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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,只有有效地抑制環(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[1]。理論分析表明:輸出電壓和輸出阻抗一定的時(shí)候,在并聯(lián)運(yùn)行的多逆變器供電系統(tǒng)中,各逆變器輸出的無(wú)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)
正常市電時(shí),110V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(guò)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(guò)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。本系統(tǒng)電路(圖1)為三相逆變電路,主電路是典型的AC—DC—AC逆變電路,將輸入的三相交流電(頻率是400Hz,電壓208V)經(jīng)整流、濾波后供給逆變器輸出三相交流電,頻率是50Hz,再經(jīng)隔離變壓器變成380 V的交流電。隔離變壓器另一路輸出經(jīng)過(guò)A/D變換反饋到2407A芯片,2407A芯片輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路,控制逆變器輸出參數(shù),見(jiàn)圖1。
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(kāi)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(guò)一定時(shí)間(大約100 ms)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(kāi)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(guò)競(jìng)爭(zhēng)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。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)了各模塊之間的同步效果非常好,同步誤差幾乎無(wú)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(kāi)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(méi)有發(fā)生過(guò)流,則將本模塊的電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)通過(guò)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(guò)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。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(wèn)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(guò)比例積分控制算法,實(shí)現(xiàn)各模塊的輸出均衡。
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。
在本系統(tǒng)中,采用了TI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。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具有強(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。
