CN1719687A - 一种新颖的逆变电源的自动主从并联装置 - Google Patents

Abstract

一种新颖的逆变电源的自动主从并联装置，它实现了并联逆变器主从地位的自动调整以及热插拔，涉及含有并联与热插拔技术要求的逆变系统等领域。该装置通过在电流给定母线和相位同步母线中加入选择开关，自由切换电流给定信号和相位同步信号的来源，解决了传统主从设置法无从自由更换信号来源的问题，实现了并机系统主从关系自动调整，实现了热插拔，并且保持了传统主从设置法均流与动态性能良好的优点。本专利适用于需要逆变器并联的场合，特别是需要进行热插拔和有冗余性要求的场合。

Description

一种新颖的逆变电源的自动主从并联装置

技术领域

本发明创造涉及主从逆变技术，涉及所有包含并联与热插拔要求的逆变电源供应装置。

背景技术

随着开关电源技术的发展与广泛应用，对电源的功率输出以及稳定性提出了更高的要求。在大功率和高可靠性的应用场合，单纯地增加单电源的输出功率增加了设计难度，也不符合经济性的要求，在出现故障情况下难以保证足够的安全性。因此，为了解决单电源带来的这些问题，电源的并联装置得以发展起来。电源系统的冗余并联运行以及热插拔技术是获得高可靠性和大功率输出的最佳解决方案。逆变并机的主要难点：逆变器并联工作时，它们之间不仅会有幅值的差别，还会有相位的差别，如果不采取任何措施就将它们的输出并联在一起，则会形成环流。每个逆变器的输出电流包含负载电流和环流。电源并联前输出同幅值不同相，并联后产生无功环流，且相位超前者环流分量为正有功分量，反之为负有功分量；电源并联前输出同相不同幅值，并联后产生有功环流；当电源并联前幅值相位均不同时，并联后的环流分量中既有有功部分又有无功部分；如果波形发生畸变，还会产生谐波环流。为便于理解本发明创造，提供图1、2、3、4、5、6所示的现有传统技术。如图1，全桥逆变器的示意图，它由两个桥臂(分别是Q1、Q2和Q3、Q4)组成，当PWM产生方式为双极性模式，Q1、Q3同步工作，Q2、Q4同步工作，上下管除死区时间外开关周期互补，图3为双极性模式SPWM产生的示意图；当SPWM产生方式单极性模式，Q3、Q4称为低频臂，按照逆变正弦波的频率交替开通，Q1、Q2称为高频臂，以SPWM方式互补工作，图4、5为单极性模式SPWM产生的示意图(单边与双边工作模式见参考文献1)。图2为半桥逆变器示意图，它由一个桥臂和一个中点电位组成，桥臂以SPWM方式工作，SPWM的产生类似于单极性模式，同样也有双边方式和单边方式，无实际存在的低频臂，如图4、5。已有技术的并联方法是主从法，尤其是主从设置法。主从设置法适用于有电流型控制的并联开关电源系统中。所谓电流型控制是指开关电源逆变器中有电压控制和电流控制，形成双闭环系统。电流环是内环，电压环是外环。主从设置法是在并联的n个变换器逆变器中，人为指定其中一个为主机(主逆变器MasterModule)而其余各逆变器跟从主逆变器分配电流，称为从机(从逆变器Slave Modules)。图6给出n个变换器逆变器并联的主从控制原理示意图。图中每个逆变器都是双环控制系统。设逆变器1为主机，按电压控制规律工作，其余的n-1个逆变器按电流型控制方式工作。Vr为主逆变器的基准电压，Vf为输出电压反馈信号。经过电压误差放大器，得到误差电压Ve，它是主机的电流基准，与VI1(反映主逆变器电流I1大小)比较后，产生控制电压Ve，控制脉宽调制器和驱动器(图6中未画出驱动器)工作。于是主机电流将按电流基准Ve调制，即逆变器电流近似与Ve成正比。各个从机的电压误差放大器接成跟随器的形式，主机的电压误差Ve输入各跟随器，于是跟随器输出均为Ve，它即是从机的电流基准，因此各个从机的电流都按同一Ve值调制，与主逆变器电流基本一致，从而实现了均流。用主从设置法均流的优点在于均流特性良好。主要缺点是：主机从机软硬件不一致或者主机从机地位需要人为设置和调整，增加系统复杂性和操作难度，如果主逆变器失效，则整个电源系统不能工作，因此该方法不适用于冗余并联系统。

