器其它控制电路及功率电路的作用，最终输出所要求的正弦电压、并实现均流。
该并联方案的主要不足之处是并联控制原理和实现方法比较复杂；采用DSP实现、成本较高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种并联工作的正弦波逆变器，具有结构简单、低成本，电路实现容易的特点，且采用本发明的逆变器模块组成的并联系统的每一个逆变器模块都可以热插拔。各逆变器模块的控制部分是不共地、或完全电气隔离的，使并联系统有很好的抗干扰性能。
本发明提出的一种并联工作的正弦波逆变器，包括由逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括市电采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及其它控制电路；其特征在于，还包括连接在该市电采样及整形电路和基准正弦信号发生器之间的同步控制器及用于与外部相连的由同步相位线和同步状态线组成的同步线，以及与电压调节器输入端相连的由环流传感器、求和电路及与外部相连的均流线组成的控制环节；该同步控制器用于消除并联系统中由于各逆变器模块的基准电压信号vr之间的相位差造成的环流；该控制环节与电压调节器共同作用，实现均流与逆变控制。
上述的同步控制器主要可由一个微控制器(MCU)和用于对该微控制器的输入及输出信号隔离的五个光偶组成。
上述的环流传感器包括电流采样电路、求差电路、差动放大器或隔离放大器、加权网络、电阻及开关；其中，电流采样电路的输出端与求差电路的一个输入端相连，同时电流采样电路的输出端通过电阻后经开关与均流线相连，还与求差电路的另一个输入端相连；求差电路的输出端与差动放大器或隔离放大器的输入端相连，差动放大器或隔离放大器的输出端经加权网络与求和电路相连。
本发明的特点及技术效果：
1.结构简单、低成本，电路实现容易；
2.可以构成N+X冗余逆变系统；
3.构成并联系统时可以实现模块之间电气隔离(控制电路部分)，抗扰性好、可靠性高；
4.构成并联系统时可以实现电流瞬时值均流，动态均流性能好。
附图说明
图1为已有的逆变器及在线式不间断电源原理框图。
图2为已有的并联工作的正弦波逆变器的逆变及均流原理框图。
图3为采用本发明的逆变器并联时的系统结构框图。
图4为本发明的并联工作的正弦波逆变器的逆变及均流原理框图。
图5为本发明的同步控制器结构原理图。
图6为本发明的均流控制电路结构原理图。
图7为本发明的同步控制器实施例结构图。
图8为本发明的均流控制电路实施例结构图。
图9为本实施例用于并联系统中输出电流及电压波形图。
具体实施方式
本发明提出的并联工作的正弦波逆变器，结构附图及实施例详细说明如下：
本发明的逆变器包括由逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括市电采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及其它控制电路；其特征在于，还包括连接在该市电采样及整形电路和基准正弦信号发生器之间的同步控制器及用于与外部相连的由同步相位线和同步状态线组成的同步线，以及与电压调节器输入端相连的由环流传感器、求和电路及与外部相连的均流线组成的控制环节；该同步控制器用于消除并联系统中由于各逆变器模块的基准电压信号vr之间的相位差造成的环流；该控制环节与电压调节器共同作用，实现均流与逆变控制。
本发明的逆变器除了功率输入输出端口之外，还有一个并联总线端口PARA。只要将这样的逆变器模块的并联总线端口PARA及功率输出端口OUT连接到相应的并联控制母线31和交流输出母线32，而不需要任何其它的控制装置，这些逆变器模块就可以组成并联系统工作。如图3所示，图中，以三个本发明的逆变器为例。
本发明的工作原理和已有技术相同的是，也是通过更新图1常规逆变器控制信号vx的产生方法、即重新设计从syn信号到vx信号之间的处理环节I来实现并联控制功能的。这是实现并联控制的各种方法的共性。但本发明的具体实现并联控制的方法(即控制信号vx的产生方法)和电路与已有技术不同。
