（电路与系统专业论文）基于DSP的并联电源系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 多台逆变电源并联可以实现大容量供电和冗余供电，大大提高系统的灵活 性，降低电源系统的体积和重量，从根本上提高系统的可靠性并降低成本，因 而是当今逆变技术发展的重要方向之一，而数字控制技术和并联控制技术则是 逆变电源并联系统的研究热点。 本文致力于逆变电源并联控制系统的研究，设计了一种以d s p 作为控制器 的逆变电源并联系统。本文首先分析了逆变电源并联模型，并详细探究了逆变 电源并联系统的一些特性，其中包括并联系统中的环流特性和并联系统的功率 特性。从而推导出逆变电源并联运行的前提条件，并在此基础上研究了逆变电 源的并联均流控制技术，选取了基于p q 的外特性下垂法作为并联均流控制方 案。通过分析基于p q 的外特性下垂法的工作原理，推导出逆变电源输出电压的 频率和幅值与逆变电源的有功功率和无功功率相关，则可以通过计算逆变电源 模块的有功功率和无功功率，来确定逆变电源模块输出的电压的频率和幅值的 调整值，从而调整逆变电路的驱动信号s p w m 波，最终实现对逆变电源模块输 出电压的调整，使并联系统稳定、可靠的运行。 基于p q 的外特性下垂法的关键在于功率调节的实现，功率调节主要包括两 部分：功率的计算和功率的调节。系统并联中很重要的一个问题是如何快速而 准确的计算出逆变电源的有功功率和无功功率，为了准确的计算出功率，本文 先对功率基本理论进行详细分析，得出相关计算公式，然后根据系统需要采用 双表计算法计算出有功功率和无功功率。而在功率的调节中，p q 的下垂系数将 直接影响调节的精度和动态响应，论文中也详细讨论了下垂系数的取值问题。 在系统逆变环节的控制部分中，本文将负载电流当作为可检测的扰动，建 立了开环逆变器的数学模型，在此基础上本系统选取了电压外环电流内环的双 环控制方案进行逆变控制，并分析双环控制原理和逆变器的数字控制方式，从 而设计电压外环和电流内环的数字调节器，对其参数进行设计并采用m a t l a b 对系统的稳定性进行仿真验证。同时本文还对逆变电源并联系统进行了硬件和 软件的设计。 关键字：逆变电源，双环控制，外特性下垂法 a b s t r a c t t h ep a r a l l e lo fi n v e r t e r sc a ne x p a n dc a p a c i t ya n dr e a l i z er e d u n d a n c yi np o w e r s u p p l ys y s t e m i tg r e a t l yi m p r o v e st h ep o w e rs y s t e m sf l e x i b i l i t y ，a n dt h es y s t e m s v o l u m ea n dw e i g h tc a nb er e m a r k a b l yr e d u c e d ，w h i c hm e a n sh i g h e rr e l i a b i l i t y ，l o w e r c o s t s oi ti sn o wc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hi nt h ef i e l do f i n v e r t e r t e c h n o l o g y p r e s e n t l y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h ed i g i t a lc o n t r o la n dp a r a l l e lc o n t r o l f o ri n v e r t e rs y s t e m s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fp a r a l l e lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m a b o u ti n v e r t e r s ，d e s i g n sap a r a l l e lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma b o u ti n v e r t e r s ，w h i c h w a sb a s eo nd s p f i r s t ，t h ep a p e rd e v e l o p sm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h ep a r a l l e l i n v e r t e rs y s t e m ，c i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e ls y s t e m ，d i s t r i b u t i o n c o n t r o lo fd i s t o r t i o