逆變器無(wú)線并聯(lián)控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周繼紅，楊維滿

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

逆變器并聯(lián)是提高電源系統(tǒng)容量和可靠性的一種有效方式。目前逆變器并聯(lián)控制技術(shù)有主從控制、3C控制、集中控制、無(wú)互聯(lián)線控制等[1]，而無(wú)線并聯(lián)控制技術(shù)是目前眾多并聯(lián)控制技術(shù)當(dāng)中最理想的一種。在該控制方案中，各臺(tái)逆變器之間沒有互相聯(lián)系的信號(hào)線。控制電路獨(dú)立，各臺(tái)逆變器均采用PQ下垂控制來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出功率均分[2]。

本文基于逆變器技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線并聯(lián)控制方案。這種并聯(lián)控制方案以dsPIC30F3011芯片為核心控制器，結(jié)合系統(tǒng)主電路和相關(guān)控制原理，給出了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)兩臺(tái)逆變器樣機(jī)并聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能夠達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求，并且能夠使輸出功率和負(fù)載電流得到均分。

1 逆變器技術(shù)指標(biāo)

逆變器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。本文根據(jù)此技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一種逆變器無(wú)線并聯(lián)控制系統(tǒng)，并通過樣機(jī)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此控制系統(tǒng)的正確性。

表1 逆變器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Inverter technology index

由于2臺(tái)逆變器的特性不完全相同，因此當(dāng)兩臺(tái)逆變器并聯(lián)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。因此，在并聯(lián)控制軟件編程中，加入PQ下垂控制策略來(lái)抑制系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流。

2 逆變器無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)主電路

逆變器無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)的主電路圖如圖1所示。系統(tǒng)的逆變電路采用單相全橋電壓型逆變電路，輸出采用LC濾波器對(duì)逆變器輸出的SPWM波形進(jìn)行濾波[5]。

圖1 逆變器無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)主電路圖Fig.1 Inverter wireless parallel system main circuit diagram

3 無(wú)線并聯(lián)控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 無(wú)線并聯(lián)控制方案設(shè)計(jì)

逆變器無(wú)線并聯(lián)方案如圖2所示。該方案由2臺(tái)逆變器并聯(lián)而成。系統(tǒng)主要分為：無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)主控制電路、電壓和電流檢測(cè)電路、過電壓保護(hù)電路及隔離驅(qū)動(dòng)電路等。

圖2 逆變器無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)控制方案Fig.2 Inverter wireless parallel system control scheme

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

1）數(shù)字信號(hào)控制器

本文采用微芯公司的dsPIC30F3011單片機(jī)作為無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)的核心控制器。該控制器以高性能的16位單片機(jī)為核心，并且內(nèi)嵌了DSP引擎。這樣不僅保持了單片機(jī)強(qiáng)大的外圍功能模塊，還兼?zhèn)淞薉SP的高速運(yùn)算能力。同時(shí)該控制器具有完善的中斷功能、大容量的存儲(chǔ)器以及2.5~5.5 V的寬工作電壓范圍[6]。

2）電壓、電流檢測(cè)電路

本文采取的電壓電流檢測(cè)方法是霍爾傳感器檢測(cè)法。霍爾傳感器采用LEM公司生產(chǎn)的LV25-P電壓傳感器和LA25-NP電流傳感器。對(duì)于電壓霍爾傳感器，為使霍爾傳感器的輸出由電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通常在電壓霍爾傳感器中接入一個(gè)限流電阻，使其輸入的電流信號(hào)范圍為±14 mA。同時(shí)在電壓霍爾傳感器副邊串入150Ω的測(cè)量電阻，此時(shí)會(huì)測(cè)得為±5.25 V的電壓信號(hào)。電壓電流檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 電壓電流檢測(cè)電路Fig.3 Voltage current detection circuit

3）同步信號(hào)檢測(cè)

