基于ＤＳＰ的高頻鏈并聯逆變器設計

摘要:介紹一種基于DSP的高頻鏈軟開關逆變器并聯控制系統#65377;該控制系統主電路采用高頻鏈軟開關拓撲結構，控制部分采用改進的PQ控制和基于電流分解的無連線并聯控制相結合，從而有效的解決在非線性負載時均流效果差的缺陷#65377;仿真波形表明該并聯逆變器具有良好的性能#65377;

關鍵詞:高頻鏈;無連線;并聯;非線性負載

中圖分類號:TM464文獻標識碼:A

1引言

當今電源變換技術發展的核心技術是各電源模塊的并聯#65377;與集中式的供電系統相比， 基于分布式的供電系統是多個電源模塊并聯工作，每一模塊平均負擔負載功率，熱應力和電應力大大降低，開關頻率可以提高，可從根本上提高可靠性和功率密度，降低成本#65377;同時也便于構成N+1冗余并聯系統#65377;

高頻化是開關變換技術重要的發展方向#65377;應用高頻鏈技術可以使得開關變換器(特別是變壓器#65380;電磁等磁元件和電容)的體積#65380;重量大為減小，并且可以消除變壓器和電感的音頻噪聲#65377;采用軟開關技術大大減小了開關器件在開關過程中的損耗， 使緩沖電路成為多余，從而使得逆變器的變換效率更高#65377;

本文結合高頻鏈逆變技術#65380;軟開關技術#65380;恒頻移相控制技術#65380;SPWM控制技術，提出了一種基于DSP的恒頻移相高頻鏈逆變電路#65377;該電路最大限度的實現軟開關特性的同時，也解決了周波變換器開關換流時的電壓尖峰問題[1]#65377;同時采用改進的PQ法和基于電流分解的無連線并聯技術[6]可以實現并聯逆變器模塊間無信號線的連接，因此使得并聯系統模塊間相對完全獨立，更易實現冗余系統#65377;并且系統對線性和非線性負載都有很好的適應性#65377;

2系統結構

2.1主電路結構拓撲設計

圖1是基于DSP的恒頻移相高頻鏈逆變電路原理圖，包括主電路和控制電路2部分#65377;主電路的前級部分主要包括濾波整流#65380;諧振式全橋移相電路和高頻變壓器#65377;后級部分主要由周波變換器和輸出低通濾波器組成#65377;

Q1-Q4組成按SPWM 規律進行移相控制的高頻逆變器，采用單極性移相控制方式很好的解決了周波變換器開關換流時的電壓尖峰問題#65377;同時利用開關二極管代替飽和電感使得變換器更易實現軟開關，變換效率更高#65377;高頻逆變器和周波變換器之間的高頻變壓器，起電源側與負載側電壓匹配及兩側電氣隔離的作用#65377;Q5，Q6組成周波變換器，將高頻的交流電壓脈沖低頻解調成單極性的SPWM波，經輸出濾波器濾波后輸出正弦電壓UO供給負載#65377;

傳統的諧振式全橋移相ZVS-PWM變換器是利用功率MOS管的輸出電容和輸出變壓器的漏電感作為諧振元件，使FB PWM變換器四個開關管依次在零電壓導通，實現恒頻軟開關(FB ZVS-PWM)#65377;由于減少了過程損耗，可保證FB ZVS-PWM變換器效率達80%-90%，并且不會發生開關應力過大的問題#65377;然而這種結構的PWM變換器美中不足的就是滯后橋臂不易滿足ZVS條件#65377;在此基礎上，我們引入了FB ZVZCS-PWM變換器，它的依據是:在變壓器原邊串連一個飽和電感，當電流到達零以后，在一小段時間內將電流鉗在零值，以避免開通時電容釋放的能量加大開通損耗，從而做到超前橋臂仍是零電壓開通，而滯后橋臂開關零電流關斷#65377;而理想的飽和電感的作用相當于一個開關二極管，因此可用2個開關二極管代替飽和電感接在主電路中(左#65380;右橋臂之間)#65377;如圖1#65377;

圖1高頻鏈無連線逆變器系統框圖

2.2控制電路設計

控制電路設計主要包括輸出電感電流的分解的設計#65380;改進PQ法的設計#65380;電壓電流雙閉環的設計以及SPWM信號的產生幾大部分#65377;

在輸出端對電感電流和輸出電壓進行采樣，并且把電感電流分解成與輸出電壓同相位的有功電流分量和與輸出電壓滯后90°相位的無功電流分量，就可以得到有功功率和無功功率，應用改進的PQ法得到電壓參考值，通過采樣電壓與參考電壓的比較得到電壓誤差信號，經過PI控制器以后得到電流的參考值，然后與采樣電流比較得到電流誤差信號，電流誤差信號經過P控制器后得到調制波信號Ue1，調制波與三角載波比較后得到SPWM信號#65377;見圖1#65377;

上述控制策略中，把電感電流進行分解可以更好的適應非線性負載#65377;采用改進的PQ法可以保證并聯逆變器有好的均流效果的同時也有好的動態特性#65377;而在電流內環之外還設置電壓外環的目的在于對不同負載實現參考電流幅值的自動控制#65377;這種控制策略既保證輸出電壓有好的穩定性能，又保證系統有較快的動態響應性能#65377;

單極性移相控制[2]實現SPWM信號原理如圖2所示#65377;

