基于DSP的逆变电源并联系统的研究

1、基于DSP的逆变电源并联系统的研究检测时间：2015-05-21 04:51:44            本科毕业论文                              &

2、#160;                             二 级 学 院机械与电子工程学院专 业电气工程及其自动化年 级2011 级学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 职 称硕士研究生完 成 时 间2015年04月25日       &

3、#160;           目 录TOC o "1-3" h u       摘 要 1      引 言 2      1 逆变器并联运行原理及功率运算方式的选择 2      1.1 逆变器并联运行原理 2

4、60;     1.2 功率运算方式的选择 4      2 逆变电源多模块并联控制方法及选择 7      2.1 逆变电源并联方案 7      2.2 逆变电源并联方案的选择 11      3 并联系统的运行特性分析 11      3.1

5、并联系统的环流特性 11      3.2 逆变电源并联系统的功率特性 13      3.3 并联系统的电压闭环特性 15      4 功率均衡控制理论 16      4.1 功率均衡控制实现并联的原理 16      4.2 分散逻辑的均衡控制 17   

6、60;  5 基于DSP的逆变电源并联系统分析和设计 18      5.1 单逆变电源模块分析与硬件设计 18      5.2 控制部分的电路设计和分析 20      5.3 模块间并联控制部分的设计 21      5.4 控制算法说明 24      5.5 并联系统的

7、同步控制 26      5.6 主程序设计 27      5.7 并联系统的仿真 29      6 总结 32      参考文献 33      Abstract 34      致 谢 35   &#

8、160;                                                 &#

9、160;                              基于DSP的逆变电源并联系统的研究       作 者 苏 胜      指导教师 朱思思  

10、;    摘 要：近年来随着电力行业的发展，电能需求不断增加，对电力转换装置的容量、可靠性、灵活性要求越来越高，电力电子技术的相关理论不断深入发展使需求成为可能。      本文介绍了一种基于DSP的逆变电源并联系统的数字化控制技术的实现方法。逆变电源并联技术通过DSP数字化控制可以使系统更加小型化，容量扩大化，可靠性高，组装灵活。文中首先对逆变电源并联系统原理进行介绍，通过比较选择系统控制方式，进而分析了逆变电源模块并联的过程中环流的成因，通过对环流的认知，针对其进行抑制。文中控制的部分主要利

11、用DSP的优越性，以其为中枢，对并联系统的相关参数进行测量，并对采样参数进行运算分析，发出调节、控制信号，实现功率均衡分配，实现减少电源的无功损耗的目的。       关键词：DSP；逆变电源；并联系统；功率损耗                           &#

12、160;              引 言       在传统的逆变器并联系统中存在较多的不足，在控制方面多采用模拟控制技术，由于控制部分电路较为复杂，使用的元器件多，导致电源的体积大，功率损耗增加，元件容易老化，可靠性较低；并联的逆变器特性难统一，容易产生环流，为抑制环流增大电感降低了逆变电源的输出精度；硬件电路设计调整僵硬，无法灵活组装。    

13、0; 近年来，由于DSP(数字信号处理器)具有运算能力强、编程灵活、功率损耗低、通信能力强等特点，被广泛的运用到多种行业。随着自动化生产的普及，精细化加工程度高，对电源系统的供电要求也有所提高。电源系统并联技术主要解决模块化逆变电源的并联运行中存在的问题，使并联顺利进行。通过并联技术，当负载变动需要扩大电源容量时，可以灵活的增加逆变模块达到扩容的目的，而且在电源系统需要维护时，也方便简单。正是由于其优越的性能，使其能广泛的运用的各个领域。      由于模块化设计有易于系统重组和灵活性高等优点，因此，并联结构适合采用模块化设

14、计。为改善各个逆变器模块的均流效果，各国学者提出了双环控制策略。国内外比较主流的有主从控制结构（MSCmasterslave control）,基于功率均分的逆变电源并联控制策略、基于分散逻辑控制的改进型逆变电源并联均流控制策略。      1 逆变器并联运行原理及功率运算方式的选择      1.1 逆变器并联运行原理      逆变器并联顾名思义就是多个逆变器一起并联运行，通过并联达到扩容的目的,顺利并联的条件是

