一種基于DSP的逆變電源并聯運行控制系統

2019-11-03 10:02:50

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供稿：網友

秦娟英　陜周榮

武漢理工大學湖北武漢 430070

　　摘要：文中論述了一種基于DSP的逆變電源并聯運行控制系統的實現方法，簡要地介紹了TMS320LF2407A數字信號處理器芯片的特點，闡明了系統的軟、硬件結構和工作原理，并給出了部分實驗數據和結果。實驗結果表明，該系統能夠達到比較理想的并聯運行控制效果。

　　關鍵詞： DSP；逆變電源；并聯

　　隨著社會經濟和科學技術的迅猛發展，人們對電源系統的供電質量和可靠性提出了越來越高的要求。采用模塊化的逆變器并聯運行而構成的電源系統，由于具有高可靠性、大容量的特點，不僅有良好的可維護性和通用性，還可以靈活地組建各種功率容量的系統；而且模塊化便于生產的規模化和降低成本，因此其應用前景也越來越廣泛。

　　在多個逆變器的并聯運行控制中，不僅需要對每個逆變器的運行參數（如輸入電壓、中間變量、輸出電壓和電流等）進行大量的數據采集和實時處理，還要在各逆變器之間進行數據通訊和相應的處理，因而對控制器提出了比較高的性能要求。數字信號處理器（Digital Signal PRocessor, DSP）由于具有高速、強大的數據處理能力、豐富的內部資源和方便靈活的外部接口，近年來在很多領域獲得了越來越廣泛的應用。我們在參考了大量國內外文獻資料的基礎上，采用TI公司的DSP產品TMS320LF2407A芯片，對基于DSP的逆變器并聯運行控制系統的實現進行了研究，開發了專用的控制系統并進行了實驗。實驗結果表明，該系統能夠較好地實現各個并聯逆變器的輸出同步和負載均分。

　　1. 逆變器并聯運行系統的原理和結構

　　1.1 多個逆變器并聯運行的條件逆變器是將直流電轉換成交流電的電能變換器。多個逆變器并聯運行的必要條件是各個逆變器的交流輸出電壓要保持嚴格地同頻率、同相位、等幅值。只有滿足這些條件，才能夠使負載電流和功率在各個逆變器之間均衡分配。然而，在現實條件下，由于不同逆變器之間存在的各種參數差異，以及各種干擾的影響都在所難免，從而會在各個逆變器之間產生環流，導致負載分配不均恒，甚至燒毀逆變器。因而必須對每個逆變器的運行進行嚴格的控制，有效地抑制環流，才能達到良好的并聯運行效果。其中最主要的是對輸出電壓的相位和幅值兩個方面的控制。理論分析表明[1]：在輸出電壓和輸出阻抗一定的條件下，并聯運行的多逆變器供電系統中，各逆變器輸出的無功功率差僅取決于它們的輸出電壓的幅值差；各逆變器輸出的有功功率差則主要取決于它們的輸出電壓的相位差，而且很小的相位差即可引起很大的有功功率的不均衡。以此為依據，我們的控制系統的主要控制任務就是控制逆變器的輸出電壓幅值和相位。

　　1.2 系統的結構

　　首先，48V直流輸入電壓經DC/DC變換，成為220V、100Hz半波正弦脈動直流電壓，再經過逆變橋進行逐個周期的倒相，成為標準的50Hz正弦交流電壓，最后經輸出繼電器輸出。在整個工作過程中，DSP控制器除了為DC/DC變換器提供標準的半正弦波基準信號外，還檢測每一步變換的輸入、輸出參數是否正常，并做出相應的控制操作。

　　各逆變器的輸入采用公共的48V直流電源，輸出端直接并接在一起向負載供電。不同逆變器之間通過同步并機母線和CAN通信母線連接起來，實現同步信息和運行參數的交流。

　　1.3 并聯運行系統的工作原理

　　本系統采用了改進的主從同步控制策略[2]和按輸出電流偏差控制的均流控制策略。

　　逆變器上電運行以后，首先進行同步控制。DSP控制器檢測同步并機線上是否已經有其它逆變器（稱為主模塊）發出的同步控制信號。此同步信號是一個與輸出母線上的交流輸出電壓同相位的方波信號。如果發現了同步信號，則DSP控制器按照該同步信號規定的時序，向逆變器中的DC/DC變換器發出相應相位的基準半正弦波信號，控制逆變器的運行時序。此后，在每個周期的開始時刻都要檢測該同步信號的上升沿，從而使逆變器保持與該同步信號嚴格一致的頻率和相位運行。如果系統上電后，經過一定時間（大約100ms）的檢測仍未發現其它逆變器發出的同步信號，則逆變器將按照程序中事先設定的時序運行，并且在每個周期的開始時刻向同步并機線上發出自己的同步信號，使自己成為主模塊，同時也保證輸出為穩定的220V、50Hz交流電。

　　當多個逆變器組成的系統一起上電運行時，在各逆變器之間通過競爭機制產生主模塊，即最早發出同步信號的逆變器將成為主模塊。它發出的同步信號將成為各逆變器運行的時序依據。這樣就形成了一種各個逆變器的軟、硬件完全一樣，因而彼此平等，而多個逆變器并聯運行時又會形成主、從分別的“改進的主從并聯運行控制策略”。在此基礎上，應用粗調與精調相結合的方法，實現了各并聯運行逆變器之間的理想的同步效果[4]。理論計算表明，各模塊間的同步誤差小于0.02°；實驗結果也證實該了各模塊之間的同步效果非常好，同步誤差幾乎無法測出。