np o w e ra r ea l s op r o p o s e d b a s e do ni ta f t e rt h em o d e li sp r o p o s e d i n c l u d i n gs h a r i n gc u r r e n tc o n t r o l ，p a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g yar e l i a b l es o l u t i o no f r e s t r a i n i n gl o o pc u r r e n t ( t h ep qd r o o pm e t h o d ) i sd e s i g n e d t h ep qd r o o pm e t h o d c a l c u l a t e st h ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro fi n v e r t e r ，w h i c hd e t e r m i n e st h e a d j u s t e dv a l u e so ff r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ，t h e na d j u s t ss p w mj u d g i n gb yt h e v a l u e s ，s ot h a tt h eo u t p u to fi n v e r t e rp o w e rt ob ea d j u s t e d ，t h ep a r a l l e ls y s t e mc a nb e s t a b l ea n dr e l i a b l e t h ek e yo ft h ep qd r o o pm e t h o di ss u c hr e a l i z a t i o no fp o w e rr e g u l a t i o na sp o w e r c a l c u l a t i o na n dr e g u l a t i o n t h ev e r yi m p o r t a n tq u e s t i o no fs y s t e mp a r a l l e li sh o wf a s t a n da c c u r a t eg e tt h ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r ，t oc a l c u l a t et h ep o w e r e x a c t l y ， p o w e rt h e o r yi sf u l la n a l y z e da n ds o m ef o r m u l a so f p o w e rc a l c u l a t i o na r ea c h i e v e d ， t a k e si n t oa c c o u n tt h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t h es y s t e mu s e sat w o t a b l em e t h o d o fc a l c u l a t i o n t h ed r o o pc o e f f i c i e n t sa r ed i s c u s s e di no r d e rt oi m p r o v et h er e g u l a t i o n p r e c i s i o na n dd y n a m i cr e s p o n s e a tt h ep a r to ft h es y s t e mc o n t r o l ，w i t ht h el o a dc u r r e n tt r e a t e da sam e a s u r a b l e d i s t u r b a n c ei n p u t ，am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o ri n v e r t e r ，a n da ni n v e r t e r i i c o n t r o l l e rc o m p o s e do fv o l t a g e - l o o pa n dc u r r e n t - l o o pw a si n t r o d u c e d b a s eo n d o u b l e l o o pc o n t r o lp r i n c i p l e ，f u r t h e ra n a l y s i so f f u l ld i g i t a lc o n t r o lm o d ea n dd e s i g n p a r a m e t e r so fd i g i t a lv o l t a g er e g u l a t o r ，a l s ou