15、各逆变单元输出电压同频、同相、同幅值。当各逆变模块并联运行处于理想的工作状态时，能均衡分配各个逆变模块之间的负载电流和功率。然而，在逆变电源并联系统实际运行过程中，不同逆变模块间不可避免的受到电路参数差异、电压瞬时值不相等、负载变换等诸多因素的干扰，在电路中产生电压差，系统中生成环流，对相关功率器件及输出滤波器造成一定的破坏，情况严重时甚至烧毁逆变器。因此必须解决各并联模块输出电压的同步与均流控制问题。理论分析表明1：当输出电压和输出阻抗一定时，如果模块间的输出电压存在相位差，则会引起有功功率的不均衡，对此可知，主要的控制对象是逆变器输出电压的相位和幅值。以下简明分析一下两台逆变模块并联运行情

16、况。              图1 逆变电源的等效电路       其中：，代表两个逆变电源的输出PWM波形的基波电压；而、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 分别代表两个逆变电源的输出滤波器；Z为公共负载。根据参考文献列出以下电路基本方程：     

17、60; （1-1）      当=C， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT = EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT =L时，式(1-1)可简化为：       (1-2)      由此推出：      (1-3)      由以上

18、三个方程可以解得：       (1-4)       由式1-4可以看出，, EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 由两部分电流组成，一部分为负载电流量，一部分为环流分量。负载电流分量总是平衡的(在输出滤波器相同时)，但环流分量的存在使各逆变器输出的总电流不相同。       当， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 同相时，电压高的环流分量是容性，

19、电压低的环流分量是感性。       当， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 幅值相等时，相位超前者环流分量为正有功分量(输出有功)；相位滞后的环流分量为负有有功分量(吸收有功)。       在， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 即不同相又不相等时，环流分量既有无功部分，又有有功部分。       通过以上论述可知，为保证逆变电源顺利并联，则

20、需注意一下几点2：      (1)并联运行时，各逆变模块电压保持同步，才能使逆变模块输出的有功相等。      (2)并联运行时，当各逆变模块输出电压只有幅值不相同时，逆变模块将输出含有无功环流分量的电流，逆变模块工作出现异常。      (3)在逆变电源中输出正弦交流电压和电流，实时控制逆变电源均流较为困难。      1.2 功率运算方式的选择

21、0;     在系统中，各模块收集到的各种数据需要经过一定的公式计算才输送出结果，而关于交流采样以及相关数据的计算有的常见算法：积分和法和离散傅立叶变换法。由于控制要求精准，需要选取适合的计算方法提高系统性能。      1.2.1 积分和法       在电压、电流的正弦波信号的每个周期T采样N点，得到采样序列、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，则通过计算公式可求出有效电压和有效电流电

22、流。       EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT (1-5)      关于功率的计算：      有功功率：      视在功率：      无功功率：       对于积分和法，为提高运算精度，可以

23、在不影响芯片运算的基础上增加采样点，通常设置几百个采样点。在系统中，由于电力信号不断波动，同时可能存在基波、谐波等干扰因素，同步采样较为困难，从而带来非同步误差，使测量精度下降。下式是非同步误差模型：       (1-6)      由(1-6)可以看出非同步采样误差与失步度和计算首点有关，失步度越大误差越大，为提高运算精度，要减小失步度 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，同时使计算首点 EMBED Equation.KSEE3 * M

24、ERGEFORMAT 近似有效值Y时，可得到较小非同步采样误差。由于积分和法具有实时性强，算法简单，能够计及信号中高次谐波的影响等，在某些系统不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选用此算法。      1.2.2 离散傅立叶变换算法      在一些对采样要求比较高的场合，随着先到电子技术发展，特别是DSP技术的广泛应用，应用离算傅立叶变换法进行交流采样计算，相比积分和法的优势越来越明显。      首先说明

25、FFT计算结果的物理意义：交流电的周期作为采样周期，以为例，频率的分辨率，采样频率 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，谱的分析范围为 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，由FFT运算后的计算结果，为原始模拟信号频谱的每个50Hz的等间隔采样，即X(0)、X(1)、X(N)依次代表：直流分量，基波分量，(N/2-1)次谐波分量。      设对每周期的均匀同步采样N点，得到序列对 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 作FFT变换。

26、              (1-7)      由于         (1-8)      积分离散得               (1-9)

27、60;     由式(5-3)(5-4)和(5-5)得出              (1-10)      第k次谐波电压的有效值和相角 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为              (1-11)

