逆变器并联系统中基准信号同步的一种方法.docx

逆变器并联系统中基准信号同步的一种方法邢岩严仰光摘要：提出了逆变器并联或冗余并联系统中基准信号同步的一种方法，实现逆变器模块直接并联（系统不附加额外的控制模块、分散在各模块中的基准电路自动同步）、模块热插拔，又不影响逆变器单机工作。研究了该方法的具体实现电路及工作原理，进行了定量误差分析，并给出了仿真和实验结果。关键词：逆变器；并联；控制；信号处理中图分类号：TN86A Synchronous Method for ReferenceInput of Parallel InvertersXing YanYan Yangguang(Department of Automatic Control,Nanjing University of Aeronautics & AstronauticsNanjing，210016)Abstract：A synchronous method for reference input of redundant parallel inverter systems is presented. Using the processing method, the inverters can work alone or be directly connected together to perform parallel operation without extra control unit, and the output of the circuits distributed in every inverter automatically synchronize as reference signals, and furthermore on-line replacement of inverters in parallel operation is allowed. Circuit realization, principle and synchronous errors are analyzed. Finally, simulational and experimental results are given.Key words：inverter; parallel operation; control; signal processing引言信息处理技术的迅速发展，对电源变换系统(如UPS)的容量、性能和可靠性要求越来越高。在电力电子领域，多模块并联实现大容量电源被公认为是电源技术发展的方向1。多个电源模块并联分担负载功率，各个模块中主开关器件的电流应力小，从根本上保证了整个系统的可靠性。基本的开关电源变换器分为DC/DC和DC/AC（即逆变器）两类。80年代国外就开始研究DC-DC变换器并联运行技术，现已取得实用性的成果。而逆变器并联要复杂得多，有两个基本条件：输出同步和均流。所谓同步即各模块交流输出电压频率、相位和幅度一致1，2，3，新型逆变器采用电流电压双环瞬时反馈控制技术，输出电压同步的前提是各逆变器的基准正弦信号相同4，5。理想的自由并联系统，其各模块既可单机、也可多台直接并联运行（不附加额外的控制模块），并易于容量扩展1，2，某些冗余并联系统甚至要求能够热插拔。这就要求分散在各模块中的基准电路并联时自动同步、而单机时仍正常工作，采用一个公共基准信号，如文4，5，显然已不能满足性能要求。1基准信号同步的实现方法瞬时反馈逆变器的基准信号有多种产生方法，图1电路以其简单可靠而应用较广3。在计数脉冲CLK的作用下, 移位寄存器（如4015）的输出Q1QK中为“1”的个数由0个（全“0”）逐步增至K个(全“1”)、然后逐步减至0个。设置合适的加权电阻并求和，得到2K级阶梯波，再经隔直、滤波、放大，即生成正弦基准信号VrVrVrmsin（2frt）fr2Nf0/(2K)，f0为晶振频率图1基准电路以两模块并联为例，对于任意两个图1基准发生电路，分析和实验表明：（1）上电复位电路参数的误差使分频器和移位寄存器脱离复位状态的时刻不同，基准信号可能出现较大的初始相位差；（2）晶振频率的微弱差异，对相邻两个或几个周期的Vr波形的频率影响极小、可以忽略，但经时间积累，将造成其相位差在0360范围内的周期性变化；（3）加权电阻、滤波电路参数和电源电压的误差造成Vr幅度和相位误差。据上述分析，如果两基准电路采用共同的复位信号，就可以消除初始相位差；而分频器若经常性同时复位，则可消除振荡频率f0的误差积累，使CLK保持同步，从而实现阶梯波同频、同相。增加了同步设计的基准信号发生电路如图2。同步环节中的OC门实现“线与”。图2同步基准信号发生电路上电复位信号：两组移位寄存器复位信号同时有效、完全消除初始相位差。单机运行时，如逆变器1，Y11X1，基准电路正常复位。频率同步信号：X2为CLK的二分频信号。