s em a t l a bs i m u l a t i o nt op r o v et h e s t a b i l i t yo fs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l ea l s op a r a l l e lt ot h ei n v e r t e rp o w e r s y s t e mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n k e y w o r d s ：i n v e r t e r ；d o u b l e l o o pc o n t r o l ；t h ed r o o pm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生c 签名，：j 蝉日期占必 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师c 签名，：霆雌日期翌z ：圭z7 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着现代技术的发展，高精度仪器设备的大量使用，使用特种电源供电的 设备日益增多，高次谐波的干扰和瞬间断电都是不可接受的，因此，对电源供 电的可靠性和供电的质量都提出了很高的要求。由于并联逆变电源可以提高系 统配置的灵活性，满足用户对不同功率的需求，可降低不同容量电源的设计成 本和重复投资，可以提高逆变电源系统的可靠性，而且在改善电网质量、控制 谐波污染、提高供电效率等方面也有着重要的实际应用价值。所以多逆变电源 并联的供电方式受到电源行业的高度重视，成为现代电源技术发展的重要方向 之一，是电力、电子和控制学科研究的重要内容。 目前，国内外专家学者对逆变电源的并联运行已经展开了深入的研究。与 直流电源不同的是，逆变电源的输出是时变的交流正弦波，交流电压存在幅值、 相位和频率等变量，因而逆变电源的并联更加困难。在逆变器并联运行时，须 保证所有逆变器的输出电压的频率、幅值和相位都一致，否则，各逆变电源之 间将会出现环流，会增加系统的损耗，严重时会损坏器件使系统崩溃。因此， 多个逆变电源并联，需要平均分担负载功率，采取有效的并联控制技术抑制环 流，从而可以灵活构成各种功率等级的电源系统，以模块化取代系列化，提高 电源模块的标准化程度，缩短开发和生产周期，降低成本，提高系统的可维护 性和可互换性 1 1 。 逆变电源的并联技术可实现冗余并联运行方式，当系统中任一个逆变电源 模块失效时，其余的模块仍然可以继续提供1 0 0 的负载功率，可以大大提高系 统的可靠性，并联冗余控制是实现高可靠性、大功率电源系统的优选方案。 因此，逆变电源并联技术在航空航天、通讯系统等对电源要求较高的领域 具有很广泛的应用前景。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内研究水平和发展前景 逆变电源并联可以为供电系统带来众多的好处，因此对逆变电源并联技术 的研究也早已成为一个热点。逆变电源并联技术的发展在国外已有相当一段时 间，许多国家的逆变器公司在逆变电源的并联控制技术方面做了大量的工作， 并有一系列产品投入了实用。 逆变电源并联系统的并联控制技术的特点及发展f j 景主要有以下的几个方 面： ( 1 ) 可并联模块的数目增多。目前，几大知名品牌的逆变电源公司如西门子、 三菱、东芝等的产品可以实现并联运行，但并联的逆变器台数有限，因此并联 逆变模块数量的增多是逆变电源并联系统今后发展的一个趋势。 ( 2 ) 可以在小功率逆变电源中用较低的成本实现较好的并联策略。目前可并 联逆变电源多为三相中、大型功率逆变电源，而在中、大型功率逆变电源并联 系统中，通过控制电路成本的增加来控制总成本的增加作用不大。但普通的小 功率单相逆变电源的控制电路比较简单，要实现并联运行，设计电路时要综合 考虑控制电路特性和成本的关系。因此在小功率的逆变电源并联系统中往往采 用统一的电源模块和控制电路来简化并联控制，从而适应不同的用户要求。 ( 3 ) 实现无线并联的实用化。并联控制方式趋于多样化，一些公司己经推出 了无互连线式的并联方式。无互连线的并联方式可以很方便的解决不同结构的 电压型逆变电源之间或电压型逆变电源与电网之间的并联运行控制，并且采用 这种并联控制方式，逆变电源系统将不受距离的限制。虽然这种方式目前还有 些技术问题，但是能够使逆变器的并联运行不受地域的限制，而且可以降低故 障的发生率，因此必将成为今后逆变电源并联技术研究的重点。 ( 4 ) 采用全数字化控制技术。为了提高系统的控制性能，逆变电源的控制一 般采用全数字控制方案，如采用单片机或d s p 作为控制器。 在我国逆变电源并联控制技术的研究起步比较晚，还没有出现国产的系 列化产品，因而在逆变电流的并联技术和控制策略等方面还需要进行深入细 致的研究。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究目标和内容 论文的研究目标是在掌握电源逆变原理、逆变电源并联控制技术、逆变电 源并联系统特性和系统数字控制的基础上，采用d s p 控制芯片设计逆变电源并 联系统，使整个系统稳定、有效的运行。 