28、      电压的有效值、电流有效值 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 分别为       EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT (1-12)      同理，对于有功功率若将v(t)、i(t)分别用傅立叶级数表示再展开，并由正弦函数的正交性，可得：       (1-13) &#

29、160;    离散傅立叶算法具有具有计算能力强、滤波能力强等有点。主要体现当系统收集到各次谐波的参数值时可以通过分析计算，得到各次谐波分量，进而求出总的电参数；由于其良好的滤波能力，不需加装滤波原件，从而减少了前向通道误差和系统成本，用于对谐波分析比较合适。不足的地方是其算法复杂，运算量大，计算花费的时间高于积分和法。傅立叶算法周期采样点数一般为32点、64点或128点，当系统受到扰动使输出波形畸变严重时就可能产生较大误差。      本系统中考虑到实时性要求较高，积分法算法简单，系统采用了积

30、分法进行了交流采样。离散傅立叶变换可以较好地滤除采样信号中的一些高次谐波干扰，可用于谐波分析。两种算法相互补充，进一步提高系统的性能。      2 逆变电源多模块并联控制方法及选择      本文分别对集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线独立控制等四种控制策略3进行介绍。      2.1 逆变电源并联方案        (1)集中控制方式

31、      集中控制方式主要分为公共的同步模块、均流模块和锁相环电路模块。公共的同步模块类似于将军，对各并联模块发号施令(同步信号)，锁相环电路模块用来保证其输出电压参数与同步信号同步，公共均流模块将检测出的控制系统的总负载电流，得到(为系统中并联逆变模块的个数)，并将作为各台逆变电源模块的电流基准值， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 将与各逆变电源模块检测自身的实际输出电流 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 相互比较其电流求出电流偏差 EMBED Equati

32、on.KSEE3 * MERGEFORMAT 。通过模块中的锁相环减小模块间的输出电压相位差，当其差值小于一定时，可以认为各单元的偏差是因为各模块输出的电压幅值的不相同导致的，系统运行过程中为消除电流的不平衡，可以直接把电流偏差 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 作为电压指令的补偿量发送到各逆变模块中。集中控制的框图如图2所示及分析可知集中控制方式的优势在于结构较为简单，均流效果较好，劣势在于当公共控制电路异常时，电路无法正常工作，可靠性低。          

33、;   图2 集中控制系统框图       (2)主从控制方式      主从控制方式顾名思义，由一个主模块控制多个从模块,主从模块的配置是相同的，都有有独立的控制器，主模块出现异常，从模块也有成为主模块的可能。如下图7所示，其工作方式为主模块控制作为中枢，支配整个并联系统的输出控制信息，从模块接收信息对输出电流进行控制来使负载均分。逆变器的检测模块信息来源于负载电流作为参考电流，同时给从模块发出指令。因为从模块的输出电流接收负载电流反馈信息，其

34、输出电压频率与负载电流相同，因此系统的同步控制不需要通过锁相环电路来实现，具有较快的响应速度。从图3中可以看出其优点是系统稳定性好，易于扩展电源容量，能实现很好的负载均流，缺点也明显当主模块一旦出现异常，从模块将不能正常工作，系统没有实现冗余，可靠性低。图4是脱胎于上一种主从控制，是一种分散逻辑的主从控制方式，每个模块都有电压调节器，任一电源模块都可充当主模块，其主从切换方式主要是由可控开关的通断决定，而可控开关可以通过直接选择或软件设置控制其通断。当主模块退出运行，在从模块中选出主模块，系统仍能继续运行，使系统的可靠性得到加强。但当并联控制电路不能正常工作，将会影响逆变电源系统的运行，可靠性

35、仍有不足。            图3 主从控制逆变器并联系统框图            图4 主从控制逆变器并联系统框图       (3)分散逻辑控制方式      与上述两种控制方式不同，分散逻辑并联系统中的电源模块都能独立运行，是一

