模塊化并聯均流單相逆變器設計

李 林，謝 明，黃 松

(上海理工大學 機械工程學院,上海200093)

隨著電子技術的發展，電動汽車逐漸擠占了傳統能源汽車的市場份額[1]。逆變器也在新能源、電機控制等領域有著更高更靈活的需求。隨著高壓大功率設備在工業中的廣泛應用[2]，已有的單項逆變和三相逆變器[3]功率大小都要根據不同場合獨自設計使用。超大功率的逆變器不易設計且成本較高，出現故障不易維修替換。針對這些問題，本研究設計了一種模塊化可并聯的逆變器，通過采樣和通信來同步各個逆變器的相位和幅值。模塊化設計降低了設計成本和維修的成本，在不同功率要求的場合靈活地選擇并聯。逆變器通過PID(Proportional Integral Derivative)算法控制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)調制，具有良好的性能參數，可用在具有不同電壓頻率需求的場合[4]。

1 電路結構和工作原理

為驗證逆變器相位同步及均流性能，本文設計模塊化單項逆變樣機進行測試實驗。樣機采用全橋逆變結構，通過隔離采樣和驅動實現逆變功能，為所設計軟件算法和通信搭建實驗平臺。

1.1 逆變電路拓撲

單項逆變器采用標準的全橋電路拓撲。輸入的直流電源經過穩壓電容和濾波電容，再經過4個由4路驅動信號控制的MOSFET構成了單項全橋逆變電路的主電路[5]，再經過LC濾波電路后輸出。

1.2 隔離驅動電路

單片機產生所驅動PWM(Pulse Width Modulation)信號電壓不足以驅動開光管，采用驅動電路將TTL電平升為15 V。在本文中不同開關管的源極不等電位，故將驅動信號進行光耦隔離[6]。本文選用TLP250作為光耦隔離芯片，其內部包含一個GaAlAs發光二極管和一個集成光探測器[7]，適用于IGBT或電力MOSFET柵極驅動。

1.3 隔離采樣電路

采樣電路選擇HCNR201，用于隔離采樣，由一個發光二極管和兩個光電二極管構成。光隔離可保護電路，光電二極管構成的反饋電路也能較好地抑制溫度等工模信號的干擾。

對于交流電壓有效值信息，可通過交流電壓采樣，單片機ADC(Analog-to-Digital Converter)讀取后調用函數計算有效值。本實驗為節省計算資源，通過采用交流電壓，經過精密整流[8]和濾波后得到交流電壓值進行讀取。

2 程序設計

本文為實現模塊化設計[9]靈活并聯，旨在通過控制使主機及從機逆變電壓幅值和相位完全相同。

2.1 主逆變器設計

主逆變器和從逆變器通過建立通信來實現時間同步，進而實現相位同步。通過通信設置相同的電壓幅值，使得輸出電壓幅值相同。最后設置合適的載波頻率和PI系數，使兩個逆變器能夠在同步的前提下獲得較好的穩態性能。

本文的主要研究目的是實現輸出電壓波形的相位同步，其核心方法是主機與從機要周期性的進行相位對齊，因此模塊之間的通信必不可少。由于數字信號傳輸比模擬信號傳輸稍慢[10]，經過試驗測試，模擬信號進行相位信息傳輸有更好的效果。綜上所述，本文采用模擬信號傳輸方式，通過使用單片機DAC(Digital-to-Analog Converter)引腳，以0 V對應零相位，3.3 V對應360°相位進行表示；從機通過識別電壓信息進行相位實時校正。主機函數流程圖如圖1所示。

圖1 主逆變器程序流程圖

2.2 從逆變器設計

從逆變器使用與主逆變器相同的PID算法和系數，使主機和從機輸出電壓有效值相同。從逆變器通過主從機之間的通信得到了主機當前時刻輸出相位信息，根據其信息再對從機的輸出波形進行校正，如圖2所示。綜上即可使從機和主機具有實時的輸出電壓同步和輸出相位同步，同步后的模塊化逆變器即可具有靈活并聯的功能。

圖2 從逆變器程序流程圖

2.3 SPWM調制軟件設計

本文采用PWM技術對電路中開關元器件的導通和關斷進行控制，再通過具體的設定值對其產生的PWM驅動波進行調節，從而改變輸出電壓的大小或頻率[11]。單項逆變電路采用SPWM調制的方案。軟件設計包含主機程序和從機程序兩部分設計調制，均可通過硬件實現。本研究使用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路[12]，用比較器來確定開關器件的通斷時機，即可生成SPWM調制波。