研究内容： ( 1 ) 分析逆变电源并联系统中的均流问题，在此基础上选择并联控制技术及 其实现方案。 ( 2 ) 建立本逆变电源并联系统的控制系统。 ( 3 ) 给出本逆变电源并联系统的相关硬件电路和软件设计流程图。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 针对逆变电源并联中的均流问题，设计相应的并联控制方案。 ( 2 ) 在综合考虑各模块的基础上，提出本并联电源系统的控制方案及完成相 关参数的选取。 ( 3 ) 逆变模块的数字s p w m 波的产生、调整及逆变主电路选择。 1 4 论文框架 本论文章节分为五章，每个章节的内容介绍如下： 第一章：绪论部分对课题研究背景及意义、逆变电源并联技术在国内外发 展状况进行概述，最后揭示了本课题意义和研究内容。 第二章：对本系统所采用的逆变电源并联控制技术进行了详细的设计。首 先简单介绍了各种并联控制技术，并选择适合本系统的并联控制技术基于 p q 的外特性下垂法。分析了基于p q 的外特性下垂法的工作原理，给出并联控制 框图，并进行参数设计。 第三章：对逆变环节的基于双环的控制系统进行分析，给出控制框图，并 分别对电流内环、电压外环进行设计。 第四章：对逆变电源并联系统的软硬件进行设计，其中包括逆变主电路设 计，同步锁相环实现、系统主程序、中断子程序、功率计算和调整子程序等。 第五章：对本论文进行总结。对课题的研究成果进行了总结，并对进一步 的研究进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章逆变电源并联控制方法探讨 本章主要讨论了本系统的并联控制方法。在介绍了各种并联控制方法的基 础上，选择了基于p q 的外特性下垂法。分析了基于p q 的外特性下垂法的工作 原理，给出控制框图，并对其功率计算、下垂系数选择和基准电压生成三个主 要部分进行分析和设计。 2 1 逆变电源常用并联方式简述 并联控制技术分为两大类：有线并联控制技术和无线并联控制技术。 ( 1 ) 有线并联控制技术 有线并联控制技术主要包括集中控制法、平均电流法、主从控制法等。 集中控制法如图2 1 ( a ) 所示，集中控制法中存在着一个集中控制器，该控制 器包括锁相环电路和并联控制单元，其中锁相环用于保证各逆变电源输出电压 的相位与同步信号相同，并联控制单元则检测负载电流，得出负载电流平均值 作为各逆变电源的参考电流，同时各逆变电源检测自身的输出电流，求出电流 偏差。此方法假定各逆变电源在每一个同步信号控制时输出电压相位偏差不大， 则可认为各逆变电源的输出电流偏差是由电压幅值的不一致而引起的，这种控 制方式就是把电流偏差作为参考电压的补偿量引入各逆变电源模块，用于消除 输出电流的不均衡【l 】。 平均电流法如图2 1 ( b ) 所示，均流母线将各逆变电源模块的输出电流与均流 母线电流进行比较而获得修正量”，依据甜进行调节，使输出电流与总线电 流的误差趋向与零，从而实现均流，其中均流母线电流为并联系统中各逆变电 源输出电流的平均值。当输出达到均流时，电流放大器的输出电流厶为零，这时 厶处于均流工作状态。均流母线电流与厶经过电流比较之后产生一个比较电压 甜，由这个电压控制s p w m 波的产生，控制逆变电路调整输出，最终达到均流。 主从控制法如图2 1 ( c ) 所示，是将并联控制单元做到每个逆变模块上，选择 其中一个作为主模块，其他模块作为从模块，以主模块控制从模块。主从控制 法中将主模块的输出电流与各模块输出的反馈信号进行比较，将差值反馈回各 电源模块的控制电路，从而调节各模块的输出电流。通常主模块处于电压控制 4 武汉理工大学硕士学位论文 模式，而从模块处于电流控制模式。主从式并联系统包括：一个主逆变器、n 个 从逆变器和功率分配中心。采用电压控制型逆变器作为主逆变器，其电压调节 器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电压。n 个从逆变器，从逆变器为电流控 制型，具有电流跟随性质，跟随功率分配中心分配的电流。功率分配中心，主 要功能是监控整个系统的工作状态，检测负载电流，决定投入工作的从逆变模 块数并为其提供参考电流【l 】。 j ： ( a ) 集中控制法 ( c ) 主从控制法 图2 1 有线并联控制技术 ( b ) 平均电流法 负 载 ( 2 ) 无线并联控制技术 无线并联控制技术则主要为外特性下垂法。外特性下垂法是调节开关变换器 的外特性倾斜度( 即输出阻抗) ，对并联的逆变电源进行均流控制。通过电压频率下 垂均流控制来达到并联输出的有功和无功功率的自动均分控制，实现电源输出的 武汉理工大学硕士学位论文 均流。外特性下垂法( 又叫斜率法，输出阻抗法) 利用本模块电流反馈信号， 改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。 一般最常见的基于下垂特性的逆变电源并联实现方法有两种：一种是基于 有功功率和无功功率如图2 2 所示：一种是在前一种方法上增加了谐波功率控 制，在基本方案的基础上，增加了谐波功率控制，它通过检测谐波功率d 来调 节电压环的增益，实现谐波功率的均分，能适应线性和非线性负载。 