36、个有联系的独立个体，其联系方式主要通过互连线进行信息传达，地位平等。其工作机理是各逆变电源通过对本电源输出参数的测量，计算出自身输出的无功功率和有功功率，在此之后内部控制器将计算出的无功传输给公共母线，通过一定分析得出结果，再将结果反馈到各模块并将其作为模块的无功基准Q。同理可得，各模块可获得同步基准信号W。各逆变模块通过反馈的数据对模块输出的电压进行同步控制，从而使得模块对的无功功率和有功功率的均衡控制顺利完成。因各模块的工作运行都较为独立的个体，当系统中单个模块由于故障失效后退出运行，对其它模块影响不的，运行工作正常。通过分散逻辑控制的运行机制可以了解单模块工作的独立性，避免了单点故障影响

37、到面的问题，并联系统的可靠性得到提升。由图5可知，分散逻辑控制中用两个互连线对各电源模块彼此连接，进行模块间的信息传输，但两个互联现传输的内容不一样。一个传递公共电压基准信号并通过模块中的锁相环使模块输出电压的相位、频率同步；另一个传递平均反馈电流信号并同时将其作为模块参考信息与输出电流比较，通过运算控制分配，达到均流的目的。各模块通过分散逻辑控制方式，使系统的可靠性得到提高，符合当下主流的均流控制。分散逻辑控制系统解决了传统控制系统的可靠性和灵活性等问题。           

38、60;图5 分散逻辑控制原理图       (4)无互连线并联控制方式      相对于传统的控制方式而言，无互连线并联控制方式并联模块间互连线的数目有所减少，逆变模块只有输出负载线互联。由于互联线减少，无互连线并联控制系统具有了低干扰、高冗余度、高可靠性、并联方式简单等优点，也是近年来也是研究的主要方向。这种并联控制方式的工作原理是基于逆变器输出的外特性下垂特性，利用逆变器输出的软特性，各模块以自身的有功和无功功率为依据，通过无线通讯传送信息，调整自身输出电压的频率(相位)

39、和幅值来实现负载均分。但是由于其均流控制策略较为复杂，当出现较大扰动时，均流控制不理想，所以未能广泛应用。      2.2 逆变电源并联方案的选择       上文对四种逆变电源并联系统的控制方式进行了介绍，了解了四种控制方式的优缺点，本文基于电源系统的可靠性、可行性等方面考虑对控制方式进行选择。其中集中控制方式和主从控制方式都是基于中央控制理论设计的，存在单点故障的问题，可靠性相对于分散逻辑控制方式较低。无互连线控制方式在多方面优势较为明显，但在实际运用上还存在一定的差距

40、，无互连线控制实用化是未来逆变电源并联控制系统发展的主要方向。综上所述，本文将采用分散逻辑控制方式控制电源系统。      3 并联系统的运行特性分析      3.1 并联系统的环流特性       在逆变电源并联系统中，各模块的输出环境不同，导致自身的输出特性不同，在并联时会出现环流现象。为直观明了的进行分析，设两台容量相同的逆变电源并联供电，在不考虑波形畸变的影响情况下，它们的静态输出电压， EMBE

41、D Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为标准正弦，分析图6可知：        图6 逆变电源并联等效电路       (3-1)       即       (3-2)       定义环流      

42、(3-3)        若且 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，则式(3-2)可化简为       (3-4)       又由式(3-1)和式(3-3)可得环流为       (3-5)       又由于   

43、60;   (3-6)       由式(3-5)和(3-6)可知       (3-7)      由式(3-4)和式(3-5)可以看出，如果两台逆变电源输出电压矢量和的相位、幅值不相同时，因为仅为线路阻抗的 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 较小时，则在各电源的输出端将形成较大的电流，该电流大部分在电源之间形成环流，其大小与负载无关。  

44、          图7并联电压电流矢量图      其中为负载的功率因数角，、为，与 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 的相位差，则 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 间相位差为 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 。   &#

45、160;  由矢量图7可以看出，当和幅值不等或存在相位差时都会产生电压差，在分析中不妨取V=220V，f=50Hz，R=5（纯阻性），r=0.01，则由 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 幅值或相位差异形成的电压差 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 与各逆变电源输出电流及形成环流之间的关系如下：      (1)在负载电流一定的情况下，环流及各逆变电源输出电流幅值随相位差

46、的增大非线性上升。      (2)变电源输出电流的相位也随着的变化大幅度变化，从而使得两逆变电源的输出等效负载呈现为容性或感性，且功率因数很低。      (3)两逆变模块并联运行时，各模块输出电流包含了两个部分，一部分为供给负载的电流，另一部分为相互间的环流，而环流的相位及幅值仅由决定，与公共负载的大小无关。环流的大小与相位也形成了各逆变电源之间的输出功率差异，以逆变电源1为例：环流可看作两个相互垂直的电流矢量的合成。其中与 EMBED Equation.KSEE3 *

