可並聯工作的正弦波逆變器及控制方法
2023-06-02 22:59:41
專利名稱：可並聯工作的正弦波逆變器及控制方法
技術領域：
本發明屬於正弦波逆變器並聯控制技術領域，特別涉及至單相和三相正弦 波逆變器、單相和三相在線式不間斷電源(UPS)等並聯工作的方法和實現技術。
二背景技術：
已有的一種可以並聯工作的正弦波逆變器的控制框圖如圖1所示，包括由 逆變電路組成的功率單元和逆變控制單元兩部分，逆變控制單元主要包括電壓 採樣及整形電路、輸出電壓採樣電路、基準正弦信號發生器、電壓調節器及驅
動控制電路；其特徵在於，還包括連接在該電壓採樣及整形電路和基準正弦信 號發生器之間的同步控制單元及用於與外部相連的同步母線，以及與電壓調節 器輸入端相連的由環流傳感器、求和電路及與外部相連的均流母線組成的控制 環節；該同步控制單元用於消除並聯繫統中由於各逆變器的基準電壓信號之間 的相位差造成的環流；該控制環節與電壓調節器共同作用，實現均流與逆變控 制。
採用上述結構的多個正弦波逆變器可組成並聯繫統。圖2所示為己有的逆 變器並聯繫統結構框圖。並聯運行時，各逆變器之間的連接除了功率輸入、功 率輸出外，還包括通信母線中的同步母線和均流母線的對應連接。通過並聯控 制母線和相應的控制電路，實現了具有良好的動態和穩態均流特性、允許熱插 拔的逆變器並聯繫統。
同步控制單元根據電壓採樣及整形電路產生的市電相位信號^"。c、同步母 線上各逆變器共享的基準相位信號t^產生本逆變器的基準正弦相位信號"申， "，始終與共享的基準相位信號"A保持同步，因此各逆變器的基準正弦信號都 是同頻同相的。逆變器的輸入市電正常時，^/u^c、 "a、"，均同頻同相。在逆 變器投入、退出並聯繫統的過程中，由於各逆變器的"^信號都保持同步，當 其中任何一個逆變器關機時，"A信號便自動由其餘逆變器的"，信號生成，"d信號並沒有任何變化；當一臺逆變器投入並聯繫統時，其同步控制單元判斷本 逆變器的w申信號與t^同步之後才允許"申信號輸出，不影響"d信號。就同 步控制部分而言，並聯繫統中的逆變器器是允許熱插拔的。
該並聯方案的主要不足之處是各並聯逆變器方波同步信號的同頻同相控制 必須通過各逆變器之間的兩根信號互連線來完成，信號互連線的存在仍增加了 系統的硬體複雜性，降低了系統的可靠性。
發明內容
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種無需信號互連線、 通信抗擾性強、可靠性高的可應用於正弦波逆變器的並聯控制的逆變器。
一種可並聯工作的正弦波逆變器，包括逆變電路和逆變控制電路，其特徵 在於，所述逆變控制電路包括電力線、電壓採樣及整形電路、電力線通信PLC 晶片及PLC外圍電路、PLC及同步控制數位訊號處理器DSP、逆變及均流控制 數位訊號處理器DSP、驅動控制電路、輸出電壓採樣電路、輸出電流採樣電路。 上述各組成電路及器件的相互連接關係是，輸入端連於負載的電力線的輸出端 連於電壓採樣及整形電路的輸入，電壓採樣及整形電路的輸出經PLC及同步控 制數位訊號處理器DSP連於逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的輸入，逆 變及均流控制數位訊號處理器DSP的輸出連於與逆變電路輸入端相連的驅動控 制電路輸入端；電力線通信PLC晶片及PLC外圍電路的輸入端與電力線雙向 相連，電力線通信PLC晶片及PLC外圍電路的輸出端與PLC及同步控制數字 信號處理器DSP的輸入雙向相連；PLC及同步控制數位訊號處理器DSP與逆 變及均流控制數位訊號處理器DSP經CAN總線雙向相連；與逆變電路的輸出 端相連的輸出電壓採樣電路、輸出電流採樣電路均連於逆變及均流控制數字信 號處理器DSP的輸入。
