一种基于DSP的逆变电源并联运行控制系统

       随着社会经济和科学技术的迅猛发展，人们对电源系统的供电质量和可靠性提出了越来越高的要求。采用模块化的逆变器并联运行而构成的电源系统，由于具有高可靠性、大容量的特点，不仅有良好的可维护性和通用性，还可以灵活地组建各种功率容量的系统；而且模块化便于生产的规模化和降低成本，因此其应用前景也越来越广泛。

　　在多个逆变器的并联运行控制中，不仅需要对每个逆变器的运行参数（如输入电压、中间变量、输出电压和电流等）进行大量的数据采集和实时处理，还要在各逆变器之间进行数据通讯和相应的处理，因而对控制器提出了比较高的性能要求。数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）由于具有高速、强大的数据处理能力、丰富的内部资源和方便灵活的外部接口，近年来在很多领域获得了越来越广泛的应用。我们在参考了大量国内外文献资料的基础上，采用TI公司的DSP产品TMS320LF2407A芯片，对基于DSP的逆变器并联运行控制系统的实现进行了研究，开发了专用的控制系统并进行了实验。实验结果表明，该系统能够较好地实现各个并联逆变器的输出同步和负载均分。

　　1. 逆变器并联运行系统的原理和结构

　　1.1 多个逆变器并联运行的条件逆变器是将直流电转换成交流电的电能变换器。
    多个逆变器并联运行的必要条件是各个逆变器的交流输出电压要保持严格地同频率、同相位、等幅值。只有满足这些条件，才能够使负载电流和功率在各个逆变器之间均衡分配。然而，在现实条件下，由于不同逆变器之间存在的各种参数差异，以及各种干扰的影响都在所难免，从而会在各个逆变器之间产生环流，导致负载分配不均恒，甚至烧毁逆变器。因而必须对每个逆变器的运行进行严格的控制，有效地抑制环流，才能达到良好的并联运行效果。其中最主要的是对输出电压的相位和幅值两个方面的控制。理论分析表明[1]：在输出电压和输出阻抗一定的条件下，并联运行的多逆变器供电系统中，各逆变器输出的无功功率差仅取决于它们的输出电压的幅值差；各逆变器输出的有功功率差则主要取决于它们的输出电压的相位差，而且很小的相位差即可引起很大的有功功率的不均衡。以此为依据，我们的控制系统的主要控制任务就是控制逆变器的输出电压幅值和相位。

　　1.2 系统的结构
　　首先，48V直流输入电压经DC/DC变换，成为220V、100Hz半波正弦脉动直流电压，再经过逆变桥进行逐个周期的倒相，成为标准的50Hz正弦交流电压，最后经输出继电器输出。在整个工作过程中，DSP控制器除了为DC/DC变换器提供标准的半正弦波基准信号外，还检测每一步变换的输入、输出参数是否正常，并做出相应的控制操作。
　　各逆变器的输入采用公共的48V直流电源，输出端直接并接在一起向负载供电。不同逆变器之间通过同步并机母线和CAN通信母线连接起来，实现同步信息和运行参数的交流。

　　1.3 并联运行系统的工作原理
　　本系统采用了改进的主从同步控制策略[2]和按输出电流偏差控制的均流控制策略。
　　逆变器上电运行以后，首先进行同步控制。DSP控制器检测同步并机线上是否已经有其它逆变器（称为主模块）发出的同步控制信号。此同步信号是一个与输出母线上的交流输出电压同相位的方波信号。如果发现了同步信号，则DSP控制器按照该同步信号规定的时序，向逆变器中的DC/DC变换器发出相应相位的基准半正弦波信号，控制逆变器的运行时序。此后，在每个周期的开始时刻都要检测该同步信号的上升沿，从而使逆变器保持与该同步信号严格一致的频率和相位运行。如果系统上电后，经过一定时间（大约100ms）的检测仍未发现其它逆变器发出的同步信号，则逆变器将按照程序中事先设定的时序运行，并且在每个周期的开始时刻向同步并机线上发出自己的同步信号，使自己成为主模块，同时也保证输出为稳定的220V、50Hz交流电。
　　当多个逆变器组成的系统一起上电运行时，在各逆变器之间通过竞争机制产生主模块，即最早发出同步信号的逆变器将成为主模块。它发出的同步信号将成为各逆变器运行的时序依据。这样就形成了一种各个逆变器的软、硬件完全一样，因而彼此平等，而多个逆变器并联运行时又会形成主、从分别的“改进的主从并联运行控制策略”。在此基础上，应用粗调与精调相结合的方法，实现了各并联运行逆变器之间的理想的同步效果[4]。理论计算表明，各模块间的同步误差小于0.02°；实验结果也证实该了各模块之间的同步效果非常好，同步误差几乎无法测出。
　　同步控制正常以后，DSP控制器检测本模块的运行参数，比如输入电压、DC/DC变换的输出电压以及逆变桥的输出电压是否正常。如果正常，则打开输出继电器，为负载供电。然后，检测输出电流是否超出额定值。如果没有发生过流，则将本模块的电压、电流等运行参数通过CAN总线发送出去，供其它模块接收。然后延时等待3mS，以便从CAN总线上接收其它模块的运行参数。通过合理的设置，DSP内嵌的CAN模块能够保证这些数据的可靠传输。
　　本控制器采用按输出电流偏差控制的均流控制策略。在本系统中，由于同步问题得到了很好的解决，因而可以将输出电流偏差△In直接作为输出电压幅值的控制依据，通过比例积分控制算法，实现各模块的输出均衡。具体方法是：通过CAN总线使每个逆变器都获得其它逆变器的输出电流数据，将各逆变器的负载电流之和IL除以正在运行的逆变器数n得到各逆变器的平均输出电流I，用它作为逆变器输出电流的给定值，把它与各逆变器自己的输出电流In之差△In作为控制依据，通过PI控制，使△In最小。