图2 2 外特性下垂法原理图 外特性下垂法特点为：可使模块之间无互连线，而且为开环控制，小电流 时均流效果稍差，大电流时均流效果较好，随着负载增加均流效果有所改善。 对电压源来说，内阻( 斜率) 应越小越好，但是这种均流方法利用改变内阻来实现均 流，降低了电源输出的稳压负载特性，即以牺牲电路的技术指标来实现均流。 同时随着微处理器技术的发展，这种方法很容易实现，从而实现比较理想的均 流控制特性。 ( 3 ) 并联方式比较及选择 无线并联技术与有线并联技术相比有着如下几点优势： ( a ) 模块化程度更高。无线并联的各模块间没有信号线相连，各个模块间完全 独立。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( b ) 可靠性更高。模块问没有关联，因此单个模块的故障不影响系统的工作， 大大提高了系统的可靠性。 ( c ) 易扩容和维护。模块间相互独立，因此系统进行容量扩展相当方便，同时 维护某个模块也极为便利。 ( d ) 应用前景更广泛。有线并联的模块间的相互连线是一个不稳定因素，因为 一旦连线产生故障，系统也会受到影响，同时会给系统带来噪声，影响供电质 量。无线并联没有使用互连线所以不存在这些问题，其应用前景更被看好。 但无线并联也有其劣势，主要是以下两点： ( a ) 控制策略复杂。要达到较高的均流度，经典p q 法还不够，因此还必须引 入一些复杂的控制，如p l 、d p 等，以及对p 、q 等进行低通滤波等。 ( b ) 成本较高。目前的无连线并联都是在数字控制的基础上实现的，模拟控制 行不通，而有连线并联则可以通过模拟控制来实现。并且无连线并联对数字芯 片的运行速率及采样速率和精度也有较高的要求，目前主要是用d s p 芯片来实 现，这使得系统的成本相对较高【2 1 。 综合以上考虑本系统中选择外特性下垂法进行并联控制。逆变电源并联必须 实现电流均分，即有功功率和无功功率的平均分配。基于p q ( 有功功率和无功 功率) 外特性下垂法，就是以本模块的有功功率和无功功率作为控制变量，当 并联的逆变电源输出的有功功率或无功功率不一致时，通过计算出本电源的有 功或无功功率偏差值，以此值为依据来调整输出电压的相位和幅值，从而实现 每个逆变电源输出的有功和无功功率均分，达到均流的目的。 2 2 基于p q 的外特性下垂法 本节将分析基于p q 的外特性下垂法的工作原理，通过分析其工作原理， 给出逆变并联控制框图。 2 2 1 基于p q 的外特性下垂法原理分析 逆变电源输出为交流，因而逆变电源的并联要比直流的并联运行复杂得多， 要求各个逆变电源模块输出电压的幅值、频率和相位一致。当幅值、频率和相 位达到一致时，电压差为零则并联系统工作在最理想状态。但是，在系统中， 由于硬件的差异和负载的变化等原因，各逆变电源输出电压的瞬时值往往不可 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 能完全相等，这样，就会存在一定的电压差异，从而引起逆变电源模块间电流 不能均分，既产生环流，而环流对于各逆变电源的功率器件以及输出滤波器都 有破坏作用。因而，在逆变电源并联运行系统中，必须对逆变电源的输出电压 进行控制，以消除逆变电源间的环流，实现均流【3 1 。 下面就两个逆变电源并联运行进行分析，其并联模型如图2 3 所示，为了 表示逆变电源对电流的均分效果，特引入电流环流，。图中u i = u i 么仍， u ，= u 2 z 0 2 ，u = u z o 。，x 、x ，为线路阻抗，在一般的并联控制方法中，都 近似认为逆变电源之间的各组成部分参数相差不大，所以取：x i = x 2 = x 。 ih j x i 一j x 2 图2 - 3 逆变电源并联模型 电源1 的输出电流z 为： z ：业 ) x 电源2 的输出电流厶为： 丘= 等 环流为： = 蛩 令j 。；丘+ 代入式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 得： 8 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 z ：+ 生：u i - - u 2 + 一i o j o ( 2 - 4 ) 厶= 厶+ 2 百f + 了 ) ：一+ 生：坠垫+ 一1 0 1 0 ( 2 - 5 ) 厶一厶+ 2 蛩+ 了 ) 由式( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 可以得出输出电流包含负载电流分量和环流分量，负载电 流分量总是均分的，但环流分量的存在使两个逆变电源输出的电流不同，因而 可知环流可以用来表征逆变电源模块的电流均分度，由式( 2 3 ) 可知当电流均分 时，即，与，z 相等时，阿为零，不存在环流；当，t 与，：差异越大时，环流，越 大，则电流均分度越差。所以环流与电流均分密切相关，解决环流问题也就是 解决均流问题。 逆变电源并联系统的环流与负载无关，它与系统各个模块的输出电压的差 异和线路阻抗有关。