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移动分布式单相逆变发电机组(系统)并联运行张文昌、于功山、王怀杰（济南吉美乐电源技术有限公司，山东 济南）摘 要：论述单相逆变发电机组(系统)在移动电源中的应用。在此基础上提出了单相逆变发电机组(系统)可并联运行控制方案并介绍了其结构和原理，给出了软件和硬件设计方案。试验结果证明此系统的控制稳定可靠。关键词：分布、逆变、单相、并联运行中图分类号： 文献标识码： 文章编号：1引言随着内燃机电站在现代武器装备上的广泛应用，用电设备对电源设备提出了越来越高的要求。随着科技的发展和基础科学研究的不断深入，新材料和新技术的应用，对发电机组（系统）的发展起到了较大的推动作用。目前国内逆变技术已广泛应用于小功率发电机组，该技术对提高机组的电性能指标及小型化和轻量化起到了推动作用。目前部的项目已装备逆变发电机组(系统)。通过大量的试验工作，我们发现车辆底盘小了，用电设备的容量大了，而车辆本身留给电源设备的空间有限，即出现了装一套大功率的空间不够，而装N1套小功率的，能够达到目的。遇到大功率运行时，不可避免的需要N1套电源并联运行。而逆变发电机组（系统）的出现让单相并联运行成为可能。2 逆变发电机组（系统）原理介绍以内燃机作为动力，由中频发电机将内燃机输出的机械能转化为初级三相交流中频电能（400-2000Hz，400V），再经过逆变器进行AC/DC/AC转换，输出工频交流电能（50Hz,230V）。方案框图：逆变器逆变器中频发电机内燃机机械能 交流中频电能 交流工频供电 （400-2000）Hz,400V 50Hz,230V输出逆变器主逆变系统的设计采用高集成度数字化控制芯片智能集成功率模块的电路方案，逆变器的基本工作原理如图所示，发电机产生的三相交流电送入逆变器的L1、L2、L3三条线电压输入端，三相交流电压经三相全控整流，电容EC2滤波后，变成平滑的直流电，然后，通过控制功率管Q1、Q2、Q3、Q4按照预定的频率和脉宽周期性的开关，在L1、L2前端就可获得频率固定、脉宽不等的PWM波，PWM波经电感、电容滤波后，就可获得标准的交流电压。逆变器控制回路的设计由数字智能模块和电流、电压检测电路、保护电路三部分组成。数字智能模块根据采集的电压反馈产生频率固定、脉宽不等的PWM波，实现对输出电压的实时调节，确保输出电压稳定，同时根据采集的电流信号，实现过流、短路保护，保证发电机组（系统）的输出电性能指标。3单相逆变发电机组（系统）并联运行控制方案介绍逆变电源的并联方案有很多，有主从结构，用电压型逆变器作为主模块控制系统电压，电流型逆变器提供负载电流。有对等式，并联的各个逆变器结构功能相同，相互间有信号的传递,但不存在隶属关系。还有基于有功无功调节的无连线并联方式。 随着控制技术的飞速发展，以及高速数字处理芯片DSP的出现，实现高质量的交流输出已经不成问题。单相逆变发电机组（系统）可并联运行控制方案逆变器可采用的控制方式及种类很多，每一种控制方式都有其优缺点。同时采用不同的控制方式形成复合控制，可以实现取长补短、优势互补的目的，因此，复合控制是逆变器控制方式的一个发展趋势。随着控制理论和数字处理芯片的迅速发展，使各种先进控制方式的实现成为可能，逆变器的数字化控制方式成了今后交流电源领域中的一个研究热点和发展趋势。本方案采用各种控制方式相结合的复合控制，自同步和外同步结合的原理设计，其优点是可靠性高；可单机使用也可并联运行。并联母线逆变输出直流输入中频电压400V全控整流全桥逆变滤波驱动及保护电路电压采样均流TMS320LF2407A电压采样监控切换单元同步控制单元自激电路同步捕捉均流母线输出到负载PWM系统原理框 图1硬件设计部分：可并联逆变单元硬件电路由功率处理主电路、控制驱动电路、保护电路组成，系统原理框图如图1，本系统采用PWM控制器SG3525获得PWM控制信号。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电容滤波以后，直接和其它逆变器的输出进行并联。控制电路DSP TMS320LF2407A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。在并联系统中常用的均流方法主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，使并联系统的可靠性得不到很好的保证；而采用自主均流芯片UC3902依据特有的性能，如：均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等, 自主均流法实质上是在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芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外，UC3902芯片有一个独特的有利条件是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芯片应用在电力电源中具有如下的特点：（1）均流精度高（2）外围电路设计简单，不象UC3907那样过于复杂（3）易于做热插拔操作。软件设计部分：控制部分主程序主要实现开机检测、均流计算、同步捕捉、计算调制度，输出SPWM波、限流保护作用。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。由无功功率公式 可知（其中N为系统中并联逆变单元总数，n表示第n个逆变单元），逆变单元减少即可减少无功环流。