一種基于DSP的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行控制系統(tǒng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性提出了越來越高的要求。采用模塊化的逆變器并聯(lián)運(yùn)行而構(gòu)成的電源系統(tǒng)，由于具有高可靠性、大容量的特點(diǎn)，不僅有良好的可維護(hù)性和通用性，還可以靈活地組建各種功率容量的系統(tǒng)；而且模塊化便于生產(chǎn)的規(guī)模化和降低成本，因此其應(yīng)用前景也越來越廣泛。

在多個(gè)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行控制中，不僅需要對(duì)每個(gè)逆變器的運(yùn)行參數(shù)（如輸入電壓、中間變量、輸出電壓和電流等）進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理，還要在各逆變器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和相應(yīng)的處理，因而對(duì)控制器提出了比較高的性能要求。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor,DSP）由于具有高速、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源和方便靈活的外部接口，近年來在很多領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。我們?cè)趨⒖剂舜罅繃鴥?nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，采用TI公司的DSP產(chǎn)品TMS320LF2407A芯片，對(duì)基于DSP的逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，開發(fā)了

專用的控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)各個(gè)并聯(lián)逆變器的輸出同步和負(fù)載均分。

1. 逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

1.1 多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的條件

逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電能變換器。多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的必要條件是各個(gè)逆變器的交流輸出電壓要保持嚴(yán)格地同頻率、同相位、等幅值。只有滿足這些條件，才能夠使負(fù)載電流和功率在各個(gè)逆變器之間均衡分配。然而，在現(xiàn)實(shí)條件下，由于不同逆變器之間存在的各種參數(shù)差異，以及各種干擾的影響都在所難免，從而會(huì)在各個(gè)逆變器之間產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致負(fù)載分配不均恒，甚至燒毀逆變器。因而必須對(duì)每個(gè)逆變器的運(yùn)行進(jìn)行嚴(yán)格的控制，有效地抑制環(huán)流，才能達(dá)到良好的并聯(lián)運(yùn)行效果。其中最主要的是對(duì)輸出電壓的相位和幅值兩個(gè)方面的控制。理論分析表明[1]：在輸出電壓和輸出阻抗一定的條件下，并聯(lián)運(yùn)行的多逆變器供電系統(tǒng)中，各逆變器輸出的無功功率差僅取決于它們的輸出電壓的幅值差；各逆變器輸出的有功功率差則主要取決于它們的輸出電壓的相位差，而且很小的相位差即可引起很大的有功功率的不均衡。以此為依據(jù)，我們的控制系統(tǒng)的主要控制任務(wù)就是控制逆變器的輸出電壓幅值和相位。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

首先，48V直流輸入電壓經(jīng)DC/DC變換，成為220V、100Hz半波正弦脈動(dòng)直流電壓，再經(jīng)過逆變橋進(jìn)行逐個(gè)周期的倒相，成為標(biāo)準(zhǔn)的50Hz正弦交流電壓，最后經(jīng)輸出繼電器輸出。在整個(gè)工作過程中，DSP控制器除了為DC/DC變換器提供標(biāo)準(zhǔn)的半正弦波基準(zhǔn)信號(hào)外，還檢測(cè)每一步變換的輸入、輸出參數(shù)是否正常，并做出相應(yīng)的控制操作。

各逆變器的輸入采用公共的48V直流電源，輸出端直接并接在一起向負(fù)載供電。不同逆變器之間通過同步并機(jī)母線和CAN通信母線連接起來，實(shí)現(xiàn)同步信息和運(yùn)行參數(shù)的交流。

1.3 并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)采用了改進(jìn)的主從同步控制策略[2]和按輸出電流偏差控制的均流控制策略。

逆變器上電運(yùn)行以后，首先進(jìn)行同步控制。DSP控制器檢測(cè)同步并機(jī)線上是否已經(jīng)有其它逆變器（稱為主模塊）發(fā)出的同步控制信號(hào)。此同步信號(hào)是一個(gè)與輸出母線上的交流輸出電壓同相位的方波信號(hào)。如果發(fā)現(xiàn)了同步信號(hào)，則DSP控制器按照該同步信號(hào)規(guī)定的時(shí)序，向逆變器中的DC/DC變換器發(fā)出相應(yīng)相位的基準(zhǔn)半正弦波信號(hào)，控制逆變器的運(yùn)行時(shí)序。此后，在每個(gè)周期的開始時(shí)刻都要檢測(cè)該同步信號(hào)的上升沿，從而使逆變器保持與該同步信號(hào)嚴(yán)格一致的頻率和相位運(yùn)行。如果系統(tǒng)上電后，經(jīng)過一定時(shí)間（大約100ms）的檢測(cè)仍未發(fā)現(xiàn)其它逆變器發(fā)出的同步信號(hào)，則逆變器將按照程序中事先設(shè)定的時(shí)序運(yùn)行，并且在每個(gè)周期的開始時(shí)刻向同步并機(jī)線上發(fā)出自己的同步信號(hào)，使自己成為主模塊，同時(shí)也保證輸出為穩(wěn)定的220V、50Hz交流電。