当两台逆变电源输出电压u 和在相位或幅值上有所不同 时，电源的输出端就会形成较大的电流，这一电流大部分不经过负载而在电源 之间形成环流。环流的存在使各逆变器之间的输出功率有差异，承担较大输出 功率的逆变器有可能输出功率超过额定功率而烧毁，或加速老化，从而缩短整 个并联系统的使用寿命，这样就起不到并联冗余、提高可靠性的功能了1 2 1 。 当输出电压的幅值不同相位相同时，即u i = u z q o ，u 2 = u s 么妒，代入式( 2 - 3 ) 得： 2 j x2 i x ：堡粤么缈一9 0 。 2 x 此时厶的相位角为伊一9 0 。，输出电压的相位角均为缈，n - 者相差9 0 。，由于 环流与电压相位相差9 0 。，所以此时的环流，为无功环流。 当输出电压的幅值相同相位不同时，即u = u z o + 8 ，u s = u l ( o ，其中9 为 相位差，代入式( 2 3 ) 得： z ，：u 1 - u 2 ：u z o + o - u z ( o “ 2 j x2 j x ( 2 - 6 ) = 素( c 。s 妒c o s 口一s l n 妒s l n p + _ ，s l n 9 c o s p + 歹c 。s 妒s l n 口一c 。s 妒+ 歹s l n 9 ) 由于相位差很小，所以可以取c o s 孽o 1 ，则化简式( 2 6 ) 得： 9 武汉理丁大学硕士学位论文 = 芸【s i 叫- s i n r p + 徊s 训 ：s i n ou 么 2 x ( 2 7 ) 此时环流与电压同相，为有功环流，由式( 2 7 ) 可知相位超前者输出有功功率， 相位滞后者吸收有功功率。 由以上分析可知当输出电压的幅值不同相位相同时，会引起无功环流，此 时部分逆变电源吸收无功功率，另一部分输出无功功率，则会引起无功功率的 分配不均。若逆变电源输出电压的幅值相同但相位不同时，会产生环流，主要 为有功环流，相位超前者输出有功功率，相位滞后者吸收有功功率，则会引起 有功功率的分配不均。由此可知，有功和无功功率的分配不均是由环流引起的， 所以实现有功功率和无功功率的自动均分，就是抑制环流。因而必须采用并联 控制技术实现有功功率和无功功率的自动均分，使输出电压的相位和幅值保持 一致，以确保逆变电源并联系统稳定运行 2 1 。 本节的外特性下垂法分析基于有功功率和无功功率，则先对并联系统的有功 功率和无功功率进行分析，分析基于图2 3 逆变电源并联模型。 逆变电源u 的输出电流，为： z ：u ! - u( 2 8 ) l j xl 复功率为： s = e l + j q , = u 厶 ( 2 - 9 ) l 露= 等血仍 卜竿 逆变器的输出电压6 。与电压6 之间的相位差很小， c o s 仍= l ，则有功功率和无功功率为： 只= 等伊- 卵鼍罟 1 0 ( 2 一l o ) 所以s i n t p l = t p l ， ( 2 - 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 则： r 由于仍比较小，则： 仍u u i 仍 仍u 3 1 2 v 。 m o s f e t 的漏极电流要大于或等于最大输出电流，即k l ，。群；直流电 流为i = e u ，其中p 为直流功率，本设计中为1 5 0 w , u 为输入电压2 4 v ，所以 直流电流为：i = 6 2 5 a 。一般允许电压峰值时的电流峰值为最大值的3 倍，即 6 2 5 3 = 1 8 7 5 a 。选用i r 公司的e r f 5 3 0 n ，其参数为3 5 1 0 0 v ，o 1 1 欧姆，工 作频率为5 0 k h z 。 4 1 2 数字s p w m 的产生 ( 1 ) 数字p w m 波 运用d s p 控制实现p w m 逆变器，需要产生数字式p w m 。数字p w m 则 采用定时器和数字比较器来实现，其中用定时器来实现对称三角波，数字比较 器决定输出信号高低电平。 通用定时 器值 p w m 高 有效 p w m 低 有效 厂_ 厂 一 图4 5 数字p w m 的产生 3 0 武汉理工大学硕十学位论文 在d s p 芯片的p w m 发生模块中，产生对称p w m 时，通用定时器l 设置 为连续增减计数模式，从0 开始一直增计数到一个设定的周期值t i p r ( 定时器1 的周期寄存器) ，然后再反向减计数到0 ，之后再开始下一个周期计数。d s p 程 序中可以设定一个比较寄存器的比较值，当定时器的计数值和比较值相等时， 设定为高有效的p w m 口输出高电平，设定为低有效的p w m 口输出低电平。当 定时器第一次计数到周期值时，高有效的一路输出高电平，低有效的一路输出 低电平，第二次与周期值相等时，则相反，低有效与高有效互补这样就产生了 两路互补的p w m 信号。p w m 信号的脉宽由比较值决定，因而只要每个开关周 期更新比较寄存器的值，就可以实现控。 ( 2 ) 数字s p w m 波 通过数字p w m 的原理，可以理解数字s p w m 的发生原理。数字s p w m 的基 本原理是：s p w m 波的产生是由三角波和正弦波交截而成，在数字s p w m 中的三 角载波并不是真实存在的，而是被设定成相关的连续增减计数工作模式的定时器。 