无功功率电流调节可采用功率偏差控制方案，逆变器通过模块检测出本模块的均流偏差值，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。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。控制框图如下图2所示。在均流控制中，均流差值信号由均流芯片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一定范围之内（即调整后的实际输出电压在标准电压内），这样可以保证均流的可靠性。同时单步调整的幅度不能过大，一般在1V以内，否则会引起较大的环流波动。系统闭环控制 图2同步控制方案：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。本系统可并联逆变器采用自同步和外同步结合的原理设计如图3，在有外部同步信号的时候，逆变器输出可以跟踪电站同步或监控器给定的同步；在同步控制单元检测一段时间如果没有外同步信号，同步信号线自动切换到自激电路，保证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逆变单元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，这是本系统一大特点。逆变器用2407A 的捕获单元，通过捕获同步脉冲，在中断程序中完成相位、频率的同步。逆变单元2逆变单元n同步控制监控单元自激电路同步线逆变单元1同步控制电路 图3SPWM控制方案：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/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中断服务子程序中完成的。限流保护方案：限流保护采用硬件和DSP软件双重保护，DSP软件保护采用预测控制限流技术，在电流上升过程中，根据去除采样点的异常电流值后的连续采样电流值和连续采样电流值的斜率与设定值进行比较，预测电流是否出现过流的情况，对过流可以提前进行判断和处理，使输出控制软件产生电流波形无限逼近标准波形，大大减少了谐波电流，从而更好的保护负载正常工作运行，硬件保护采用驱动模块HCPL-316J自带的过流检测电路，主要在软件限流失效或者过流上升速度非常快的情况下起保护作用。采用双重限流保护，能够大大提供系统工作的安全性和可靠性。试验结果及分析： 直流输入电压的波形和动态响应波形 图4图4为直流输入电压的波形和动态响应波形，电压纹波较小，基本平直，当电压有轻微抖动时，通过直流电压幅值反馈的调节使电压保持稳定，保证了良好的动态响应。 并联后输出波形 图5图5为并联后逆变单元输出电压波形图波形畸变率测试结果 图6图6为并联后输出电压波形畸变率测试结果，可以看出畸变很小，并联效果好。4结束语方案的主控制系统芯片TI公司的dsp2407全数字化设计，控制元件少，稳定度高，高可靠性SPWM驱动信号输出，采用UC3902芯片均流技术，各逆变单元独立工作，民主均流，简化了大量的软件计算，大大提高了均流精度，并联安装方便。采用自同步和外同步相结合的原理设计，单个逆变单元和监控故障不影响其他逆变单元正常工作，大大提高了系统可靠性。可实现N+1逆变单元并联扩容，电源的容量大大提高。总之采用的方案具有高集成度、高性能比、最简单的外围电路、最佳的性能指标等特点。随着逆变发电机组(系统)在现代武器装备中的不断推广, 单相逆变发电机组（系统）并联运行将起到不可忽视的作用。对于单相逆变发电机组（系统）并联运行的本质作者认识尚浅，有许多问题尚待进一步的探讨和验证，文中的不妥之处，希望广大读者批评指正。参加研制的人员有张文昌、于功山、王怀杰、张瑞英、陈爱伟等。 参考文献：1. 刘凤君编著. 正弦波逆变器.科学出版社。2002 2. 陈宏. 逆变电源并联技术.南京：东南大学学报，2002.55-593. 李永富. 高频开关有源逆变技术.北京：直流电源，2004.39-444. 论文编号：3317835，分布电源联网接口逆变电路控制技术的研究5. 姜桂宾、裴云庆、杨旭、王兆安. 论文编号：0258-8013（2003）12-0094-05 SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术6.邱关源主编.电路（第四版）.高等教育出版社.1999.7. 刑岩. 逆变器并联运行系统的研究.（博士论文）南京航空航天大学，19998.王凤翔编著.交流电机的非正弦供电.北京:机械工业出版社, 1997.9.马伟明等著.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容.科学出版社，2007。10.唐任远等著.现代永磁电机理论与设计.机械工业出版社.1997.11.汤蕴璆、罗应立、梁艳萍著.电机学.机械工业出版社.2008Mobile distributed single phase inverter generator (system) Parallel operationZhang Wen Chang, Yu Gong Shan, Wang Huaijie(Jinan Ji Mel LE Power Technology Co., Ltd., Jinan)Abstract: The single-phase inverter generator (system) in mobile power application. On this basis, proposed single-phase inverter generat