47、MERGEFORMAT 同向的分量在线路阻抗，功率管压降，电感内阻上消耗了有功功率，而与 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 垂直的分量则以无功功率的形式在电源模块间传送，导致电源模块中的功率器件及输出滤波器等的电应力加大，当 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 垂直的分量增大到一定程度时会使逆变电源工作出现异常。由于环流的对并联模块的危害较大，必须对其进行抑制，而均流控制策略能对环流进行有效抑制，可以采用。      3.2 逆变电源并联系统的功率特性 &

48、#160;          图8 逆变电源并联工作系统示意图       一般在各模块与电网总线间有一定的线路阻抗Z在实际电路系统中，由于线路电感L小于，而线路电阻r=0.018l/s(l,s分别为导线的长度和截面积)。显然，由此可见各模块与电网间的线路阻抗 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 多呈现为阻性，运行系统中，不能随意的使用电感取代。     

49、;  正常状况下电网系统主要由常规的同步发电机构成，在运行方式与逆变电源并联系统相比有诸多不同的地方，分别为4：       (1)在电网运行的过程中同步发电机的输出阻抗远高于并联的逆变电源输出阻抗，所以电网功率输出由于下垂特性而自动进行均流。       (2)在同步发电机与逆变器相比较其在输出功率时有降低电机转速的趋向，而逆变器则不能。      (3)在电力系统中，同步发

50、电机一般通过励磁电流来控制发电机的运转，在控制调节的过程较慢，传递数据的能力低，逆变模块与之相比数据传送能力较强。      (4)同步发电机的连接电缆多呈现为感性，而并联逆变电源系统中的互联线多呈现为阻性。      以下以两台逆变电源模块向同一负载供电为例如图9所示进行分析，其中X为线路阻抗，为并联电网电压。            图9 逆变电源并联系统

51、      逆变器1供给负载复功率为：       （3-8)      输出电流为       (3-9)      故 (3-10)      由此可得出输出有功功率和无功功率分别为：    &#

52、160;  (3-11)      由于一般逆变器输出电压和系统电压间的相位差很小，即 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 且令 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，则：       (3-12)      令，则同理逆变器2的输出功率为       （3-13） &#

53、160;    由式(3-12)和(3-13)可以看出逆变电源的输出有功主要取决于功率角和 ，而输出无功功率则主要取决于输出电压幅值(,)，因此，可以改变逆变电源的输出电压幅值或振幅( EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT , EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT )来控制无功功率，由改变相位差( EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT , EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT )来控制有功功率。   

54、;   3.3 并联系统的电压闭环特性      在系统运行的过程中，各模块的输出电压呈动态变动，假设具备在稳态时电压同步，但在系统运行的过程中，受到电路中的参数改变、负载变化而形成的扰动等因素的影响，也不可能有同步的动态调节过程，于是将会产生瞬时的电压差导致环流形成。与开环控制不同，闭环控制可以减少环流的产生，在系统运行的过程中，控制器通过闭环控制技术可以及时的通过输出电压的反馈情况对输出电压进行实时调整。不足在于，在并联系统中，各模块的输出特性不同，容易产生环流，同时在运行过程中各逆变控制器的检测模块

55、可能将并联电网电压当成该逆变器的输出电压，当电网中的无功功率不足导致电网的电压下降时，模块中的控制器错误地接收到本模块的输出电压下降，通过信息反馈控制器会错误地加大控制量，致使逆变器提高输出电压，逆变器的电压提高与并联电网间的电压下降两相比较，差距加大，运行时造成的环流远大于开环控制。同理在电网的运行过程中电压升高时，并联模块也会接收到错误的信息发出错误的指令。      4 功率均衡控制理论      4.1 功率均衡控制实现并联的原理   &