單片機可以通過軟件設置輸出SPWM波進行控制，具體有查表法和計算法。本文實驗使用PID進行控制[13]，所用的STM32F407單片機有足夠的計算能力，可使用直接計算的方法得到實時占空比信息。

2.4 隔離采樣電路

本實驗使用PID控制，采用電壓電流雙環控制方案。電壓環可控制輸出電壓有效值跟隨設定值變化。電流內環通過采樣主從逆變器的電流有效值，再對兩個逆變器驅動波形進行調制，實現電流內環控制[14]，最終達到主機與從機輸出電流有效值相同的功能。兩個調節器共同作用使得整個閉環系統工作穩定[15]。雙閉環程序流程圖如圖3所示。

圖3 雙閉環程序流程圖

3 仿真及實驗驗證

Simulink是MATLAB中的一款仿真工具，能夠進行動態系統的建模、仿真和分析。本文選擇在Simulink搭建仿真模型，驗證前文的分析以及所提出算法的可行性。

3.1 仿真

通過仿真驗證上文中算法，目標參數如表1所示。直流側并聯的穩壓電容具有穩壓、儲能、構造中點等功能。當選取的電容容量過小，穩壓效果不好；電容容量偏大時，會造成系統動態響應變慢，同時變流器的體積與重量增大。綜上，本文選擇1 000 μF的電容穩壓。

表1 逆變器測試參數

逆變器在高頻開關模式工作時，輸出的交流電含有大量的高頻諧波，因此輸出側要加濾波電路提高電能質量。常用的濾波器類型有L、LC、LCL。單電感L濾波器成本低，但濾波效果有限；LC型為低通濾波器，能夠有效抑制高頻信號，穩定性好，動態響應速度快；LCL濾波器集合了L與LC的優勢，但成本高。綜上，本文選取LC型濾波器，以單相電路為例分析。假定電路中的器件都是理想的，為了使濾波后的輸出諧波特性好并避免諧振，LC濾波器的截止頻率fL應為載波頻率fC的1/10～1/5，如式(1)所示。

(1)

如圖4仿真所示，搭建上文中控制算法，仿真中使用外環的電壓環調節輸出電壓幅值，內環使用電流環進行均流控制。根據需要選擇50 Hz作為逆變輸出頻率，基于計算式選擇濾波電容600 μF，電感20 mH，輸入直流電壓30 V，輸出電壓有效值設定為20 V，輸出負載為10 Ω。主從逆變器電流均流運行時電壓波形和電壓有效值波形如圖5所示。由圖5可知主從逆變器的電流波形一致，說明實現了相位同步功能且均流效果良好。

圖4 系統仿真電路圖

圖5 主從逆變器仿真電流波形圖

3.2 實驗驗證

為了驗證理論與實驗的正確性，按照仿真電路搭建實物平臺。首先在輸入電壓為30 V，開關頻率為10 kHz，逆變器輸出有效值20 V/50 Hz的條件下進行并聯測試實驗。實驗結果顯示兩個逆變器的電壓相位同步性能良好。檢測兩逆變器手粗電流波形如圖6所示，可以看到主從逆變器在并聯之后的電壓幅值和相位完全一致，而且也具有不錯的均流效果，驗證了上文所述的控制及通訊模型，證明其可以實現期望模塊化并聯功能。

圖6 實驗結果圖

4 結束語

本文先確定使用SPWM全橋逆變電路作為開放實驗平臺，介紹樣機各個電路的設計及元件選型。逆變電路使用全控性開關器件，并設計優化了PI參數選擇，使其具有高質量的動態性能。通過MATLAB仿真可以看到逆變電路具有響應速度快和穩態性能好的優勢。本文研究重點在于多臺逆變電路的同步控制，使用并驗證了不同的通信方法，最后采用通信方式和調制手段，使多個逆變器并聯可以實現高度的同步和均流功能。本文根據電力電子理論、控制理論并結合仿真和實驗驗證，成功地在兩臺實驗樣機上實現了可以隨意靈活并聯使用的功能，滿足了不同功率等級場合的需求[16]。本研究不僅解決了大功率逆變器設計復雜且成本高的問題，還在更換維修上減少了成本。采用本文方法可以穩定可靠地并聯使用模塊化的逆變器進行工作。在未來，可在并聯同步的同時，實施載波的錯位和占空比隨機微調的處理方法，達到減少諧波的目的。