CN2888741Y - 无主可并联逆变电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电源逆变领域，尤其涉及一种无主可并联逆变电源控制系统，包括功率处理电路、控制电路、驱动和保护电路、逆变器监控单元以及键盘显示电路，所述功率处理电路包括DC/DC升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路；所述控制电路分别与驱动和保护电路、逆变器监控单元、键盘显示电路连接，全桥逆变电路分别与DC/DC升压电路、输出滤波电路、驱动和保护电路连接。本系统的可并联逆变器采用自同步和外同步结合的原理设计，单个模块和监控故障不影响其他模块正常工作，大大提高了系统可靠性且可实现N+1逆变单元并联扩容。

Description

无主可并联逆变电源控制系统

【技术领域】

本实用新型涉及电源逆变领域，尤其涉及一种无主可并联逆变电源控制系统。

【背景技术】

随着国内电力工业的不断发展，发电厂、变电站在故障情况下要求不间断电源供电的交流负荷越来越多，对交流供电质量和交流供电的可靠性的要求也越来越高，因此如何提高逆变器的供电质量和供电可靠性是逆变器研究的重点。

随着控制技术的发展，高速数字处理芯片DSP的出现，实现高质量的交流输出已经不成问题；但是如何实现逆变器的冗余设计依然是困扰开发者的主要问题，目前市场上流行的逆变器的并联技术是采用系统监控器统一产生SPWM信号进行同步和负载均分的，最具代表的产品是美国的APC产品。这种逆变器的技术缺点是：单逆变器不能工作，必须配和系统的监控器才能工作，因此小系统的性能价格比不高；系统的可靠性取决于系统监控器的可靠性，监控器一旦损坏，整个系统将瘫痪；交流输出不能短路，短路将会造成逆变器烧毁的危险。

【实用新型内容】

本次实用新型的目的在于提供一种控制元件少、稳定度高且均流度高的无主可并联逆变电源控制系统。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种无主可并联逆变电源控制系统包括功率处理电路、控制电路、驱动和保护电路、逆变器监控单元以及键盘显示电路，所述功率处理电路包括DC/DC升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路；所述控制电路分别与驱动和保护电路、逆变器监控单元、键盘显示电路连接，全桥逆变电路分别与DC/DC升压电路、输出滤波电路、驱动和保护电路连接。

所述控制电路包括AT89C52芯片、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片和同步控制单元、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元。

所述控制电路还包括可以产生正弦波的自激电路。

所述驱动和保护电路采用IGBT/MOS驱动模块HCPL-316J。

所述无主可并联逆变电源控制系统可包括若干并联逆变器，上述逆变器是由全桥逆变电路、驱动和保护电路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元组成，所述逆变器采用自同步和外同步方式结合，即在有外部同步信号的时候，逆变器输出跟踪电网同步或逆变器监控单元给定的信号同步；在没有外部同步信号的时候，同步母线自动切换到自激电路。

所述逆变器用DSP2407A的捕获单元，通过捕获同步脉冲且在捕获中断程序中完成与市电相位、频率的同步。

与现有技术相比，本实用新型无主可并联逆变电源控制系统采用DSP2407芯片全数字化设计使得系统控制元件少且稳定度高；采用UC3902芯片，使得各逆变器独立工作，简化了大量的软件计算，大大提高了均流精度；本系统的可并联逆变器采用自同步和外同步结合的原理设计，单个模块和监控故障不影响其他模块正常工作，大大提高了系统可靠性且可实现N+1逆变单元并联扩容。

【附图说明】

图1是无主可并联逆变电源控制系统框图；

图2是并联逆变模块供电示意图。

图3是并联逆变器均流环连接框图

图4是并联逆变器同步控制示意图

【具体实施方式】

请参阅图1所示，无主可并联逆变电源控制系统(以下简称为系统)包括功率处理电路、控制电路、驱动和保护电路、逆变器监控单元以及键盘显示电路。上述功率处理电路包括DC/DC升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路；所述控制电路分别与驱动和保护电路、逆变器监控单元、键盘显示电路连接，全桥逆变电路分别与DC/DC升压电路、输出滤波电路、驱动和保护电路连接。上述控制电路包括数字处理芯片、自主均流芯片和同步控制单元、自激电路、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元。在本实施例中，数字处理芯片是AT89C52芯片和DSP TMS320F2407A芯片；自主均流芯片是UC3902芯片。上述驱动和保护电路采用IGBT/MOS驱动模块HCPL-316J。

系统硬件部分说明如下：

逆变器是由全桥逆变电路、驱动和保护电路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元组成。

直流输入利用DC-DC全桥高频隔离升压，把电压升到直流380-420V供后级的全桥逆变电路使用。逆变器的功率处理采用全桥电路，经过SPWM调制以后，输出经过滤波电感和滤波电容以后，直接和其它逆变器的输出进行并联。当要求和电网进行快速切换的时候，系统逆变器监控单元指挥开关箱的开关动作，实现与电网的旁路切换。