一種可並聯工作的正弦波逆變器的控制方法，其特徵在於，PLC及同步控 制數位訊號處理器DSP的功能塊中的同步控制單元首先根據PLC通信控制單 元和電力線傳輸的其它逆變模塊的電壓基準正弦信號的頻率、相位信息調節本 模塊的基準正弦信號的頻率，實現各模塊的電壓基準正弦信號保持同頻同相， 在此基礎上，再由逆變及均流控制數位訊號處理器DSP根據PLC及同步控制數位訊號處理器DSP提供的電壓基準相位信號、以及並聯繫統中各逆變模塊的 輸出功率差異信息產生電壓基準正弦信號，輸出功率差異信息是由逆變及均流 控制數位訊號處理器DSP的功能塊中的功率差計算單元根據本模塊中的功率計 算單元利用輸出電壓採樣電路和輸出電流採樣電路採樣的輸出電壓和輸出電流 算得的本模塊輸出功率信息、以及經CAN總線通信從PLC及同步控制數字信 號處理器DSP中得到的通過PLC通信傳遞的其它逆變模塊的輸出功率信息進 行運算而獲得的，利用功率差計算單元得到的輸出功率差異信息分別微調電壓 基準正弦信號的幅度給定值、來自PLC及同步控制數位訊號處理器DSP的電 壓基準相位信號的相位，再經逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的功能塊中 的乘法器在各逆變模塊中產生同頻、同相、同幅的電壓基準正弦信號，實現並 聯繫統的均流控制。
本發明的特點和技術效果
1. 無需信號互連線，通信抗擾性強，可靠性高；
2. 適用於逆變器並聯繫統，尤其適用於在線式不間斷電源UPS的並聯控制 系統；
3. 將逆變器並聯運行控制解耦成基準同步控制和輸出均流控制，首先實現 同步控制，在此基礎上，再進行均流控制；
4. 基於PLC方式在並聯繫統各逆變器之間進行信息傳遞，通過PLC及同 步控制數位訊號處理器DSP產生頻率相同、相位基本一致的基準正弦相位信號；
5. 逆變及均流控制數位訊號處理器DSP通過PLC通信得到本逆變器輸出 功率與並聯繫統平均輸出功率的差異，根據功率差異微調基準的相位和幅度實 現負載的均分；
6. 並聯繫統中的逆變器是允許熱插拔的。
四
圖1是已有的逆變器並聯繫統解耦控制原理框圖； 圖2是已有的逆變器並聯時的系統結構框圖3是本發明的可並聯工作的逆變器及在線式不間斷電源原理框圖； 圖4是本發明的逆變器並聯時的系統結構框圖；圖5是本發明的基於PLC的同步控制器功能框圖； 圖6是本發明的基於PLC的均流控制器功能框圖； 圖7是本發明的同步控制器實施例結構圖8是本發明的實施例雙機並聯運行的穩態實驗結果，其中圖8(a)為空載 輸出，圖8(b)為帶載輸出；
圖9是本發明的實施例雙機並聯繫統熱插拔時的實驗結果，其中圖9(a)為 第2臺逆變器投入並聯，圖9(b)為第2臺逆變器退出並聯。
五具體實施例方式