56、#160;  电源并联可分为直流电源并联和逆变电源并联。其中直流电源并联较为简单，电源输出的波形较为稳定，容易易控制。而逆变电源并联较为困难，其电源的输出波形是动态的，容易受外界因素的影响，当输出的正弦波在并联时可能出现幅值、相位、频率不同步的情况进而引起不同的环流产生。在系统中只存在相位差时，各模块间的产生的环流大部分为有功环流，也使部分模块处于整流状态；只存在幅值差时，会使系统的无功功率失衡，出现有的模块吸收无功，有的模块发出无功；当各模块的输出电压同步时，模块输出的谐波含量也会是一个环流产生的影响因素，谐波含量差大，则会产生谐波环流。以上分析可知，逆变电源并联的影响因

57、素较多，既要控制输出电压同步又要抑制谐波产生。      为使并联模块顺利，须保证各模块瞬态达到输出电压的频率和相位同步，输出电压和电流平衡。分析其功率特性得：       (4-1)      当输出电压一定时； EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为功率系数。      在并联系统运行过程中，负荷量呈动态变化，处于未知状

58、态，在实际操作中，分配模块电源输出有功功率如果采用负载端电压作为参考量容易出错。通过并联下垂法可以分析，由于模块输出的有功功率和无功功率的变化与电压的相位和幅值有关，其中有功变化主要受相位影响较大，无功变化受幅值影响较大,可得：       (4-2)      在公式中表示第i个模块的频差，表示第i个模块的幅值差；表示第i个模块的空载输出电压频率， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 表示第i个模块的空载输出电压幅值， EMBED Equa

59、tion.KSEE * MERGEFORMAT 表示第i个模块的的频率衰减系数， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 表示第i个模块的幅值衰减系数。      由式(4-2)可知有功功率变化会影响频率变化，在调节有功时可将有功功率作为参数对输出频率作相应的调整。      同理得，单个模块电源输出的无功功率与电压幅值调节关系如下：；其中， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为无功功率系数， EMBED Eq

60、uation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为常量。由此可见，模块电源输出的无功功率调节，可将无功功率作为参数对输出电压作相应的调整和控制。      由此可见：为满足系统并联，利用有功和无功功率偏差作为参考量的功率均衡并联原理，让并联的各逆变电源模块保持输出功率均衡。      4.2 分散逻辑的均衡控制      从前文均衡控制理论可知，在分散逻辑控制中，模块输出的有功与电压相位有关，无功功率与电压幅值

61、有关，因此可由输出无功功率基准和有功功率基准分别得到电压幅值参考信号和电压相位参考信号，电压频率参考信号是多模块互相跟踪得到的频率基准信号 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 。            图10 分散逻辑并联系统单模块控制框图      如图10所示在并联运行过程中，单个逆变电源的检测模块检测出自身输出的电压和电流，通过计算和逻辑判断得到本模块的、并将其送入公共母线、，

62、同时信号综合接收其他电源模块相应的、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 信息，通过与本模块的 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 进行比较得到无功功率基准 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 、有功功率基准 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 、频率基准 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEF

63、ORMAT ，对本模块进行调节控制。      5 基于DSP的逆变电源并联系统分析和设计      5.1 单逆变电源模块分析与硬件设计       在并联式分布电源系统中，首先必须尽量保证模块间的一致性：通过高平软开关技术的运用，改进逆变器电路结构，使每个逆变电源模块5有良好的负载特性和稳定性，满足客观需求。      高频脉冲直流环节逆变器6

64、是基于谐振直流环节逆变器的原理提出的一种新的结构。该逆变器既能够实现输入和输出之间的电气隔离，又能够实现逆变桥功率管的零电压开关。       图11 逆变器的主电路图      (1)逆变器主电路      逆变器主电路如图11所示。主电路组成部分为：      (交错并联正激变换电路，该电路主要由功率管、整流管、高频变压器组成。该电路采用两条支路交替工作

65、，降低了开关应力，减少了复杂的磁复位电路，从而减少了一定的功率损耗。其主要突出优点是并联结构使整流侧的输出电压占空比增加，提高电路响应能力，同时并联的均流效果能降低功率器件因电流过大导致功率变大使元器件发热的现象。该电路的控制方式为定频控制即为脉宽调制技术，调制信号由DSP芯片收集电压、电流型号经处理后控制经UC3524芯片发出的，下文5.2将有所介绍。      (吸收电路,该电路由功率管和吸收电容组成。该电路设计为RCD吸收电路,相对于RC电路来说其主要优点是通过二极管对开关电压嵌位，效果比RC好，能量损耗也比较小。 &