Y2在每个移位脉冲的下降沿复位分频器、使CLK1和CLK2有效沿（下降沿）对齐。又同步复位信号已保证Q1Qk和Q1Qk的初态相同，故工作过程中它们保持完全同步。单机运行时，如逆变器1：Y22X2，出现在每个CLK1的下降沿，此时分频器是否被复位，CLK1的波形都一样，即Y2不影响单机运行。为消除加权求和及滤波电路等参数的误差所造成的两机Vr幅度和相位误差，首先调整放大倍数，使其等幅：VrmVrm再由图2中平均电路输出r，作为并联系统的公共基准（Vrr）R（rVr）R（1）取RR，则r（VrVr）2（Vrmsin（2frt1）Vrmsin（2frt2）2Vrmcos（12）2）sin（2frt（12）2）（2）式中1，2分别为两滤波电路产生的相移。多模块并联与双机并联同理，将各模块相应同步端子COM1COM3相连即可。2热插拔的实现图2同步基准电路中的同步环节和平均电路加入热插拔控制信号Xk（监控器控制或手控），并在移位输入D端（图1A点）也加入同步环节X4Y4（COM4），如图3（S是模拟开关），则可满足某些并联或冗余并联系统的热插拔要求。图3实现热插拔的同步环节模块先合上K再插入正在运行的系统，则该模块上Xk为0，其同步输出信号均无效、不影响原有并联系统工作，但它接受系统输出的同步信号COM1COM4，经过一段时间，新插入模块的移位寄存器状态达到与运行系统一致、滤波电路也进入稳态后，断开K，该模块即加入并联。模块拔出前，须先合上K，以免干扰系统同步信号。A点设置了同步环节COM4后，则可省去上电复位电路及其同步信号COM1，如图3。上电时（输出慢起动过程），COM4保证各基准电路在第二个COM4信号出现之后即达到移位寄存器状态一致、输出同步（但在此之前的输出是随机的）。3误差分析和改进（1）分析图2，基本振荡信号f0和f1不同步，频率同步信号Y2在先达到计数值而翻转的X2或X2的上升沿复位分频器，故两个复位脉冲的间隔、即移位时钟的周期T1（1/f1）f0（2N1）f1f02NVr频率。2Kf0（2N1）fr2Kf02N，frmaxfr2N频率精度和稳定度较单机运行(同晶振精度和稳定度)时低得多，但能满足绝大多数逆变器系统性能要求。如要求fr50Hz时，可取f032768MHz，N=12，K=8，最大频率误差0.3，而要求fr400Hz时，仍取f032768MHz，K=8，则N=9,最大频率误差2。若同步信号X2改为取自CLK的2NM（M2）分频，与上同理可以推出frmaxfr降至2NM，如上400Hz例中取M=5，则最大频率误差降至0.06。注意要求热插拔时移位时钟CLK必须同步，故图1的B点处必须也设置同步环节、又增加一个同步信号COM5。（2）由式(1，2)，滤波电路产生的相移1，2不完全相等，则r峰值略小于Vr。对文4样机参数仿真表明，滤波电路采用常规1%电阻和20%电容时，最大相差24，代入式（1）可求得对应rm=0.978Vrm；选用5%电容时最大相差6、对应rm= 0.999Vrm。4仿真和实验结果对两个并联逆变器基准信号发生电路进行了仿真。不加同步处理时，两基准信号相位差缓慢地周期性地由0变化到360、再到0；按本文方法同步处理后，两基准信号始终完全同步、其平均输出r稳定。由记忆示波器上观察实验结果，与仿真结果吻合。而且仿真和实验表明，进一步采取均流措施后，两逆变器已实现正常稳定并联运行4。5结论（1）提出了逆变器并联或冗余系统中基准信号同步的一种方法，并给出了具体实现电路，误差定量分析。它是在图1所示现有基准电路的基础上增加同步环节而实现的，并联模块间至少要有三个同步信号，允许热插拔。（2）该同步方法简单、易实现，并联系统基准信号（决定输出电压）的频率精度、稳定度及峰值（或有效值）精度低于单机运行状况，但一般满足逆变器系统性能要求。（3）提高基本时钟频率f0（同时增加分频级数N）或再增加一个同步信号COM5可以大大提高输出频率的精度和稳定度。基金项目：江苏省应用基础基金(编号：BJ97053)资助项目。作者简介：邢岩，女，副教授，1964年10月生。发表过“软开关组合式变换器建模与校正”(航空学报，1998年第5期)等论文。作者单位：邢岩（南京航空航天大学自动控制系南京，210016）严仰光（南京航空航天大学自动控制系南京，210016）参考文献：1黄汉生,计算机电源技术的新进展.见：第十二届全国电源年会论文集,19972Takokawabata, Shigenori Higashino. Parallel operation of voltage source inverters. IEEE Trans on IA,1988,24(2):2812873童永胜. 一种软开关组合式变换器拓扑的分析与实现:学位论文.南京：南京航空航天大学,19944Chen Jiannfuh, Chu Chinglung. Combination voltage-controlled a