控制电路以AT89C52和DSP TMS320F2407A为核心，AT89C52完成显示、告警、键盘操作及与上位机通信；DSP TMS320F2407A完成SPWM波形的产生、锁相、控制、均流以及同步信号捕捉、数据采样等功能。使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样，通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制，保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号，经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。

自主均流芯片UC3902均流精度可达到1％且可实现冗余。自主均流实质上是在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，其余的模块则成为从模块，各个从模块的电压误差依次被整定，以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中，事先没有人为设定哪个模块为主模块，而是按输出电流的大小随机排序，输出电流大的模块自动成为主模块。本实用新型无主可并联逆变电源控制系统采用此芯片可以直接得到均流误差信号，简化了控制系统复杂的电流计算，提高了系统可靠性。

UC3902芯片设有八个管脚，电流最大的模块被自动确定为主模块，主模块驱使均流母线电压与它的输出电流成比例。从模块以均流母线电压为基准，达到每个模块均分电流的目的。UC3902芯片通过调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外，此芯片有一个独特的有利条件是它使用了差模均载母线，这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。UC3902芯片包括检测电流放大器、均流驱动和均流检测放大器、跨导式误差放大器、缓冲级调整放大器和辅助工作电路。上述辅助工作电路用来提供内部偏置和芯片内部参考。

系统软件部分说明如下：

控制电路主程序完成开机检测、均流计算、同步捕捉、计算调制度，输出SPWM波。

均流计算：

从理论上讲DC/AC逆变模块的并联条件是：各模块输出电压的频率、相位和幅值以及内阻完全相同，才能实现并联运行，并联模块输出的电流、功率完全均衡。实际系统中，由于各模块硬件的分散性是不可避免的，各模块的基准正弦信号的频率和幅值也会有微小差异；以上差异都会导致各模块输出电压的相位和幅值不等；相位差会引起模块之间产生有功环流，幅值差会引起模块间产生无功环流。假设各模块的内阻为常数，下面就两个模块输出的相位、频率和幅值对系统环流的影响进行分析。

请参阅图2所示，为分析简便起见，两个并联供电的逆变模块容量相同。U₁，U₂表示模块输出的基波电压；L₁，C₁，L₂，C₂分别代表两个模块的输出滤波器；Z为公共负载；U_o为负载两端电压；I_L1，I_C1，I_L2，I_C2分别为两模块流经滤波电感和滤波电容的电流；I_Z1，L_Z2分别为两个逆变模块输出到负载的电流。

根据公式推导可以得到逆变器1输出有功功率和无功功率为：

P＝U_iU_osin/Z_L

Q＝(U_iU_ocos-U_o ²)/Z_L

由此可以得到各逆变电源输出的有功功率主要取决于相位角，相位差超前者发出有功功率，反之吸收有功功率；并联逆变器输出的无功功率则主要取决于输出的电压幅值U，幅值高者发出无功功率，反之吸收有功功率。由无功功率公式可得到：ΔQ＝ΔU_iU_ocos/Z_R，说明无功功率的变化只与模块输出电压幅值相关，因此要调节无功功率只需根据Q的大小对输出电压幅值作相应的调节和控制，即采用功率均衡均流法。

无功功率电流调节可以采用功率偏差控制策略。根据以上均流原理，逆变器模块检测出本模块的无功功率偏差值，来调节本模块输出的电压值，使各个并联逆变器模块输出的无功功率相等，达到均流的目的。具体的电压调节公式为：

I、根据每个模块的无功功率Q_i计算出ΔQ_n：

由 ${\mathrm{\ΔQ}}_n=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i/N-Q_n,$ 得ΔQ_n＝U_n-1Δi·sin，N为系统中并联模块总数，n表示第n个模块，为功率因数。

II、根据求得的ΔQ_n的大小和正负采用如下的公式调节输出电压：

U_n＝(U_n-1-k₁ΔQ_n+k₂U_*)/(1+k₂)

其中U_n为模块下一时刻输出的电压(调整后的输出值)，Vn-1为上一时刻模块的输出电压，U_*为目标输出电压，k1、k2分别为调整系数，在实际的调整过程中，根据具体情况可设置不同的组合值。

为了使得每个并联逆变器的电流达到均等地目的，在每个并联逆变器的控制环上除了电压控制环之外还加了一个均流环。请参阅图3所示，在均流控制中，电流误差信号Δi由均流芯片UC3902给出，均流环采用不完全微分PID控制，以减小由于单个模块数据错误而对整个系统的冲击。为保证实际均流的可行性和调整范围，采用模糊控制的思想，限定均流实际输出的电压在220±5V内，这样可以保证均流的可靠性。同时调整的幅度在2V以内，否则会引起较大的环流波动。