66、#160;    (全桥逆变电路,该电路由可控器件(IGBT)构成的7-8。该电路在逆变过程中，通过DSP产生与之对应的SPWM驱动波形，然后通过驱动电路放大整形后驱动。      (2)保护电路以及输出滤波器的设计       由于电路中的功率原件的抗过载、抗电流冲击的能力较弱，过载或过流容易使其造成损害，因此在设计电路的时候要考虑过流保护和短路保护9。目前国内普遍使用的限流工作方式是一种可逆保护工作方式，其工作原理是当检测

67、电路获得过流信息后，控制电路将SPWM控制方式转换成由电流控制的脉宽调制方式，调节脉宽，使占空比随电流变化，从而维持电流在一定安全范围之内，工作回复正常运行时，控制电路重新使用SPWM控制。该电路在短路保护过程中存在缺陷即为当过流瞬间输出电压由于调节作用变小接近于0时供电连续性受到影响，此类情况需要辅助措施，使用输出滤波电感(电感取值合理)作为缓冲，将电压检测点迁移到电感前，避免SPWM调节因接收较大波动的反馈信息时出现脉宽占空比最大的情况从而导致输出电流增大。对此在系统中，设计了由、和组成的滤波电路作为过流保护，由图10可见，滤波电感和电容串接在直直变换器和吸收电路之间并在电感 EMBED

68、Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 前取电压反馈检测点从而起到限流的作用，而电感 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 串接在逆变桥输出端(其中 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为小容量电容， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为小电感)。由于在电流滞环控制中设置滤波电感，发挥出涟波作用和在电流环中实现积分器功能。当 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 取值超过一定数值时，可能产生的影响有：电流跟踪速度降低、减缓系统动态响应速度变慢；

69、输出电压稳态精度降低；增加系统的体积、重量和成本。电压的失真度与电感电流变化速度和给定电流变化速度的比值有关，比值小于一时，会增大电压失真度，为此增大比值使其大于一，才能降低电压失真度，据此推得下式：       (5-1)       式中感性负载的功率因数角       脉冲电压 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 的最大峰值    

70、60;  输出电压的峰值       当取值低于一定值时，电感对电流的限制作用减小，输出电压的质量会随着电感电流的脉动量增大而增大。为使输出电压的质量不至过大，影响电路运行，则需要保证电感电流脉动量在一定的范围之内。通过计算验证，对电路参数选择如下：=15mH、 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT =3mH, EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT =220nF。      5.2 控制部分的电路设计和

71、分析       (1)数字信号处理器(TMS320LF2407A)的简单介绍      本系统采用了德州仪器公司的数字信号处理器TMS320LF2407A。2407A是16位定点数字信号处理器产品，由于它具有执行速度块，实时控制能力强，硬件配置齐全，计算能力强等特点，因此选用该芯片作为控制中枢。       图12 逆变模块控制原理图      (2)SP

72、WM波形的产生       SPWM调制是PWM控制技术的一种，本设计所用的输出正弦脉冲的芯片是UC3524。UC3524输出的脉冲信号是以中枢芯片DSP通过高速IYA转换器发出的参考信号(载波同步控制信号，限流参考信号等)来调节，从而获得所需波形。单个逆变器SPWM生成制策略的主要组成部分如上图12左侧部分所示，一个直直变换电路和一片脉宽调制芯片UC3524。直直变换电路的电压、电流参数反馈到芯片UC3524，经调整后芯片UC3524输出正弦脉冲给直直变换电路，两两彼此组成了一个双闭环运行电路。通过双闭环运行电路使DSP系统资源(系

73、统时间)有较多节余，这有利于DSP对反馈参数进行各种控制算法(主要为积分和法和离散傅立叶变换法)，再发出结果指令到各连接模块，完成并机功能。      5.3 模块间并联控制部分的设计       本文在上文3.3对分散逻辑控制系统的原理进行了介绍，通过对理论的理解，本设计在设计中将CAN总线作为逆变电源模块的通讯线，使模块间的信息传输速度快，电磁干扰减少。为方便模块间的同步控制，设计应用了同步母线，通过相应的同步控制策略简化了分散逻辑控制并联冗余控制方案的实现。 