本發明的可並聯工作的逆變器及在線式不間斷電源UPS原理框圖如圖3所 示。圖中，PLC及同步控制數位訊號處理器DSP控制電力線通信PLC晶片及 其外圍電路經UPS總輸出端的電力線實現各逆變器之間的信息傳遞，為同步控 制和基於功率差調節的均流控制提供調節的依據。各逆變器的PLC及同步控制 數位訊號處理器DSP輸出的基準相位信號"，保持同頻同相，作為逆變及均流 控制數位訊號處理器DSP的輸入信號。逆變及均流控制數位訊號處理器DSP 的功能是控制逆變器輸出正弦波電壓，並且在並聯運行時控制負載電流在各並 聯逆變器之間的均分。兩塊DSP之間還經過CAN總線連接，交換的信息包括 本逆變器輸出的有功功率屍、無功功率g，以及經PLC傳遞的其它逆變器的輸 出功率信息P'、 0'，由逆變及均流控制數位訊號處理器DSP計算得到本逆變器 輸出功率與逆變器並聯繫統平均輸出功率的差異AP、 A2，分別利用AP、 對本逆變器基準正弦相位信號m申、基準正弦幅度f/^進行微調，克服逆變器元 件參數差異和同步調節精度對負載均分的影響，實現均流控制。
本發明的基於PLC和PQ調節的逆變器組成的並聯繫統結構框圖如圖4所 示，各逆變器之間的連接除了功率輸入、功率輸出外，沒有任何信號互連線。
本發明的基於PLC的同步控制器的組成如圖5所示，主要由PLC控制芯 片及其外圍控制電路、電力線、PLC及同步控制數位訊號處理器DSP、電壓採 樣及整形電路組成。PLC及同步控制數位訊號處理器DSP控制電力線通信PLC 晶片的初始化和數據收發。當PLC電路發送數據時，電力線通信PLC晶片將 PLC及同步控制數位訊號處理器DSP傳送過來的數據進行格式轉換和擴頻調製，其輸出信號經功率放大器、耦合電路耦合到電力線電壓信號上，此時其它 逆變器的PLC電路處於數據接收狀態，電力線上的疊加了數據信息的電壓信號 經耦合電路、帶通濾波器、前級放大器進入電力線通信PLC晶片，再經電力線 通信PLC晶片進行解調，由電力線通信PLC晶片傳送到PLC及同步控制數字 信號處理器DSP，由此完成一次數據的發送和接收過程。電壓採樣及整形電路 將電力線上的電壓相位信號^;^輸出到PLC及同步控制數位訊號處理器DSP 中的同步控制單元，該單元綜合&^信號、本逆變器的基準頻率基準相位伊"
其它逆變器的基準頻率y;'、基準相位爐:產生與其它逆變器同頻同相的方波同步
信號即基準相位信號"w ，作為逆變及均流控制數位訊號處理器DSP中基準相 位調節單元的輸入。PLC及同步控制數位訊號處理器DSP中的PLC通信控制 單元與CAN通信模塊之間雙向連接，傳輸的信號包括輸出有功功率、輸出無功 功率等，CAN通信模塊中還包含CAN收發控制器，該收發控制器與逆變及均 流控制數位訊號處理器DSP中的CAN收發控制器雙向連接，如圖6、圖7所 示。
在基於PLC的同步控制器作用下，各逆變器產生的基準相位信號"^總是 同頻同相，從而各正弦基準信號"^都是同頻同相的。由於各逆變器的"，信號 均保持同步，因此當其中任何一個逆變器關機時，其它逆變器的"，信號的頻 率和相位沒有任何變化；當一臺逆變器投入並聯繫統時，其同步控制單元判斷 本逆變器的"，信號與其它逆變器的基準相位信號同步之後才允許",^信號輸 出，不影響其它逆變器"^信號的頻率和相位。因此，就基於PLC的同步控制
部分而言，並聯繫統中的逆變器是允許熱插拔的。
本發明的基於PLC和PQ調節的均流控制器的組成如圖6所示，逆變及均 流控制數位訊號處理器DSP經CAN總線與PLC及同步控制數位訊號處理器 DSP連接，逆變及均流控制數位訊號處理器DSP將根據本逆變器輸出電壓採樣 信號"。/、輸出電流採樣信號^算得的輸出有功功率戶、無功功率g發送到PLC 及同步控制數位訊號處理器DSP，從PLC及同步控制數位訊號處理器DSP接 收通過PLC通信得到的其它逆變器的輸出功率信息戶'、0'，計算得到本逆變器 輸出功率與逆變器並聯繫統平均輸出功率的差異AP、 Ag，分別利用AP、 對本逆變器基準正弦相位信號"申、基準正弦幅度U，進行微調，克服逆變器元件參數差異和同步調節精度對負載均分的影響。逆變及均流控制數位訊號處理 器DSP根據有功功率差AF信息，對PLC及同步控制數位訊號處理器DSP提