发明创造内容

为了解决传统主从设置法带来的可靠性不高、难以真正实现动态冗余的缺点，本发明创造的目的是提供一种具有良好的动态与静态均流特性，智能化程度高，能够实现热插拔的逆变并联装置，保持了逆变器在并机状态下拥有与单机工作一致的特性，适用于全桥逆变器和半桥逆变器。

本发明创造采取的技术方案：

同在一个并机系统中的所有逆变器在硬件与软件一致，由竞争来确定主从关系，先开机的逆变器自动获得主机地位，若并机系统中的逆变器同时开机，由逆变器的序列号先后顺序来确定主机地位(如图10)，即通过竞争来确定主从关系。在新的逆变器加入并机系统或者有逆变器退出并机系统，设置有热插拔预警机构在热插拔动作完成前足够时间内通知并机系统，主从关系根据运行情况作合理调整，从机退出则保留原主从关系不变，主机退出则重新通过序列号对比来确定主从关系，调整过程中整个并机系统的输出状态维持不变。图8所示为自动逆变并联装置的控制器示意图，控制器的逆变控制功能部分由硬件构成或者软件实现，逆变控制器控制环的外环电压环的输出端中加入一个模拟开关，即选择开关110，选择开关110的输出分两路，一路送到通讯输出端，接入逆变器并机系统的电流给定母线，另一路送到逆变器自身的电流环的参考端，即电流给定母线接入所有并联运行的逆变器的电流环参考端。取得主机地位的逆变器或者单机运行的逆变器接通其选择开关110，而取得从机地位的逆变器断开其选择开关110，主机因此取得并机系统中所有逆变器的电流给定信号的控制权，所有逆变器的电流都被主机的电压环输出信号所调制。在逆变器同步信号的输出端加入一个模拟开关，即选择开关120，选择开关120的输出分两路，一路送到通讯输出端，接入逆变器并机系统的相位同步母线，一路送入逆变器相位同步输入端，即相位同步母线送入所有并联运行的逆变器的相位同步输入端。当逆变器作为主机或者单机运行，主机的相位同步信号的选择开关120接通，从机的相位同步信号的选择开关120断开。从机的微处理器通过检测工作时主机的相位同步信号，使本身输出的相位同步信号与主机保持一致。电流给定母线和相位同步母线通过连接器的接口连接，它们由物理存在的实际连线构成。热插拔预警机构设置在逆变器模块输入输出连接器中，如图7所示，在连接器中设置一个短针，逆变器插入并机系统时，电力线与通讯线比短针先行接通，在短针未连接好之前，逆变器关闭其自身逆变输出，逆变器被从并机系统抽出时，电力线和通讯线比短针后断开，短针一断开立即送给该逆变器控制器一个预警信号，逆变器在电力线和通讯线断开前完成向并机系统的通告并关闭逆变器，调整主从关系和防止连接器间拉弧；

控制器的逆变控制功能部分由硬件构成或者软件实现，选择开关110和选择开关120由继电器实现；

控制器的逆变功能部分由软件实现，选择开关110和选择开关120无物理存在，它们是微处理器程序中设置的虚拟开关。当逆变器作为主机运行，代表选择开关110和120的标志有效，逆变器向电流给定母线和相位同步母线发出电流给定信号和相位同步信号；当逆变器作为从机运行，代表选择开关110和120的标志无效，逆变器接收电流给定母线中的电流给定信号和相位同步母线中相位同步信号；

控制器的逆变功能部分由软件实现，电流给定母线和相位同步母线不是物理存在，它们是附着在数据通信中的功能构件。逆变器并机的通信协议中，包含有电流给定母线和相位同步母线的功能，该两个母线的信息通过数据通讯线传输；

