專利名稱：無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電源逆變領(lǐng)域，尤其涉及一種無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)內(nèi)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，發(fā)電廠、變電站在故障情況下要求不間斷電源供電的交流負(fù)荷越來越多，對(duì)交流供電質(zhì)量和交流供電的可靠性的要求也越來越高，因此如何提高逆變器的供電質(zhì)量和供電可靠性是逆變器研究的重點(diǎn)。
隨著控制技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)字處理芯片DSP的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的交流輸出已經(jīng)不成問題；但是如何實(shí)現(xiàn)逆變器的冗余設(shè)計(jì)依然是困擾開發(fā)者的主要問題，目前市場(chǎng)上流行的逆變器的并聯(lián)技術(shù)是采用系統(tǒng)監(jiān)控器統(tǒng)一產(chǎn)生SPWM信號(hào)進(jìn)行同步和負(fù)載均分的，最具代表的產(chǎn)品是美國(guó)的APC產(chǎn)品。這種逆變器的技術(shù)缺點(diǎn)是單逆變器不能工作，必須配和系統(tǒng)的監(jiān)控器才能工作，因此小系統(tǒng)的性能價(jià)格比不高；系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)監(jiān)控器的可靠性，監(jiān)控器一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓；交流輸出不能短路，短路將會(huì)造成逆變器燒毀的危險(xiǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本次實(shí)用新型的目的在于提供一種控制元件少、穩(wěn)定度高且均流度高的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)包括功率處理電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元以及鍵盤顯示電路，所述功率處理電路包括DC/DC升壓電路、全橋逆變電路和輸出濾波電路；所述控制電路分別與驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元、鍵盤顯示電路連接，全橋逆變電路分別與DC/DC升壓電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路連接。
所述控制電路包括AT89C52芯片、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片和同步控制單元、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元。
所述控制電路還包括可以產(chǎn)生正弦波的自激電路。
所述驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路采用IGBT/MOS驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J。
所述無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)可包括若干并聯(lián)逆變器，上述逆變器是由全橋逆變電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元組成，所述逆變器采用自同步和外同步方式結(jié)合，即在有外部同步信號(hào)的時(shí)候，逆變器輸出跟蹤電網(wǎng)同步或逆變器監(jiān)控單元給定的信號(hào)同步；在沒有外部同步信號(hào)的時(shí)候，同步母線自動(dòng)切換到自激電路。
所述逆變器用DSP2407A的捕獲單元，通過捕獲同步脈沖且在捕獲中斷程序中完成與市電相位、頻率的同步。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)采用DSP2407芯片全數(shù)字化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)控制元件少且穩(wěn)定度高；采用UC3902芯片，使得各逆變器獨(dú)立工作，簡(jiǎn)化了大量的軟件計(jì)算，大大提高了均流精度；本系統(tǒng)的可并聯(lián)逆變器采用自同步和外同步結(jié)合的原理設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊和監(jiān)控故障不影響其他模塊正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性且可實(shí)現(xiàn)N+1逆變單元并聯(lián)擴(kuò)容。

圖1是無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)框圖；圖2是并聯(lián)逆變模塊供電示意圖。