　　1.4 并联运行控制系统的软件结构
　　软件系统按照完成的功能划分，主要由主程序和中断服务程序构成。主程序除了完成系统的初始化、数据处理、传输和逆变器运行控制外，最主要的就是进行均流控制。中断服务程序则主要实现同步控制和数据的采集等功能。

　　2. TMS320LF2407A数字信号处理器(DSP)介绍

　　在本系统中，我们采用了德州仪器公司的数字信号处理器TMS320LF2407A。TMS320系列DSP的体系结构是专为实时信号处理而设计的，它将实时处理能力与控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案[3]。本系统使用的2407A是16位定点数字信号处理器产品，它具有以下特点：

　　30MIPS的执行速度，使指令周期达到了33ns从而保证了控制器的实时控制能力；
　　两个事件管理器模块，其中每个都包括两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM）通道、3个捕获单元以及16通道10位A/D转换器；
　　控制器区域网络（CAN）2.0B模块；
　　40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚；等等。
　　TMS320LF2407A强大的实时数据处理能力、丰富的内部资源和方便灵活的可编程外设接口，为我们的逆变器并联运行控制系统提供了良好的硬件基础。
　　本系统中的DSP控制器的结构，主要由2407A芯片及其外围元件、D/A转换器、外接的程序存贮器和接口电路组成。

　　3. 并机运行效果

　　我们用三台逆变器组成并联运行系统系统，分别对阻性负载、容性负载、感性负载和整流性负载进行了并机调试和实验，取得了令人满意的结果。逆变器参数如下：
　　输入电压：40~57V DC；输出电压：220V±5% 50Hz AC ；输出功率：3000VA；输出频率：47~51 Hz ；

　　部分实验结果如下：
　　（1）公共负载为阻性负载时，三台逆变电源的输出电流特性如下(由于使用的是双踪示波器，故每次只能同时显示两台逆变电源)：
　　改变负载大小时均流情况的变化如下表：

　　表1: 逆变模块均流变化情况（阻性负载）
　　测试项目 1组 2组 3组 4组
　　输出电压（v） 219 220 220 220
　　输出总电流(A) 3 10 25 40
　　模块1电流(A) 0.8 3.5 8.4 13.6
　　模块2电流(A) 1.2 3.5 8.5 13.3
　　模块3电流(A) 1 3.0 8.1 13.1
　　均流误差 (A) 0.4 0.5 0.4 0.5

　　（2）公共负载为容性负载时，两台逆变电源的输出电流特性：
　　说明：两台逆变模块并联时，带容性负载（功率因数Q=0.8），总电流15.3A，1号模块输出电流7.5A, 2号模块输出电流7.75A。

　　（3）公共负载为感性负载时，两台逆变电源的输出电流特性：
　　说明：双机并联、感性负载（功率因数Q=0.6）、电流波形，总电流：7.55A

　　（4）公共负载为整流性负载时，两台逆变电源的输出电流特性：
　　从上面的实验结果可以看出：本逆变器并联运行电源系统可以较好地实现功率均分。不论是在线性负载时还是在非线性负载（整流性负载）时都可以保持相当好地供电质量，输出电流的波形畸变也很小，额定负载均流的相对误差小于0.5A，可见系统内的环流影响较小。

　　4. 结论

　　理论上说，逆变器并联运行的条件是各模块的输出电压保持严格的同频、同相、等幅。如果不同模块的输出间存在相位和/或幅度的差异，就会引起它们之间的有功和/或无功环流。利用DSP器件提供的高速信息处理能力，结合适当的软件算法，采用改进的主从同步控制策略和按功率偏差的均流控制策略，能够较好地解决逆变器并联运行时面临的主要问题，实现逆变器的并联运行。