热插拔预警机构设置在逆变器的推拉把手中，把手中设置一个机械开关，当握紧把手，机械开关动作，向逆变器控制器发出一个类似于短针断开意义的信号，通知并机系统和该逆变器即将进行的动作，实现热插拔预警。热插拔预警机构或者是包含由逆变器退出操作预警能力的机构，如在面板上设置一个手动开关，逆变器插到位后手动接通该开关，逆变器退出前先手动关闭该开关，或者其他形式的机构。

本发明创造的优点：

由于该装置加入了信号选择开关，利用该开关可以自由选择电流给定信号和相位同步信号的来源，为并机系统提供了主从关系灵活变化的能力，利用其通讯能力增加主从判断能力，在主从设置法的基础上实现了自动主从逆变装置。该发明创造有效避免了主从设置法中主机地位不可变的缺陷，实现了主机地位的动态调整，同时保持了主从设置法均流特性良好的优点。

附图说明

图1现有全桥逆变器示意图；

图2现有半桥逆变器示意图；

图3现有双极性SPWM产生方式；

图4现有单极性(双边)SPWM逆变电路波形；

图5现有单极性(单边)SPWM逆变电路波形；

图6现有技术的主从设置并联逆变技术的控制图；

图7本发明创造的结构示意图；

图8一种控制器部分的示意图；

图9正弦波相位同步的示意图；

图10一种启动阶段主从判断流程示意图；

图11一种控制环建模示意图；

图12一种多机并联时的控制环建模示意图；

图13在三相逆变系统中的示意图。

具体实施方式

以下是新颖的逆变电源的自动主从并联装置几种实施例。

实施例1：

一种新颖的逆变电源的自动主从并联装置，如图7所示，该并机系统包含有N台逆变器(编号从“逆变器1”到“逆变器N”，其中包含了“逆变器K”和“逆变器K+X”)，逆变器为全桥结构，采用单极性控制方式。在该示意图中，每个逆变器均由以下部分组成：逆变器功率部分、逆变器控制器(其中包含选择开关110和选择开关120)、逆变器模块输入输出连接器、机柜连接器、电源输入输出线路、数据通信线路、相位同步信号线、电流给定信号线、热插拔预警机构等。

逆变器的启动操作。逆变器的输入输出电力线与信号线集成在一个连接器上，如图2所示，当新的逆变器推入机柜(或者其他的具有同样电气性质的安装形式)时，连接器自动接通电源与通讯线。主机通过以下的法则决定：逆变器控制器开机，内部工作电源建立，微处理器初始化后通过主从判断线向外发出一个标志自己已经准备完毕的信号，并接受其他逆变器的通讯信号。若已有稳定运行的主机，则新加入的逆变器自动设为从机，接受主机的均流信号和同步信号，若在一定时间内没有检测到主机的标志信号或者其他机器的准备完毕的信号，则自动设为主机运行，若逆变器发出准备完毕信号的一段范围内同时收到其他逆变器的准备完毕的信号，则通过判断逆变器序列号来确定主机，序列号新的作为主机，序列号储存在逆变器的控制器中。作为主机的逆变器运行方式与单机无异，若是检测到有新的逆变器加入，主机只需要在通讯上加以确认，并机系统能够自动实现动态均流。图10给出了新颖自动主从逆变并联装置的开机阶段主从判断的一种实用流程图。确立了主机地位的逆变器接通其选择开关110与选择开关120，确立了从机地位的逆变器关断其选择开关110与120。

