基于CAN總線的逆變電源分布式并聯控制

柳彬 蔡凱 孫朝暉 徐正喜

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

交流穩定電源使用的逆變電源，除了要求具有比較好的輸出性能指標外，還要求具有比較高的可靠性。以兩臺或多臺逆變電源并聯組成供電系統，共同分擔電網負荷，是提高電網容量的一種有效途徑[1,2]。采用分布式并聯控制技術的逆變電源，每臺逆變電源在并聯系統中作用等同，各自獨立工作，依靠互聯線進行信息交換或綜合，對自身的輸出電壓幅值、頻率和相位進行調節，最終實現負載均分。

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網，其最大特點是對通信數據進行編碼，其優點是網內的節點個數在理論上不受限制，還可使不同的節點同時接收相同的數據，因此非常適用于逆變電源分布式并聯系統[3]。

本文提出了一種基于 CAN總線的逆變電源分布式并聯控制方案，采用該方案的并聯系統中的各逆變電源通過 CAN總線與其他逆變電源進行信息交換，具有速度快、可靠性高、擴展性好、抗干擾性強等優點，系統性能優良。

1 逆變電源并聯等效模型

逆變電源并聯運行理想狀況是并聯的逆變電源輸出特性完全一致，對交流電源來說，即輸出電壓的幅值相同，頻率和相位一致。實際上，由于器件參數的分散性，這一點是很難做到的。由于各逆變電源輸出特性的差異，形成了并聯系統中的環流。環流是并聯系統難以正常運行的關鍵所在。逆變電源的并聯特性分析可以從兩臺逆變電源并聯等效模型得到，如圖1所示。

圖1 兩臺逆變電源并聯等效模型

其中 r1、r2為逆變電源輸出等效電阻，L1、L2、C1、C2分別為濾波電感和濾波電容，U1、U2為逆變橋臂輸出的電壓，Z為負載（可為阻性、容性、感性或非線性等）。設 L1=L2=L，C1=C2=C，r1=r2=r。U1和U2輸出為SPWM波，電感電流i1和i2為逆變電源的輸出。

由圖1可以得出：

一般情況下r＜＜Z，可得：

則并聯系統中環流為：

通過該并聯環流的表達式我們可以得到如下結論：環流?H的相位、幅值大小由兩臺逆變電源的電壓矢量差、等效輸出阻抗r+jωL確定，與負載Z無關。在實際電路系統中，由于r+jωL僅僅為線路阻抗，值非常小，當兩臺并聯的電源輸出電壓存在矢量差˙時，將在并聯電源的輸出端形成較大的電流，該電流流通在并聯電源之間，形成環流。進一步地，當ωL＞＞r時，電壓幅值差主要造成了電源之間的無功環流，相位差主要造成了電源之間的有功環流。

2 逆變電源分布式并聯控制

逆變電源的并聯控制方式主要包括三大類，即：集中控制方式、主從控制方式和分布式控制方式[1,2]。這些控制方式都是通過某一特定邏輯單元或各并聯模塊之間相互傳遞均分負荷信息，在確知總的負載信息或某一并聯綜合信息的前提下對逆變電源的輸出進行調節，實現并聯系統的穩定運行。

逆變電源分布式并聯控制方式，相對于集中控制方式，由于沒有集中控制單元，更易實現擴展和冗余；相對于主從控制方式，由于分布式控制方式中每臺逆變電源地位的均等性，其中任何一臺失效都不會影響到并聯系統的正常運行，大大提高了并聯系統的可靠性。一種逆變電源分布式并聯控制原理如圖2所示。