圖2SPWM信號的產生原理圖[JZ)]

Ue1與載波Uc比較后得到信號K1，K1再下降沿2分頻，得到高頻脈沖交流環節逆變器功率開關Q1的控制信號，爾后反相互補得到功率開關Q3的控制信號;Ue1的反值信號Ue2與載波Uc比較后得到信號K2，K2再下降沿2分頻，得到高頻脈沖交流環節逆變器功率開關Q2的控制信號，爾后反相互補得到功率開關Q4的控制信號;將載波Uc下降沿2分頻，得到功率開關Q5的控制信號，爾后反相互補 得到功率開關Q6的控制信號#65377;

3逆變器無連線并聯控制技術

目前的無連線并聯方案都是基于下垂理論而發展的[3]，因為輸出電壓的相位變化影響其輸出有功功率的變化，而輸出電壓的幅值變化則改變其輸出的無功功率#65377;并且相位超前越多的模塊，輸出的有功功率也越大，幅值越大的模塊，輸出的無功功率則越大#65377;因而，如果要控制逆變器輸出的有功功率和無功功率只需通過調節逆變器的輸出電壓的幅值和相位即可，一般通過調節輸出電壓的頻率來改變輸出電壓的相位，進而調節逆變器的輸出有功功率#65377;這就是經典PQ法的基本思想，它通過檢測模塊的有功功率P和無功功率來調節輸出幅值與相位而達到均流目的[4]#65377;

3.1改進的PQ法

對于并聯系統來說，有兩點非常重要，一是穩定后的均流誤差，越小越好，理論值為0#65377;還有一點則是動態性能，主要表現為如下幾個方面:啟動波形，即有一臺新的逆變器并入時各逆變器電流響應;退出波形，即一臺并入的逆變器突然退出，比如由于故障或保護等原因，各逆變器電流響應;并聯后負載切換時各逆變器的電流響應#65377;這幾點中以啟動波形受影響最為明顯，實驗證明如果系統動態性能不好，啟動過程中會有一段時間的振蕩，而這是經典PQ法無法克服的困難#65377;因此通過對經典PQ法進行改進選用了下面的控制方程式[5]:上式(1)#65380;(2)中積分項的引入既改善了系統的穩定性，同時對非線性負載也有一個好的均流效果#65377;而微分項的引入更是改善了系統的動態相應性#65377;圖(3)是它實現的方框圖#65377;圖3改進PQ法實現方框圖

3.2基于電流分解的無連線并聯

從上式可以看出，PQ法中有功功率和無功功率的計算采用的是電壓電流相移法:有功功率P=輸出電流IO×輸出電壓VO無功功率Q=輸出電流IO相移90°×輸出電壓VO 實際上對于非線性負載來說上述計算是不對的，它計算的前提是系統必須是線性的，而當電壓型逆變器的負載是非線性時，其輸出電流應該由直流分量，有功電流分量，無功電流分量以及諧波分量4部分組成[6]:

定義P=VIp#65380;Q=VIq #65377;因此通過這種電流分解以后系統就不再受非線性負載的影響了#65377;具體做法如下:將(3)式擴展得到式(4)從式(5)可以看出，式中的直流成分是與有功電流的幅值IP成正比，因此，可以使用一個低通濾波器(其頻率低于ω)來獲得IP，這就是我們所需預測的有功電流的幅值，將它乘以與電壓同相位的單位正弦，就可獲得瞬時有功電流的預測值ip(t)，再從實測的負載電流中減去預測的有功電流ip(t)，就可得到需要的參考電流iF(t)#65377;同理也可得到無功電流分量 #65377;電流分解示意圖如下圖4所示:

圖4電流分解示意圖

4系統仿真

利用MATLAB-SIMULINK軟件對系統進行了仿真，仿真主要技術參數如表1:表1主要技術參數參數數值參數數值輸入電壓220VQ-V下垂系數(比例)1e-4 v/var輸出電壓220VQ-V下垂系數(微分)5e-7 V.s/Var額定功率1KWP-ω下垂系統(比例)2e-5rad/w電壓電流采樣頻率10KP-ω下垂系統(積分)1e-4rad/(w.s)輸出頻率50HZP-ω下垂系統(微分)5e-7(rad.s)/w隔直電容2uf諧振二極管(高頻)DESI30-04A穩態時輸出電壓波形如下圖5所示#65377; 圖5穩態時輸出電壓波形圖(x軸:0.1s/div)

為了測試系統的均流效果，在2臺逆變器并聯一段時間后突然退出一臺#65377;其中圖6表示一直在工作的那臺逆變器的電流波形#65377;圖7表示的是逆變器的環流(I1-I2)波形圖#65377;通過波形圖證明了系統具有很好的均流效果#65377;

5結論

本文通過在分布式供電系統中引入高頻鏈軟開關拓撲結構，完全實現滯后臂的軟開關#65377;并且采用改進的PQ算法#65377;在經典PQ算法的基礎上增加了微分和積分環節，使系統的動態響應更好#65377;而基于電流分解的無連線并聯方案更好的解決了非線性負載很難做到較好均流效果的難題#65377;采用高性能的DSP對并聯逆變器進行檢測，控制和故障診斷，保護及報警，實現負載均流和輸出同步#65377;而仿真結果也顯示出系統可以很好的適應線性和非線性負載#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。