當(dāng)多個(gè)逆變器組成的系統(tǒng)一起上電運(yùn)行時(shí)，在各逆變器之間通過競(jìng)爭機(jī)制產(chǎn)生主模塊，即最早發(fā)出同步信號(hào)的逆變器將成為主模塊。它發(fā)出的同步信號(hào)將成為各逆變器運(yùn)行的時(shí)序依據(jù)。這樣就形成了一種各個(gè)逆變器的軟、硬件完全一樣，因而彼此平等，而多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)又會(huì)形成主、從分別的“改進(jìn)的主從并聯(lián)運(yùn)行控制策略”。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用粗調(diào)與精調(diào)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了各并聯(lián)運(yùn)行逆變器之間的理想的同步效果[4]。理論計(jì)算表明，各模塊間的同步誤差小于0.02°；實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)該了各模塊之間的同步效果非常好，同步誤差幾乎無法測(cè)出。

同步控制正常以后，DSP控制器檢測(cè)本模塊的運(yùn)行參數(shù)，比如輸入電壓、DC/DC變換的輸出電壓以及逆變橋的輸出電壓是否正常。如果正常，則打開輸出繼電器，為負(fù)載供電。然后，檢測(cè)輸出電流是否超出額定值。如果沒有發(fā)生過流，則將本模塊的電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)通過CAN總線發(fā)送出去，供其它模塊接收。然后延時(shí)等待3mS，以便從CAN總線上接收其它模塊的運(yùn)行參數(shù)。通過合理的設(shè)置，DSP內(nèi)嵌的CAN模塊能夠保證這些數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

&nbs

p; 本控制器采用按輸出電流偏差控制的均流控制策略。在本系統(tǒng)中，由于同步問題得到了很好的解決，因而可以將輸出電流偏差△In直接作為輸出電壓幅值的控制依據(jù)，通過比例積分控制算法，實(shí)現(xiàn)各模塊的輸出均衡。具體方法是：通過CAN總線使每個(gè)逆變器都獲得其它逆變器的輸出電流數(shù)據(jù)，將各逆變器的負(fù)載電流之和IL除以正在運(yùn)行的逆變器數(shù)n得到各逆變器的平均輸出電流I，用它作為逆變器輸出電流的給定值，把它與各逆變器自己的輸出電流In之差△In作為控制依據(jù)，通過PI控制，使△In最小。

1.4 并聯(lián)運(yùn)行控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)按照完成的功能劃分，主要由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序除了完成系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)處理、傳輸和逆變器運(yùn)行控制外，最主要的就是進(jìn)行均流控制。中斷服務(wù)程序則主要實(shí)現(xiàn)同步控制和數(shù)據(jù)的采集等功能。

2. TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)介紹

在本系統(tǒng)中，我們采用了德州儀器公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A。TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，它將實(shí)時(shí)處理能力與控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案[3]。本系統(tǒng)使用的2407A是16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)品，它具有以下特點(diǎn)：

30MIPS的執(zhí)行速度，使指令周期達(dá)到了33ns從而保證了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；

兩個(gè)事件管理器模塊，其中每個(gè)都包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道、3個(gè)捕獲單元以及16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器；

控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）2.0B模塊；

40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳；等等。

TMS320LF2407A強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力、豐富的內(nèi)部資源和方便靈活的可編程外設(shè)接口，為我們的逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制系統(tǒng)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)中的DSP控制器的結(jié)構(gòu)，主要由2407A芯片及其外圍元件、D/A轉(zhuǎn)換器、外接的程序存貯器和接口電路組成。

3. 并機(jī)運(yùn)行效果

我們用三臺(tái)逆變器組成并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)系統(tǒng)，分別對(duì)阻性負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載和整流性負(fù)載進(jìn)行了并機(jī)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，取得了令人滿意的結(jié)果。逆變器參數(shù)如下：

輸入電壓：40~57V DC ；
輸出電壓：220V±5% 50Hz AC ；

輸出功率：3000VA ；
輸出頻率：47~51 Hz ；

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）公共負(fù)載為阻性負(fù)載時(shí)，三臺(tái)逆變電源的輸出電流特性如下(由于使用的是雙蹤示波器，故每次只能同時(shí)顯示兩臺(tái)逆變電源)：

改變負(fù)載大小時(shí)均流情況的變化如下表：

表1: 逆變模塊均流變化情況（阻性負(fù)載）
測(cè)試項(xiàng)目 1組 2組 3組 4組
輸出電壓（v） 219 220 220 220
輸出總電流(A) 3 10 25 40
&

nbsp; 模塊1