圖3是并聯(lián)逆變器均流環(huán)連接框圖圖4是并聯(lián)逆變器同步控制示意圖具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1所示，無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱為系統(tǒng))包括功率處理電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元以及鍵盤顯示電路。上述功率處理電路包括DC/DC升壓電路、全橋逆變電路和輸出濾波電路；所述控制電路分別與驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元、鍵盤顯示電路連接，全橋逆變電路分別與DC/DC升壓電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路連接。上述控制電路包括數(shù)字處理芯片、自主均流芯片和同步控制單元、自激電路、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元。在本實(shí)施例中，數(shù)字處理芯片是AT89C52芯片和DSP TMS320F2407A芯片；自主均流芯片是UC3902芯片。上述驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路采用IGBT/MOS驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J。
系統(tǒng)硬件部分說明如下逆變器是由全橋逆變電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元組成。
直流輸入利用DC-DC全橋高頻隔離升壓，把電壓升到直流380-420V供后級(jí)的全橋逆變電路使用。逆變器的功率處理采用全橋電路，經(jīng)過SPWM調(diào)制以后，輸出經(jīng)過濾波電感和濾波電容以后，直接和其它逆變器的輸出進(jìn)行并聯(lián)。當(dāng)要求和電網(wǎng)進(jìn)行快速切換的時(shí)候，系統(tǒng)逆變器監(jiān)控單元指揮開關(guān)箱的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的旁路切換。
控制電路以AT89C52和DSP TMS320F2407A為核心，AT89C52完成顯示、告警、鍵盤操作及與上位機(jī)通信；DSP TMS320F2407A完成SPWM波形的產(chǎn)生、鎖相、控制、均流以及同步信號(hào)捕捉、數(shù)據(jù)采樣等功能。使用DSP內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)輸出電壓反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，通過數(shù)字PI控制器完成電壓有效值外環(huán)控制，保證輸出電壓有效值穩(wěn)態(tài)無差。PI控制器的輸出乘以標(biāo)準(zhǔn)給定信號(hào)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后作為控制電路模擬部分的參考輸入信號(hào)。
自主均流芯片UC3902均流精度可達(dá)到1％且可實(shí)現(xiàn)冗余。自主均流實(shí)質(zhì)上是在N個(gè)并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊將自動(dòng)成為主模塊，其余的模塊則成為從模塊，各個(gè)從模塊的電壓誤差依次被整定，以調(diào)節(jié)負(fù)載電流分配的不均衡。由于N個(gè)并聯(lián)的模塊中，事先沒有人為設(shè)定哪個(gè)模塊為主模塊，而是按輸出電流的大小隨機(jī)排序，輸出電流大的模塊自動(dòng)成為主模塊。本實(shí)用新型無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)采用此芯片可以直接得到均流誤差信號(hào)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)復(fù)雜的電流計(jì)算，提高了系統(tǒng)可靠性。
UC3902芯片設(shè)有八個(gè)管腳，電流最大的模塊被自動(dòng)確定為主模塊，主模塊驅(qū)使均流母線電壓與它的輸出電流成比例。從模塊以均流母線電壓為基準(zhǔn)，達(dá)到每個(gè)模塊均分電流的目的。UC3902芯片通過調(diào)整變換器的輸出電壓以匹配所有的輸出電流。另外，此芯片有一個(gè)獨(dú)特的有利條件是它使用了差模均載母線，這種結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)噪音的抑制能力。UC3902芯片包括檢測(cè)電流放大器、均流驅(qū)動(dòng)和均流檢測(cè)放大器、跨導(dǎo)式誤差放大器、緩沖級(jí)調(diào)整放大器和輔助工作電路。上述輔助工作電路用來提供內(nèi)部偏置和芯片內(nèi)部參考。
系統(tǒng)軟件部分說明如下控制電路主程序完成開機(jī)檢測(cè)、均流計(jì)算、同步捕捉、計(jì)算調(diào)制度，輸出SPWM波。
均流計(jì)算從理論上講DC/AC逆變模塊的并聯(lián)條件是各模塊輸出電壓的頻率、相位和幅值以及內(nèi)阻完全相同，才能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)模塊輸出的電流、功率完全均衡。實(shí)際系統(tǒng)中，由于各模塊硬件的分散性是不可避免的，各模塊的基準(zhǔn)正弦信號(hào)的頻率和幅值也會(huì)有微小差異；以上差異都會(huì)導(dǎo)致各模塊輸出電壓的相位和幅值不等；相位差會(huì)引起模塊之間產(chǎn)生有功環(huán)流，幅值差會(huì)引起模塊間產(chǎn)生無功環(huán)流。假設(shè)各模塊的內(nèi)阻為常數(shù)，下面就兩個(gè)模塊輸出的相位、頻率和幅值對(duì)系統(tǒng)環(huán)流的影響進(jìn)行分析。
請(qǐng)參閱圖2所示，為分析簡(jiǎn)便起見，兩個(gè)并聯(lián)供電的逆變模塊容量相同。U1，U2表示模塊輸出的基波電壓；L1，C1，L2，C2分別代表兩個(gè)模塊的輸出濾波器；Z為公共負(fù)載；Uo為負(fù)載兩端電壓；IL1，IC1，IL2，IC2分別為兩模塊流經(jīng)濾波電感和濾波電容的電流；IZ1，LZ2分別為兩個(gè)逆變模塊輸出到負(fù)載的電流。