本发明的并联工作的正弦波逆变器，并联控制(逆变与均流控制)原理如图4所示，其结构与图1相比增加了两个环节：一是在基准正弦信号发生器和市电采样及整形电路之间插入一个同步控制器，取代syn、为基准正弦信号发生器提供新的市电相位基准信号syn1 *，其功能是消除并联系统中由于各逆变器模块的基准电压信号vx之间的相位差造成的环流；二是增加了一个由环流传感器和加法器组成的控制环节II，环流传感器的输出信号dvif反映相并联的逆变器模块之间的环流，dvif与输出电压采样信号vf合成后的信号vf *取代图1中的输出电压采样信号vf、输入给电压调节器，环节II与电压调节器共同作用，实现均流与逆变控制。图4中的同步线和均流线组成图3中新逆变器模块的并联总线PARA，多个逆变器模块组成并联系统时，所有逆变器模块的同名信号通过并联总线31(图3)分别相连。
本发明的同步控制器的组成如图5所示，主要由一个微控制器(MCU)和五个光偶组成，同步线包括同步相位线51和同步状态线52。图5中MCU输出的信号syn1经光偶3隔离后输出到“同步相位线51”，并在此线上与其它模块输出的信号实现“线与”(也可以是相“或”)、生成信号syn*。syn*经光偶4隔离后(记作syn1 *)又送回MCU；光偶1、2分别与光偶3、4的电路和作用相同。经光偶5隔离输出的信号Ctr是图6中开关S的控制信号，稍后介绍。
当市电采样信号syn正常时，MCU跟踪syn、并由MCU中的程序产生与syn同相同频的方波信号syn1；当syn异常时，MCU不理会syn，而是由该程序产生标准频率(如50Hz)的方波信号syn1、并根据syn1 *的相位和频率每个周期微调syn1的相位和频率，使syn1总是尽可能地与syn1 *保持同步。sta1 *是表示本模块对syn信号是否正常的判断结果的状态信号、而sta*则是所有并联模块的表决结果，MCU实际上是根据sta1 *的状态决定syn1是否跟踪syn相位，以保证正常与异常的临界情况下并联系统中各个逆变器的同步控制器的工作状态(是否跟踪syn)一致。逆变器在某些应用场合(如构成航空静止变流器)并无交流输入，这时，相当于上述syn异常的状况。
因此，在同步控制器的作用下，无论市电正常与否，每个模块中各自产生的正弦基准信号vr总是与互连信号syn*同频同相、因此这些正弦基准信号都是同频同相的，这是并联工作的逆变器之间能均分负载的前提条件。而且由于各模块的syn1信号都保持同步，因此当其中任何一个逆变器关机时、syn*信号便自动由其余模块的syn1信号生成、syn*信号并没有任何变化；当一台逆变器投入并联系统时，由其MCU软件控制，在其程序syn1信号与syn1 *(syn*)同步之后再将其输出到MCU端口、不影响syn*信号(同步之前syn1信号线上的电平使光偶3器件内部的发光二极管不导通、光偶阻断了该线上的电平对其输出端syn*信号发生作用)。因此，就同步控制部分而言，并联系统中的逆变器模块是允许热插拔的。
本发明的控制环节II的电路组成原理如图6所示，包括电流采样电路、求差电路、差动放大器或隔离放大器、加权网络、电阻R、开关S及求和电路。图6中，通过电流互感器(或霍耳传感器)实现电流采样电路，被采样的电流io可以是逆变器输出电流或逆变器输出滤波电感电流。各并联模块通过均流线相连，即所有并联逆变器模块的电流采样信号vif经过各自的电阻R及开关S连到均流线，当本逆变器模块参与并联工作时S接通、否则S断开。因此无论几个逆变器模块并联，均流线上都会自动生成各工作模块电流采样信号的平均值vif *，vif *也就表示各个逆变器模块应该分担的平均负载电流。然后vif1与vif *的差值dvif’(即环流)由求差电路求出，各并联逆变器模块中的环流信号dvif’都以GND1为基准地(各逆变模块的GND1点是相连的)、它们是共地的。dvif’信号经过隔离放大器或差动放大器转换为以GND2为基准地的环流信号dvif。GND2是本逆变器中除环流检测电路(这部分电路是低通的，对地线干扰不敏感)之外的其他电路部分的基准地，因此隔离放大器或差动放大器使各逆变器模块除环流检测电路部分之外的其它逆变控制电路与并联系统中的其它逆变器模块电气隔离的或不共地的，从而使并联系统有很好的抗扰性。
环流信号dvif经过加权网络加权后、通过求和电路与输出电压采样信号vf相加、生成信号vf *。vf *取代图1中的vf信号输入到电压调节器，此电压调节器兼作均流调节器、而不需要另外的电流控制器，其输出信号vx包含了环流及电压误差(vf-vr)信息，当输出电压偏离基准正弦信号或者环流增大时，该调节器都会迅速作出反应、再经过逆变器其它控制电路及功率电路的作用，调节输出电压，输出电流的均衡(均流)也是通过这样输出电压的调节来实现的。加权网络可以是电阻或阻容网络，改变其数值可以调整均流环路增益。