　　同步控制正常以后，DSP控制器檢測本模塊的運行參數，比如輸入電壓、DC/DC變換的輸出電壓以及逆變橋的輸出電壓是否正常。如果正常，則打開輸出繼電器，為負載供電。然后，檢測輸出電流是否超出額定值。如果沒有發生過流，則將本模塊的電壓、電流等運行參數通過CAN總線發送出去，供其它模塊接收。然后延時等待3mS，以便從CAN總線上接收其它模塊的運行參數。通過合理的設置，DSP內嵌的CAN模塊能夠保證這些數據的可靠傳輸。

　　本控制器采用按輸出電流偏差控制的均流控制策略。在本系統中，由于同步問題得到了很好的解決，因而可以將輸出電流偏差△In直接作為輸出電壓幅值的控制依據，通過比例積分控制算法，實現各模塊的輸出均衡。具體方法是：通過CAN總線使每個逆變器都獲得其它逆變器的輸出電流數據，將各逆變器的負載電流之和IL除以正在運行的逆變器數n得到各逆變器的平均輸出電流I，用它作為逆變器輸出電流的給定值，把它與各逆變器自己的輸出電流In之差△In作為控制依據，通過PI控制，使△In最小。

　　1.4 并聯運行控制系統的軟件結構

　　軟件系統按照完成的功能劃分，主要由主程序和中斷服務程序構成。主程序除了完成系統的初始化、數據處理、傳輸和逆變器運行控制外，最主要的就是進行均流控制。中斷服務程序則主要實現同步控制和數據的采集等功能。

　　2. TMS320LF2407A數字信號處理器(DSP)介紹

　　在本系統中，我們采用了德州儀器公司的數字信號處理器TMS320LF2407A。TMS320系列DSP的體系結構是專為實時信號處理而設計的，它將實時處理能力與控制器外設功能集于一身，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案[3]。本系統使用的2407A是16位定點數字信號處理器產品，它具有以下特點：

　　30MipS的執行速度，使指令周期達到了33ns從而保證了控制器的實時控制能力；

　　兩個事件管理器模塊，其中每個都包括兩個16位通用定時器、8個16位的脈寬調制（PWM）通道、3個捕獲單元以及16通道10位A/D轉換器；

　　控制器區域網絡（CAN）2.0B模塊；

　　40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳；等等。

　　TMS320LF2407A強大的實時數據處理能力、豐富的內部資源和方便靈活的可編程外設接口，為我們的逆變器并聯運行控制系統提供了良好的硬件基礎。

　　本系統中的DSP控制器的結構，主要由2407A芯片及其外圍元件、D/A轉換器、外接的程序存貯器和接口電路組成。

　　3. 并機運行效果

　　我們用三臺逆變器組成并聯運行系統系統，分別對阻性負載、容性負載、感性負載和整流性負載進行了并機調試和實驗，取得了令人滿意的結果。逆變器參數如下：

　　輸入電壓：40~57V DC ；

　　輸出電壓：220V±5% 50Hz AC ；

　　輸出功率：3000VA ；

　　輸出頻率：47~51 Hz ；

　　部分實驗結果如下：

　　（1）公共負載為阻性負載時，三臺逆變電源的輸出電流特性如下(由于使用的是雙蹤示波器，故每次只能同時顯示兩臺逆變電源)：

　　改變負載大小時均流情況的變化如下表：

　　表1: 逆變模塊均流變化情況（阻性負載）

　　測試項目 1組 2組 3組 4組

　　輸出電壓（v） 219 220 220 220

　　輸出總電流(A) 3 10 25 40

　　模塊1電流(A) 0.8 3.5 8.4 13.6

　　模塊2電流(A) 1.2 3.5 8.5 13.3

　　模塊3電流(A) 1 3.0 8.1 13.1

　　均流誤差 (A) 0.4 0.5 0.4 0.5

　　（2）公共負載為容性負載時，兩臺逆變電源的輸出電流特性：

　　說明：兩臺逆變模塊并聯時，帶容性負載（功率因數Q=0.8），總電流

　　15.3A，1號模塊輸出電流7.5A, 2號模塊輸出電流7.75A

　　（3）公共負載為感性負載時，兩臺逆變電源的輸出電流特性：

　　說明：雙機并聯、感性負載（功率因數Q=0.6）、電流波形，總電流：7.55A

　　（4）公共負載為整流性負載時，兩臺逆變電源的輸出電流特性：

　　從上面的實驗結果可以看出：本逆變器并聯運行電源系統可以較好地實現功率均分。不論是在線性負載時還是在非線性負載（整流性負載）時都可以保持相當好地供電質量，輸出電流的波形畸變也很小，額定負載均流的相對誤差小于0.5A，可見系統內的環流影響較小。

　　4. 結論

　　理論上說，逆變器并聯運行的條件是各模塊的輸出電壓保持嚴格的同頻、同相、等幅。如果不同模塊的輸出間存在相位和/或幅度的差異，就會引起它們之間的有功和/或無功環流。利用DSP器件提供的高速信息處理能力，結合適當的軟件算法，采用改進的主從同步控制策略和按功率偏差的均流控制策略，能夠較好地解決逆變器并聯運行時面臨的主要問題，實現逆變器的并聯運行。

　　
摘自《通信電源技術》

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