根據(jù)公式推導(dǎo)可以得到逆變器1輸出有功功率和無功功率為P＝UiUosin/ZLQ＝(UiUocos-Uo2)/ZL
由此可以得到各逆變電源輸出的有功功率主要取決于相位角，相位差超前者發(fā)出有功功率，反之吸收有功功率；并聯(lián)逆變器輸出的無功功率則主要取決于輸出的電壓幅值U，幅值高者發(fā)出無功功率，反之吸收有功功率。由無功功率公式可得到ΔQ＝ΔUiUocos/ZR，說明無功功率的變化只與模塊輸出電壓幅值相關(guān)，因此要調(diào)節(jié)無功功率只需根據(jù)Q的大小對(duì)輸出電壓幅值作相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制，即采用功率均衡均流法。
無功功率電流調(diào)節(jié)可以采用功率偏差控制策略。根據(jù)以上均流原理，逆變器模塊檢測(cè)出本模塊的無功功率偏差值，來調(diào)節(jié)本模塊輸出的電壓值，使各個(gè)并聯(lián)逆變器模塊輸出的無功功率相等，達(dá)到均流的目的。具體的電壓調(diào)節(jié)公式為I、根據(jù)每個(gè)模塊的無功功率Qi計(jì)算出ΔQn由ΔQn=Σ1NQi/N-Qn,]]>得ΔQn＝Un-1Δi·sin，N為系統(tǒng)中并聯(lián)模塊總數(shù)，n表示第n個(gè)模塊，為功率因數(shù)。
II、根據(jù)求得的ΔQn的大小和正負(fù)采用如下的公式調(diào)節(jié)輸出電壓Un＝(Un-1-k1ΔQn+k2U*)/(1+k2)其中Un為模塊下一時(shí)刻輸出的電壓(調(diào)整后的輸出值)，Vn-1為上一時(shí)刻模塊的輸出電壓，U*為目標(biāo)輸出電壓，k1、k2分別為調(diào)整系數(shù)，在實(shí)際的調(diào)整過程中，根據(jù)具體情況可設(shè)置不同的組合值。
為了使得每個(gè)并聯(lián)逆變器的電流達(dá)到均等地目的，在每個(gè)并聯(lián)逆變器的控制環(huán)上除了電壓控制環(huán)之外還加了一個(gè)均流環(huán)。請(qǐng)參閱圖3所示，在均流控制中，電流誤差信號(hào)Δi由均流芯片UC3902給出，均流環(huán)采用不完全微分PID控制，以減小由于單個(gè)模塊數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的沖擊。為保證實(shí)際均流的可行性和調(diào)整范圍，采用模糊控制的思想，限定均流實(shí)際輸出的電壓在220±5V內(nèi)，這樣可以保證均流的可靠性。同時(shí)調(diào)整的幅度在2V以內(nèi)，否則會(huì)引起較大的環(huán)流波動(dòng)。
(2)同步控制逆變電源系統(tǒng)中，為抑制模塊間環(huán)流的影響，必須保證各逆變模塊輸出電壓的相位、幅值及頻率的一致性，這是實(shí)現(xiàn)并機(jī)控制的前提。
請(qǐng)參閱圖4所示，本系統(tǒng)的可并聯(lián)逆變器采用自同步和外同步結(jié)合的原理設(shè)計(jì)。上述逆變器采用自同步和外同步方式結(jié)合，即在有外部同步信號(hào)的時(shí)候，逆變器輸出跟蹤電網(wǎng)同步或逆變器監(jiān)控單元給定的信號(hào)同步；在沒有外部同步信號(hào)的時(shí)候，同步母線自動(dòng)切換到自激電路，上述自激電路自激產(chǎn)生一個(gè)50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，保證逆變器監(jiān)控單元出現(xiàn)故障也能夠正常工作。這種同步控制方式即使有某個(gè)模塊因?yàn)楣收蠐p壞不能輸出同步信號(hào)，也不影響并聯(lián)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)同步和外同步相結(jié)合的同步機(jī)制。外部同步信號(hào)是由逆變器監(jiān)控單元產(chǎn)生。逆變器用DSPTMS320F2407A的捕獲單元，通過捕獲同步脈沖，在捕獲中斷程序中完成與市電相位、頻率的同步。
(3)計(jì)算調(diào)制度和輸出SPWM波在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采用事件管理器(假設(shè)EV2)中的1個(gè)全比較單元、通用定時(shí)器3、死區(qū)發(fā)生單元以及輸出邏輯來生成單相四路SPWM波，經(jīng)4個(gè)復(fù)用的I/O引腳輸出。TMS320LF2407A的定時(shí)器有4種工作方式，采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式工作時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)稱的SPWM波輸出。在這種計(jì)數(shù)方式下，計(jì)數(shù)器的值由初值開始向上增計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)T3PR值時(shí)，開始遞減計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)(進(jìn)入中斷服務(wù)程序)又重新向上增計(jì)數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的過程中，計(jì)數(shù)器的值都與比較寄存器CMPRx(x＝4，5)的值作比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值與其相對(duì)應(yīng)的比較寄存器的值相等發(fā)生匹配，則對(duì)應(yīng)的該相方波輸出發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。在每個(gè)載波周期內(nèi)，輸出的方波將發(fā)生兩次電平翻轉(zhuǎn)。只要在每個(gè)三角波載波周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器CMPRx的值，就可實(shí)時(shí)地改變脈沖的占空比，得到完整周期的SPWM脈沖。對(duì)每個(gè)脈沖相對(duì)于載波周期的占空比的計(jì)算是在定時(shí)器的下溢中斷服務(wù)子程序中完成的。