本文采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 作为控制芯片来产生数字s p w m 波，d s p 的指令周期为瓦= 2 5 n s ，而开关管的频率为兀= 2 0 k h z ，所以得出数字三角波的 峰值即计数器的值： m = 嘉卅o o 。 调制波的正弦信号是通过查表法产生的。每个开关周期( 通用定时器的中断周 期) ，从程序空间中查正弦表获得代表正弦波的数字量，将它赋值给比较寄存器， 到达一个正弦周期时，将查表的指针复位到正弦波的初始相位处。值得注意的是， 由于定时器的计数值始终是正的数值，因此，在获得正弦的数字量时，必须加上一 个直流的偏移量。在程序空间中预先存储偏移后的正弦波数据表，这样就可以实现 s p w m 波形了。查表法是快速实现非线性运算最常用的方法。采用这种方法首先 必须根据自变量的范围和精度要求制作一张表格，然后编写查表程序，通过输入值 来寻找表格中的相应值，这样就使运算量变的较少，且可获得满足精度要求的输出。 采样数字控制中，由于控制器的运算速度限制，难于进行实时的正弦计算，而是采 用先算好的离散点代替正弦波。在数字控制系统中正弦基准信号就是一个正弦数据 表格，故首先应将正弦波按其表达式制成0 0 3 6 0 0 的表格供查用1 2 7 1 。 正弦表中数据的点数是需要事先确定的，确定的依据主要是开关频率，设 功率开关管的开关频率为，：= 2 0 k h z ，逆变器输出正弦信号的频率为疋= 5 0 h z ， 武汉理工大学硕士学位论文 那么，正弦数据表格中数据点数至少必须是n = 以a = 4 0 0 ，计算出各点的正弦 函数值，并化为1 6 进制数据，依次存入r o m 存储器中，形成正弦数据表 2 9 l 。 正弦波表达式为：“= u ，s i no g t ，将正弦波分为4 0 0 等分，则每一等分点的角度为： 秒：3 6 0 。：0 9 。 4 0 0 第一点正弦函数值为： u l = u ms i n 0 = u m s i n 0 9 ( 4 1 ) 第二点正弦函数值为： u 2 = s i n2 0 = s i n l 8( 4 - 2 ) u 4 0 0 = u ms i n4 0 0 0 = s i n 3 6 0 = 0( 4 - 3 ) 调幅比取为m = 0 8 ，又三角波峰值。= 1 0 0 0 ，所以数字正弦波的峰值 = m n , = 8 0 0 。 4 1 3s p w m 波的基波分量 s p w m 使用三角载波对正弦调制波进行调制，从而产生了和载波有关的谐 波分量，而谐波分量的频率和幅值是衡量s p w m 逆变电路性能的指标之一，所 以需要对s p w m 波的谐波进行分析并滤波。 设三角载波为u t ，正弦调制波为u s ，s p w m 波为u 。，如图4 - 6 所示： jk l 一 交l 鲜 一万 ! v q9 沁f 二v 五 c jl e q 0 5o g c t 图4 - 6s p w m 波的产生 3 2 s p w m 波为： 材d2 武汉理工大学硕士学位论文 q ，q 或q f 岛 b 劬f 岛 又老的傅罩叶级数为： 丝：g0+妻(c。sq，+饥sinqr)e 2 鲁一 ” 其中： = 土l 鲁c o s n a 】! , t d c o , t 巧工ee = 去e 老s t n 胛q 耐q ， 设正弦调制波虬为： 三角载波为： = o ，1 ，2 ) ( 刀= 0 ，1 ，2 ) ：三( 万+ b 0 2 ) 万 ：三( s i n 鸺一s i n n 0 2 ) 刀刀 吨= 虬= a s i n ( t + 妒)( 0 口 1 ) 2 一万劬， q ，所以主要谐波的 频率要比基波频率高得多，而这种载波频率附近的高次谐波很容易滤除。 4 1 4 逆变电路滤波设计 由前几节的分析可知逆变器输出电压是正弦调制波，而且其中既包含了 5 0 h z 的基波，又包含了高于5 0 h z 的谐波，因而在逆变电路的输出端需要设置 滤波器。 根据滤波器的阻带和通带的位置关系滤波器可以分为：低通滤波器，高通 滤波器，带通滤波器。在逆变电路输出电压中需要输出的是5 0 h z 的基波，阻 止输出的是载波频率附近的谐波，但基波频率远小于谐波频率，所以此逆变电 路中采用低通滤波器如图4 7 所示。 图4 7 低通滤波器 截止频率z 与l 、c 的关系女i i t - z = 志= 篆 件7 ， f 三 本逆变器的输出电压的基波频率为5 0 h z ，开关管的开关频率为2 0 k h z ，一 盘 武汉理工大学硕士学位论文 般截止频率z 选为载波频率的素订1 ，本文取z 为2 k h z ，即 上：2 0 0 0 2 x 瓜 确定了截止频率，也就确定了滤波电感l 、滤波电容c 值的乘积。而l 取值 需要考虑以下情况：取得过大将引起过大的基波输出电压降；取得太小，流过滤 波器电感的最大谐波电流也就越大1 2 9 , 3 0 。 4 2 数字锁相环设计 逆变电源并联的前提是输出电压的频率和相位必须一致，而且本系统中设 置有热插拔功能，所以必须采用锁相环( p l l ) 技术来实现相位同步，而且本系 统采用d s p 数字控制芯片作为主控制器，所以将采用d s p 设计数字锁相环以实 现同步。 锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部信号的频率和相 位。因为锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相 环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入 信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与 输入电压的相位被锁住。 本文由分析模拟锁相环推导出d s p 控制的数字锁相环，模拟锁相环的一般 框图如图4 - 8 所示： iu o ( ，) 压控振荡器 ( v c o ) 图4 - 8 模拟锁相环框图 鉴相器用于比较输入信号( f ) 与压控振荡器输出信号“。( f ) 的相位，其输出 电压材。( f ) 是( ，) 与1 4 0 ( f ) 相位差的函数，u e ( f ) 经过环路滤波器滤除高频分量和噪 声后得到压控振荡器v c o 的控ne g 压u 。( ，) 。u c ( t ) 使压控振荡器v c o 的振荡频 率c o o ( t ) 改变，并引导c o o ( t ) 向皑( ，) 靠拢，直到c o o ( t ) = c o , ( t ) ，且两信号的相位差 为一固定值时，控制过程结束。此时环路的状态称为环路锁定。当环路锁定后， 武汉理t 大学硕士学位论文 如果( ，) 在一定的范围内变化，则( f ) 会紧随其变化，并始终保持c o o ( t ) = o g , ( t ) 。 综上所述，锁相环的工作过程分为两步：第一步是从a , o ( t ) q ( ，) 到铊( ，) = ( ，) 的过程称为捕捉过程，捕捉过程到环路锁定后结束。第二步是环路锁定后，当 u i ( f ) 改变时使“。( ，) 跟随其变化，称为跟踪过程【3 1 3 2 1 。 本系统采用数字信号处理器d s p 来实现锁相控制，将第一个接入系统的逆 变电源模块作为主模块，主模块的输出电压作为同步信号。并联的逆变电源模 块间互连一根同步信号线，由主模块根据自身的逆变输出向同步信号总线发送 同步信号，其他逆变电源模块从同步信号线上捕捉同步信号，在捕获到同步信 号的正向过零点时，读取定时器的计数值获取电压的频率，并将定时器置零， 另外在检测到自身逆变器输出正向过零时，读取定时器的计数值，该计数值就 是逆变输出与同步信号之间的相位差。图4 9 示出d s p 的锁相环示意图。 i d s p i 图4 - 9d s p 的锁相环示意图 d s p 片内有两个事件管理器e v a 和e v b 。e v a 用以实现对逆变器的控制； e v b 用来实现锁相环的相位检测。利e v b 模块与它相关的捕获单元引脚c 么只口 和c 么只口先对交流母线电压频率和相位差进行检测，再根据相位差值求得下一 周期e v a 模块中计时器t 1 的周期值，以此来改变逆变器的输出频率进行相位 跟随。 数字锁相环鉴相的过程，对d s p 进行初始化后，定义电压的正向过零点为 捕获事件并触发中断，设定c 彳只和c a p s 口为捕获功能口，且这两个捕获e 1 用 武汉理工大学硕士学位论文 g p 计时器t 3 作为它们的时间基准。c a e , 检测捕获到母线电压，c a g 检测捕 获逆变器输出电压。 。 r 、 。 l b 、， 址： 1 r ： 图4 1 0 锁相环相位检测 图4 1 0 中u 。为通a r - t c a g 获取的逆变器输出电压，u 2 为通过c a e , 获取的同步 母线电压。在，1 时刻，c a e , 口捕获到同步母线电压u ：的正向过零点，此时将t 3 的计数寄存器值清零；在厶时刻，检测到逆变器输出电压的正向过零点，此时 t 3 的计数值被压入到c a g 口对应的f i f o 堆栈中，令其存入自定义寄存器c l 中；在t ；时刻，检测到母线检测电压的正向过零点，此时t 3 的计数值被压入到 c a 只口所对应的捕获单元f i f o 堆栈中，令其存入自定义寄存器c 2 中。 两电压相位差为： a o ：曼凸3 6 0 。 c 2 其中c l 为输出电压正向过零点与母线电压正向过零点之间的计数差值，c 2 为母 线电压一个周期的计数值。若la o l o 5 。，则在允许的误差范围内，可以认为达 到同步：若18 0 。qa oi 3 6 0 。，则逆变器输出电压相位超前；若o 5 。 ia o 【 1 8 0 。， 则为逆变器输出电压相位滞后。控制逆变器的s p w m 调制波直接与计时器t 1 的周期值有关，则可据此通过改变计时器t 1 的周期值来实现同步。此锁相同步 控制用于逆变电源模块接入并联系统初期，在达到与系统其他逆变电源模块同 3 7 武汉理工大学硕十学位论文 步后，退出锁相同步，以后的输出调整，由本系统的均流控制技术外特性 下垂法进行控制 3 3 , 3 4 。 4 3 抗干扰设计 电磁干扰是现代电子工业面对的一个主要问题，干扰一旦串入系统，轻则会 引起误报，严重时就会导致整个系统瘫痪，甚至造成重大事故。为了克服干扰， 人们采取各种措施抑制