(2)同步控制

逆变电源系统中，为抑制模块间环流的影响，必须保证各逆变模块输出电压的相位、幅值及频率的一致性，这是实现并机控制的前提。

请参阅图4所示，本系统的可并联逆变器采用自同步和外同步结合的原理设计。上述逆变器采用自同步和外同步方式结合，即在有外部同步信号的时候，逆变器输出跟踪电网同步或逆变器监控单元给定的信号同步；在没有外部同步信号的时候，同步母线自动切换到自激电路，上述自激电路自激产生一个50Hz的标准正弦波，保证逆变器监控单元出现故障也能够正常工作。这种同步控制方式即使有某个模块因为故障损坏不能输出同步信号，也不影响并联运行，从而实现了内同步和外同步相结合的同步机制。外部同步信号是由逆变器监控单元产生。逆变器用DSPTMS320F2407A的捕获单元，通过捕获同步脉冲，在捕获中断程序中完成与市电相位、频率的同步。

(3)计算调制度和输出SPWM波

在实际设计过程中，采用事件管理器(假设EV2)中的1个全比较单元、通用定时器3、死区发生单元以及输出逻辑来生成单相四路SPWM波，经4个复用的I/O引脚输出。TMS320LF2407A的定时器有4种工作方式，采用连续增/减计数方式工作时，将产生对称的SPWM波输出。在这种计数方式下，计数器的值由初值开始向上增计数，当到达T3PR值时，开始递减计数，直至计数器的值为零时(进入中断服务程序)又重新向上增计数，如此循环往复。在计数器计数的过程中，计数器的值都与比较寄存器CMPRx(x＝4，5)的值作比较，当计数器的值与其相对应的比较寄存器的值相等发生匹配，则对应的该相方波输出发生电平翻转。在每个载波周期内，输出的方波将发生两次电平翻转。只要在每个三角波载波周期根据在线计算改写比较寄存器CMPRx的值，就可实时地改变脉冲的占空比，得到完整周期的SPWM脉冲。对每个脉冲相对于载波周期的占空比的计算是在定时器的下溢中断服务子程序中完成的。

并联逆变器软件在前述硬件的基础上实现单机逆变器的功率输出、信号检测、信号同步和均流等功能，根据各项功能实现的实时性要求的不同，安排在不同的程序段完成。对于同步信号的跟踪，要达到非常高的精度，必须要求具有非常高的实时性，所以可并联逆变器同步功能的实现利用中断程序完成，在中断程序中实时捕获同步脉冲。在可并联逆变器软件中利用四个中断定时器完成同步功能。在主程序中实现信号采集、信号检测和均流算法等功能。

本实用新型通过以UC3902芯片和DSP TMS320F2407A芯片为例，介绍了一种无主可并联逆变电源控制系统，这不能被认为是对本实用新型权利要求的限制。如果本领域的技术人员依据本实用新型作出了非实质性的、显而易见的改变或改进，都应该属于本实用新型权利要求保护的范围。

Claims (7)

1、一种无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：上述系统包括功率处理电路、控制电路、驱动和保护电路、逆变器监控单元以及键盘显示电路，所述功率处理电路包括DC/DC升压电路、全桥逆变电路和输出滤波电路；所述控制电路分别与驱动和保护电路、逆变器监控单元、键盘显示电路连接，全桥逆变电路分别与DC/DC升压电路、输出滤波电路、驱动和保护电路连接。

2、根据权利要求1所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述控制电路包括数字处理芯片、自主均流芯片和同步控制单元、自激电路、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元。

3、根据权利要求2所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述数字处理芯片是AT89C52芯片和DSP TMS320F2407A芯片，所述自主均流芯片是UC3902芯片。

4、根据权利要求3所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述控制电路还包括可以产生正弦波的自激电路。

5、根据权利要求1所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述驱动和保护电路采用IGBT/MOS驱动模块HCPL-316J。

6、根据权利要求4所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述无主可并联逆变电源控制系统包括若干并联逆变器，上述逆变器是由全桥逆变电路、驱动和保护电路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流电压采样单元、交流电流采样单元和温度采样单元组成，所述逆变器采用自同步和外同步方式结合，即在有外部同步信号的时候，逆变器输出跟踪电网同步或逆变器监控器给定的信号同步；在没有外部同步信号的时候，同步母线自动切换到自激电路。

7、根据权利要求6所述的无主可并联逆变电源控制系统，其特征在于：所述逆变器用DSP TMS320F2407A的捕获单元，通过捕获同步脉冲且在捕获中断程序中完成与市电相位、频率的同步。

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