74、     单台逆变模块并机部分硬件结构      单个逆变模块的控制电路的硬件主要有：DSP芯片、UC3524芯片、CAN总线等元器件。在电路中，当芯片DSP通获得检测参数时对参数进行处理，并发出信号控制UC3524输出需要的SPWM波形进而获得所需的输出电压和电流。并机部分主要由CAN总线进行连接，模块间的DSP通过总线进行信息交换，通过相应的运算，输出控制信号，达到输出均衡的目的。      单台逆变模块控制电路设计

75、60;       图13 并机控制部分的硬件结构图      信号转换部分设计      如图14所示为信号调理电路，该电路由输入信号转化和输出增益组成，主要用于对采集信号的处理。在电路中，电压传感器输出的电流信号经由电阻转换成电压信号，电压信号随即传到比例放大器，经过调节是信号满足模拟输入范围；用输出级增益为1的二阶低通滤波器消除高次谐波再将信号送至转换器将模拟量转化为数字量进行数据分析处理。DSP按照控制算法输

76、出具有一定相位和幅值的正弦波数字量,经过 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 转换器转换,变换成模拟信号送给逆变器作为SPWM调制的基准信号。DSP的CAN模块通过外接的驱动器连到总线上,与其它单元通讯。            图14 信号调理电路       驱动电路设计       考虑到DSP的输出电压、电流

77、有限，驱动能力不足，无法实现对各功率管的直接触发、驱动。因此要在DSP输出端口外加驱动电路，进行隔离的同时，实现功率放大功能，使DSP能控制功率管的开通与关断。本系统所选用东芝公司功率驱动模块TLP250，该模块集成有一个光发射二极管和一个光探测器。驱动模块高低电平转换时间约，能满足系统对PWM波频率的要求。       TLP250是8脚双列封装功率驱动模块，适用于IGBT、MOSFETTL，和晶闸管变流器的驱动。本文选用TLP250作为驱动模块，其主要电气参数如下：输入阈值电流，隔离电压2500V，前向电流，节点温度，工

78、作频率f=25KHz，输出电压 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 范围在24-25V之间，最大输出电流 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 。      根据的运行特性,选取， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 。考虑到 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 值的大小对IGBT开关速度的影响及自身的功率的损耗,取 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 。 &

79、#160;          图15 信号隔离与驱动电路       并机通信线设计       在我国用电设备的用电频率为，一个完整的正弦波的周期是。而本设计选用CAN总线做为并机通信线，该通信线传送速度可达。可令并联系统有 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 个模块，模块发出的数据每帧10Bt，可算出一个模块向其他模块发送的总时间 EMBE

80、D Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ：       (5-2)      而全部模块数据传送完所用时间：       (5-3)      可设，可以求出，由此可见当n小于一定值时 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT ，确保了系统运行的实时控制。    

81、60;  同步母线设计      本系统中运用少许模拟器件设计了一种高效的同步母线，在图16中可以看到模拟的两台逆变电源，两两之间由一根模拟线相接。单个电源中的DSP有输入和输出端口，一个用来传输检测同步母线得到的数据，另一个用来传送控制同步母线的信号。每个模块在对同步的电平信号进行检测，与此同时通过端口OUT详同步母线上发送本模块的同步脉冲实质上是，通过同步母线，各模块之间的同步信号相互影响、相互跟踪，从而达到同步。         

82、    图16 同步母线连接图      5.4 控制算法说明       (1)PI调节算法      PI调节器的组成有比例调节和积分调节，在工业中常用于闭环控制，主要用来校正误差。PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 构成控制偏差为：   

83、0;   (5-4)      通过将此差值作为比例P和积分I的线性关系组合构成闭环反馈控制量，最终被控制对象进行闭环控制，其传递函数关系式为：       (5-5)      其中为PI控制器的输出量，为PI控制器的偏差输入量， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为比例放大系数， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 为积分时

84、间常数。      它的时域方程为：       (5-6)      在比例环节中即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 增加到一定程度，系统会变得不稳定。       积分环

85、节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数， 越大，积分作用越弱，反之越强。通常在 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 不变的情况下， EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。      由于DSP的控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此必须对上式进行离散化处理，用一系列采样时刻点代表连续的时间，对上式离散化后，可得第 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 次和第 EMBED Equation.KSEE3 * MERGEFORMAT 次采样时刻调节器的输出：       (5-7)       (5-8)      其中为PI调节器的采样周期。  &