逆变器的退出操作。退出操作分为正常退出与故障退出。正常退出指的是正常运行的逆变器被人为退出，脱离并联系统。故障退出指的是产生故障的逆变器自动退出运行。如图7，逆变器模块输入输出连接器上设置有一个热插拔预警机构，其特征是设置一个短针，当连接器连接正常到位，短针将通过机柜内的连接器接回逆变器内部的电源，短针电平置低，若连接器连接不到位，短针电平置高。当逆变器被抽出时，短针上的电压立即上升，送给微处理器一个中断信号。微处理器将在电力线和通讯线都被拔出之前完成所有的退出操作，这些操作可以在20ms内完成。若是作为从机的逆变器退出，微处理器在通讯线和电力线还未被切断之前通知作为主机的逆变器自己即将退出，并立即切断本机的输入输出继电器，关闭逆变，防止逆变器抽出时连接器间拉弧，防止损坏连接器和干扰其他逆变器的正常运行，作为主机的逆变器接收到从机信号后不需要动作。若主机退出，不仅需要在通讯线和电力线断开前切断自己的输入输出继电器，关闭逆变，同时指定并机系统中的某一从机作为新的主机，新的主机接受控制权，并在原来的时序上继续运行，在切换过程中除被退出的逆变器，其余的逆变器正常运行；若主机非正常退出，无法指定新的主机，则在线工作的从机通过竞争产生新的主机，竞争过程同逆变器并机同时开机的主机产生过程。确立了主机地位的逆变器接通其选择开关110与选择开关120，维持从机地位的逆变器继续关断其选择开关110与120。为使并机系统保持最高的可靠性，主从关系的调整依据最少动作原则，在从机热插拔时不影响原有的并机运行的逆变器的主从关系。

相位同步的实现。新颖的自动主从逆变并联装置设置有相位同步母线，主机通过闭合选择开关120向相位同步母线发送相位同步信号，从机关断其选择开关120。所有并联系统中的逆变器从相位同步母线上获得相位信号。如图9所示，微处理器上设置相位同步信号的发出端与接收端，发出端通过选择开关120连接到相位同步母线和本机的相位同步接收端。主从控制信号控制这选择开关120的开关，当逆变器作为主机运行，其选择开关120闭合，该机微处理器发出的相位同步信号(一个与正弦给定信号同步的方波信号)送至相位同步母线，在单极性工作模式下，相位同步信号用作低频臂的驱动信号。正弦给定信号的给出与相位同步信号同步，经过D/A转换或者数字处理后送入逆变器的控制环，作为电压环的参考信号。当逆变器作为从机运行，其选择开关120断开，在单极性工作模式下，其低频臂信号来源于相位同步母线；从机的微处理器接收相位同步信号，作为其发出正弦给定信号的时间基准；从机的电压环在自动主从逆变并联系统中被选择开关110切断，不起作用，但作为热备份一直跟踪同步，在并机运行期间让其维持正弦给定信号与相位同步信号的同步其意义在于：当并机系统主从关系重新调整，作为从机的逆变器有可能获得主机地位，取得同步和电流给定的主导权，热备份的从机变为主机就可以保证逆变输出的连续、无突变，保证了在波形不突变的基础上完成热插拔。

均流的实现。本装置适用于所有采用双环控制系统或者改进型的双环控制系统，其原理都是电压环的输出作为电流环的给定信号，逆变器的输出电流由给定信号所调制。图11为一种经典双环控制系统双机并机的控制系统建模。逆变器K作为主机运行，逆变器K+X与其他同在并机系统中的逆变器作为从机。当逆变器K的选择开关110、选择开关120接通，逆变器K+X与其他同在并机系统中的作为从机的逆变器的选择开关110、选择开关120断开，表明所有从机的电压环不起作用，从机的电流给定由逆变器K给出。所有并机系统中的逆变器的控制参数是一致的，因此可以认为它们的传递函数相等。图12为经典双环控制系统N台逆变器并机其逆变控制系统的简化模型，主机按照单机的电压环确定了电压环的输出，以此确定输出电流的参数，即电流给定If，该给定接入电流给定母线，送入所有逆变的电流给定端，因为传递函数相等，Io1、Io2、…、Ion等相等，Vo1、Vo2、…、Von同样相等。这样就实现了所有并机系统的逆变器输出电流相等，即均流。在所有双环控制环的改进系统里，电压环的输出仍然是作为电流给定信号来使用，逆变器输出电流都跟随电流给定信号。因为所有并机系统里的逆变器的控制参数是一致的，则拥有共同的电流给定信号到输出电流的传递函数，因此在电流给定信号相同的情况下，各逆变器拥有相同的输出电流，即可实现均流，该发明创造因此同样适用于双环控制系统的改进形式。