圖2 逆變電源分布式并聯控制框圖

圖2表示了逆變電源分布式并聯控制系統中某一臺逆變電源的并聯控制過程。逆變電源在獲取了并聯系統中其它逆變電源的有功功率和無功功率信息后，和本機計算得到的功率信息一起進行綜合，得到并聯系統中每臺逆變電源應輸出的有功功率和無功功率指令。通過功率調節器，將功率差轉化為逆變電源輸出的幅值和相位（頻率）的變化量，疊加到逆變電源的指令上，從而影響逆變電源的輸出，最終使得各臺逆變電源的有功功率和無功功率實現均分。圖2中采用了有功功率閉環調節電壓相位（頻率），無功功率閉環調節電壓幅值的控制方式。

3 基于CAN總線通訊的信息交換方式

逆變電源分布式并聯控制系統中，逆變電源之間的信息交換可以通過多種方式進行，可以是脈寬方式進行邏輯綜合或者是模擬信號方式求均值，也可以通過通訊方式進行。本文提出了一種基于 CAN總線通訊的并聯信息交換方式，與其它通信總線相比，CAN總線具有多主運行和分散仲裁以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可以在各節點之間實現自由通信。

并聯系統中的各逆變電源將各自的并聯信息用數字形式，采用總線廣播方式發送到 CAN總線上，每臺逆變電源均能接收到其它單元的并聯信息，包括功率、設備狀態、開關量以及通訊正常指示等信息，然后將接收到的功率信息進行綜合，解耦出本機輸出的電壓調節量和相位調節量，進行并聯控制。圖3顯示了基于CAN總線的逆變電源分布式并聯控制框圖。

圖3 基于CAN總線的逆變電源分布式并聯控制框圖

圖4 CAN總線接口電路

CAN總線收發器采用 PHILIPS公司的總線接口芯片PCA82C250，接口電路圖如圖4所示。

4 試驗結果

由兩臺三相逆變電源組成分布式并聯系統，在此基礎上進行了試驗驗證。逆變電源并聯控制CAN總線每一個基波周期（20 ms）發送和接收一次數據，CAN總線通訊波特率選擇250 kbps。兩機并聯條件下CAN總線波形如圖5所示。

兩機并聯時分別由兩臺設備發送到總線的兩個數據幀如圖6所示。試驗中數據幀為標準幀格式，其中數據段為8個字節64位，數據幀還包括ID段、控制段和CRC段等，共108位，因此每幀長度為1/250 k×108=432 μs。兩機并聯輸出電壓和電流波形如圖7所示，輸出電壓為380V 50 Hz，輸出總電流為260 A，兩機各承擔130 A電流，其中環流iH不大于30 A，并聯系統性能優良。

圖5 兩機并聯CAN總線波形

圖6 CAN總線波形展開圖

圖7 兩機并聯輸出電壓和電流波形

5 結論

以兩臺或多臺逆變電源組成供電系統，并聯冗余運行，共同分擔電網負荷，在提高電網容量的同時也提高了供電系統的可靠性。

本文提出的基于 CAN總線的逆變電源分布式并聯控制方案，解決了分布式并聯系統中各并聯單元之間的信息交換問題。CAN總線協議具有速度快、可靠性高、擴展性好、抗干擾性強等優點，并且很容易嵌入到逆變電源數字控制系統中。該控制方案可以擴展到多臺逆變電源組成的并聯系統中，擴容簡便，可移植性強，具有很好的工程應用前景。

[1]陳宏, 胡育文. 逆變電源并聯技術[J]. 電工技術學報, 2002, 17(5)： 55～59.

[2]李杰, 王武等. UPS逆變電源的并聯控制技術綜述[J]. 通信電源技術, 2005(8)： 7～10.

[3]王曉寰, 張純江等. 現場總線控制的單相逆變電源并聯系統[J]. 電工技術學報, 2007(10)： 109～112.

[4]段善旭, 康勇, 陳堅. UPS模塊化電源系統并聯控制策略分析[J]. 電工技術雜志, 2004, 26(1)： 46～50.

[5]段善旭, 劉邦銀等. 基于分散邏輯的 UPS逆變電源并聯控制技術[J]. 電力電子技術, 2004(2)： 56～58.