图6中的开关S当且仅当本逆变器模块参与并联运行时接通(如逆变器慢起动过程中不能参与并联工作、这时S尚处于断开状态)。S可以是模拟开关与继电器(该继电器当且仅当环流检测部分有电、或功率逆变电路工作时接通)串联，也可以只用模拟开关、而在机械结构上将均流线设计为最短插脚(保证它比环流检测电路的辅助电源后通先断)，目的是确保在环流检测电路的辅助电源建立之前不对系统均流信号线有干扰或影响，。图6中Ctr是指模拟开关的控制信号，它由图5中MCU输出，与逆变功率输出开关(一般为交流接触器并联可控硅)同时通断。因此，就均流控制部分而言，并联系统中的逆变器模块也是允许热插拔的。与前述同步控制部分的热插拔性能结合，整个逆变器模块是允许热插拔的。
本发明的一种实施例为可冗余并联工作的1KVA逆变器(额定输出电压100V50Hz)。该逆变器的并联与逆变控制核心实现电路如图7和图8。
本实施例的同步控制器结构如图7所示，图7中，INT0和INT1分别是MCU的外部中断申请输入引脚，P1.0、P1.1和P1.3为输出、P1.2和P1.4为输入位端子。图7中的光偶1～5分别对应图5中的光偶1～5。并联时各逆变器模块中的光偶1在它们的集电极直接相连、实现隔离及“线与”，只要有一个逆变器模块中的光偶1导通(表示本模块认为syn异常)则同步状态总线信号sta*及所有逆变器模块通过光偶2隔离读回的sta1 *信号均为低电平、并联系统的输出电压不跟踪市电相位信号syn。当本模块开始参与并联工作之前，其光偶1不导通、对总线信号sta*无影响。光偶3、4的接线分别与光偶1、2相同，同步相位总线信号syn*是由所有并联逆变器模块输出的相位信号syn1“线与”生成的，同样在本模块开始参与并联工作之前，光偶3不导通、对总线信号syn*无影响。在图7的电路中，MCU除了同步控制之外，还实时读入逆变器功率输出开关的控制信号INV_S、并据此隔离输出控制开关S的控制信号Ctr，以控制S与逆变器功率输出开关同步动作。
图8为本实施例的均流控制电路结构，图中电流互感器CT和采样电阻Rs构成电流采样电路、并采样逆变器输出电流io.；模拟开关S的控制信号Ctr由图7中MCU给出，当本逆变模块参与并联工作时，S接通，电流采样信号vif通过电阻R接到均流线、参与生成平均电流信号vif *；差动放大器1求出vif和vif *的差值、即环流信号dvif’；差动放大器2从相对于基准地GND1的dvif’信号得到相对于基准地GND2的环流信号dvif、实现“地”信号的变换。Ra和Ca构成阻容加权网络，阻容加权网络兼作求和电路的一个输入支路、构成加权求和电路，环流信号dvif与输出电压采样信号vf加权求和后得到图4电压调节器的输入信号vf *。
三台采用本发明的逆变器并联工作时的实验波形如图9。图中CH1、CH3和CH4分别是输出电流的采样信号(电流采样系数100mV/A)，CH2是并联系统的输出电压。实验结果表明，采用本发明组成的并联系统可以获得很好的均流效果。
Claims (3)
1、一种并联工作的正弦波逆变器，包括由逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括市电采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及其它控制电路；其特征在于，还包括连接在该市电采样及整形电路和基准正弦信号发生器之间的同步控制器及用于与外部相连的由同步相位线和同步状态线组成的同步线，以及与电压调节器输入端相连的由环流传感器、求和电路及与外部相连的均流线组成的控制环节；该同步控制器用于消除并联系统中由于各逆变器模块的基准电压信号(vr)之间的相位差造成的环流；该控制环节与电压调节器共同作用，实现均流与逆变控制。
2、如权利要求1所述的并联工作的正弦波逆变器，其特征在于，所说的同步控制器主要由一个微控制器(MCU)和用于对该微控制器的输入及输出信号隔离的五个光偶组成。
3、如权利要求1所述的并联工作的正弦波逆变器，其特征在于，所说的环流传感器包括电流采样电路、求差电路、差动放大器或隔离放大器、加权网络、电阻及开关；其中，电流采样电路的输出端与求差电路的一个输入端相连，同时电流采样电路的输出端通过电阻后经开关与均流线相连，还与求差电路的另一个输入端相连；求差电路的输出端与差动放大器或隔离放大器的输入端相连，差动放大器或隔离放大器的输出端经加权网络与求和电路相连。
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