在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，需要通過檢測(cè)同步信號(hào)來(lái)控制2臺(tái)逆變器相位，使各臺(tái)逆變器與同步信號(hào)的相位差趨于零時(shí)投入系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用交流母線為系統(tǒng)提供同步信號(hào)。其原理如下：先將逆變器1投入系統(tǒng)運(yùn)行，為交流母線提供交流信號(hào)輸出，逆變器2將此交流信號(hào)作為同步信號(hào)。檢測(cè)電路如圖4所示。交流母線上的交流電壓通過變壓器為各逆變單元提供同步信號(hào)[5]。

圖4 同步信號(hào)檢測(cè)電路Fig.4 Sync signal detection circuit

4）IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路

本文所選用的IGBT驅(qū)動(dòng)器為IR2113驅(qū)動(dòng)芯片，并且在dsPIC30F3011與IR2113之間加入HCLP2530光耦作為主電路與控制電路的隔離元件。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 IGBT drive circuit

5）過電壓保護(hù)電路

系統(tǒng)使用反向施密特觸發(fā)器74HC14和遲滯比較器LM339構(gòu)成過電壓檢測(cè)電路。工作原理為：直流測(cè)輸入電壓通過電壓霍爾傳感器按一定比例轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，若該電壓信號(hào)高于LM339的上門限電壓，則LM339輸出為低電平，然后經(jīng)過74HC14整形后產(chǎn)生一個(gè)下降沿[6]。此時(shí)dsPIC30F3011檢測(cè)到IC8引腳上有邊沿跳變信號(hào)，則將INTCON1寄存器中INTF位置1，進(jìn)入過壓中斷服務(wù)子程序。逆變器主電路停止工作，指示燈亮。過壓故障排除后，按復(fù)位按鈕可重新啟動(dòng)逆變器主電路工作[4]。

3.3 并聯(lián)控制方案軟件實(shí)現(xiàn)

圖6為無(wú)線并聯(lián)控制系統(tǒng)主程序流程圖。由圖可知：1）系統(tǒng)初始化完成后調(diào)用各模塊的初始化子程序，同時(shí)開中斷。2）判斷兩臺(tái)逆變器是否并聯(lián)，若并聯(lián)按鈕沒被按下，逆變處于單機(jī)工作模式；若并聯(lián)按鈕按下，則檢測(cè)有無(wú)同步信號(hào)。3）若檢測(cè)到?jīng)]有同步信號(hào)，說(shuō)明系統(tǒng)交流母線上沒有逆變器工作，此時(shí)閉合固態(tài)繼電器；當(dāng)檢測(cè)到同步信號(hào)時(shí)，則系統(tǒng)通過鎖相控制調(diào)整輸出電壓的相位與交流母線相位同步。4）閉合固態(tài)繼電器，將逆變器投入到并聯(lián)系統(tǒng)當(dāng)中，由PWM脈沖子程序產(chǎn)生逆變器所需的SPWM波。5）兩臺(tái)逆變器并入系統(tǒng)之后，通過PQ下垂控制抑制并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

4 并機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文通過上述對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的軟件及硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建了由兩臺(tái)逆變器樣機(jī)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖7并聯(lián)運(yùn)行后兩臺(tái)逆變器輸出電壓波形，從圖中可以看出逆變器1輸出電壓U1和逆變器2輸出電壓U2達(dá)到同頻同相。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到逆變器1輸出電壓幅值為15.3 V，逆變器2輸出電壓幅值為14.9 V，兩臺(tái)逆變器輸出電壓幅值基本相同。

圖7 并聯(lián)運(yùn)行后兩臺(tái)逆變器的輸出電壓波形Fig.7 Parallel running two table inverter output voltage waveform

圖8為逆變器1運(yùn)行一段時(shí)間后加入逆變器2后逆變器1輸出電流波形。可以看出兩臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行后能夠?qū)崿F(xiàn)均流目的。

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)均流波形Fig.8 Parallel system are current waveform

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種以dsPIC30F3011芯片為核心的逆變器無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)控制方案。這種控制方案中包含電壓電流檢測(cè)電路、同步信號(hào)檢測(cè)電路、過電壓保護(hù)和IGBT隔離驅(qū)動(dòng)電路等。本文以兩臺(tái)逆變器并聯(lián)為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種控制方案能夠達(dá)到逆變器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)并且能使負(fù)載電流得到均分。

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