并聯(lián)逆變器軟件在前述硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單機(jī)逆變器的功率輸出、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)同步和均流等功能，根據(jù)各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性要求的不同，安排在不同的程序段完成。對(duì)于同步信號(hào)的跟蹤，要達(dá)到非常高的精度，必須要求具有非常高的實(shí)時(shí)性，所以可并聯(lián)逆變器同步功能的實(shí)現(xiàn)利用中斷程序完成，在中斷程序中實(shí)時(shí)捕獲同步脈沖。在可并聯(lián)逆變器軟件中利用四個(gè)中斷定時(shí)器完成同步功能。在主程序中實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)檢測(cè)和均流算法等功能。
本實(shí)用新型通過以UC3902芯片和DSP TMS320F2407A芯片為例，介紹了一種無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，這不能被認(rèn)為是對(duì)本實(shí)用新型權(quán)利要求的限制。如果本領(lǐng)域的技術(shù)人員依據(jù)本實(shí)用新型作出了非實(shí)質(zhì)性的、顯而易見的改變或改進(jìn)，都應(yīng)該屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于上述系統(tǒng)包括功率處理電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元以及鍵盤顯示電路，所述功率處理電路包括DC/DC升壓電路、全橋逆變電路和輸出濾波電路；所述控制電路分別與驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元、鍵盤顯示電路連接，全橋逆變電路分別與DC/DC升壓電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制電路包括數(shù)字處理芯片、自主均流芯片和同步控制單元、自激電路、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字處理芯片是AT89C52芯片和DSP TMS320F2407A芯片，所述自主均流芯片是UC3902芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制電路還包括可以產(chǎn)生正弦波的自激電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路采用IGBT/MOS驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)包括若干并聯(lián)逆變器，上述逆變器是由全橋逆變電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、DSP TMS320F2407A芯片、UC3902芯片、交流電壓采樣單元、交流電流采樣單元和溫度采樣單元組成，所述逆變器采用自同步和外同步方式結(jié)合，即在有外部同步信號(hào)的時(shí)候，逆變器輸出跟蹤電網(wǎng)同步或逆變器監(jiān)控器給定的信號(hào)同步；在沒有外部同步信號(hào)的時(shí)候，同步母線自動(dòng)切換到自激電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，其特征在于所述逆變器用DSP TMS320F2407A的捕獲單元，通過捕獲同步脈沖且在捕獲中斷程序中完成與市電相位、頻率的同步。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電源逆變領(lǐng)域，尤其涉及一種無主可并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)，包括功率處理電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元以及鍵盤顯示電路，所述功率處理電路包括DC/DC升壓電路、全橋逆變電路和輸出濾波電路；所述控制電路分別與驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、逆變器監(jiān)控單元、鍵盤顯示電路連接，全橋逆變電路分別與DC/DC升壓電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路連接。本系統(tǒng)的可并聯(lián)逆變器采用自同步和外同步結(jié)合的原理設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊和監(jiān)控故障不影響其他模塊正常工作，大大提高了系統(tǒng)可靠性且可實(shí)現(xiàn)N+1逆變單元并聯(lián)擴(kuò)容。
文檔編號(hào)G05F1/10GK2888741SQ20052006461
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者李永富, 李勇 申請(qǐng)人:珠海泰坦科技股份有限公司