实施例2：

实施例2在实施例1的基础上发展而来，并机系统的逆变器采用全桥架构，双极性控制方式，如图1和图3。实施例2不存在低频臂，其相位同步信号送入微处理器作为正弦波给定信号的触发信号(从机以跟踪主机的正弦波给定信号作为变为主机的确保波形连续的热备份)，不需要做其他处理。其余部分同实施例1。

实施例3：

实施例3采用半桥架构，如图1，其余部分同实施例2

实施例4：

多相逆变系统的自动主从并联装置。参考实施例1，主从地位由竞争确定，在热插拔过程中调整。多相系统里需要按照相数设置多个选择开关和多路电压误差母线(高速数字传输条件下则为多个电流给定信号的虚拟母线)。相位同步母线可以设置为一条，或者按照相数设置为多条。电压误差母线与相位同步母线的应用方式与单相系统完全一样，取得主机地位的逆变器的所有选择开关接通，将自身的电流给定信号与相位同步信号送至相应母线，取得从机地位的逆变器关闭所有选择开关，从母线获得所需要的信号。各逆变器对应的相各自均流。以三相为例，如图10。对于三相系统，需要检测三个输出电流和三个输出电压，构成三个控制环，每个控制环的组成和功能与单相控制环一致，因此，该发明创造适用于三相逆变器并联。图10所示为N个三相逆变器并联工作其控制系统的并联方式。采集三相A、B、C输出电压信号，与内部给定信号相比较经电压环调节得到电压环的输出也就是电流给定信号，分别通过选择开关130、140、150连接到各自的电流给定信号母线；相位同步信号经过选择开关160接到相位同步母线，对于相位确定的系统，相位同步可以与某一相绑定，同步运行。由于控制方式与单相逆变器基本上一致，所以同样可以实现了输出同步与均流。主从判断方式也完全一致，保持了热插拔的特性。对于多相逆变系统，其工作方式与三相系统一样，电流给定母线的条数与相数一样多。在这里电流给定母线可以不必是物理意义上的电气连接，而集成在数据通信中。利用本发明创造，多相逆变系统可以实现逆变均流以及热插拔等一系列优良的特性。

Claims (4)

1、新颖的逆变电源的自动主从并联装置，包含正弦波逆变器、逆变控制器，其特征是：在逆变器电压环的输出端加入一个选择开关110，所有逆变器的电压环的输出端经过选择开关110后接入并机系统的电流给定母线，该母线接入所有并联运行的逆变器的电流环参考端，作为逆变器输出电流的给定信号，取得主机地位的逆变器接通其选择开关110，而取得从机地位的逆变器断开其选择开关110；在逆变器同步信号的输出端加入一个选择开关120，逆变器的同步信号输出经过选择开关120送入相位同步母线，该母线接入所有并联运行的逆变器的相位同步输入端，取得主机地位的逆变器接通其选择开关120，取得从机地位的逆变器断开其选择开关120；设置有热插拔预警机构，在新的逆变器加入并机系统或者有逆变器退出并机系统时，该预警机构提前通知并机系统。

2、根据权利要求1所述的新颖的逆变电源的自动主从并联装置，其特征是：选择开关110和120采取继电器或者模拟开关、或者微处理器程序中设置的虚拟开关。

3、根据权利要求1所述的新颖的逆变电源的自动主从并联装置，其特征是：设置热插拔预警机构，热插拔预警机构是在连接器中设置一个短针，该短针在逆变器模块输入输出连接器未到位或者即将拔出时发出一个预警用的电平信号；热插拔预警机构或者是设置在把手中的机械开关，或包含有逆变器退出操作预警能力或者连接未到位检测能力的机构。

4、根据权利要求1所述的新颖的逆变电源的自动主从并联装置，其特征是：电流给定母线与相位同步母线可以是物理存在的实际连线，或者是附着在数据通信中的功能构件。

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