供的基準相位信息"申信號進行微調，得到實際的基準相位信號"；，再與經過
基準幅度調節單元處理過的基準幅度f4進行乘法運算，產生本逆變器的電壓基
準正弦信號"^，實現均流控制。
本發明的一種實施例為可冗餘並聯工作的逆變器，並聯繫統由兩臺逆變器 組成，該逆變器的同步調節電路結構框圖如圖7所示。
本實施例的基於PLC的同步控制器結構如圖7所示，採用的PLC及同步 控制數位訊號處理器DSP是TI公司的TMS320LF2407晶片、電力線通信PLC 晶片為北京智源利和公司的電力線載波擴頻通信晶片SC1128。圖7中，CAP_1、 CAP_2、 CAP一3為2407晶片6個捕獲輸入引腳中的任意3個，分別捕獲市電 電壓相位信號&"。c、輸出電壓相位信號^^—TO、 SC1128的第37引腳SYN即發 射/接收同步端輸出的同步信號。1/0—1、 1/0—2、 1/0—3、 1/0—4、 1/0—5、 1/0—6 為2407晶片41個通用I/O引腳中的任意6個，2407的1/0—1、 1/0—2、 I/O—3 分別與SC1128的第40引腳SETCLK、第41引腳CS、第39引腳LINE對應連 接，實現對SC1128的初始化設置；2407的CAP—3、 1/0—4、 1/0—5分別與SC1128 的第37引腳SYN、第36引腳SR、第38引腳TX對應連接，實現對SC1128 的數據發送和接收控制；從2407的1/0—6輸出基準相位信號"申，作為逆變及 均流控制數位訊號處理器DSP產生基準正弦信號"^的相位參考。SC1128分別 通過第13引腳V-、第24引腳SEND接收、發送經處理後的數據信息。
本實施例的同步控制單元的調節算法主要包括頻率調節和相位調節兩部 分，以1#逆變器為例。頻率調節部分，若判斷1#機基準相位信號"^a的頻率 大於標準頻率，則減小",^的頻率；若判斷",^的頻率小於標準頻率，則增大
的頻率；若判斷的頻率與標準頻率非常接近，則保持的頻率不變。 相位調節部分，若判斷"^a的相位超前2弁機基準相位信號"，2的相位，則減小 t/申i的頻率；若判斷",^的相位滯後"，2的相位，則增大"^a的頻率；若判斷 "，i的相位與"申2的相位非常接近，則保持"w a的頻率不變。
本實施例的均流控制部分的基準相位調節原理為若算得的有功功率差 為較大的正值，則減小基準相位信號"，的頻率；若算得的AP為較小的負值，則增大"，的頻率；若算得的AP絕對值較小，則保持"，的頻率不變。本實施 例的均流控制部分的基準幅度調節原理為若算得的無功功率差為較大的 正值，則減小基準正弦幅度C/，；若算得的A0為較小的負值，則增大t/，；若 算得的A0絕對值較小，則保持t/，不變。本實施例的逆變器雙機並聯繫統穩態輸出波形如圖8所示，圖中，Mcl、 "。2 分別為半實際逆變器1#機、2#機的輸出電壓，/。" /。2分別為1#機、2#機的輸出 電流採樣信號，它們的採樣極性與實際輸出電流的極性相反。負載為51Q功率 電阻。兩逆變器輸出電流較為接近，表明它們的有功功率、無功功率的一致性 較好。本實施例的逆變器雙機並聯繫統熱插拔過程中的輸出波形如圖9所示，圖 9(a)為1#機帶510載性負載輸出，2#機投入並聯瞬間的輸出波形；圖9(b)為兩 臺帶51Q載性負載並聯運行，2#機退出並聯的瞬態波形。採用上述並聯控制方 法時，逆變器並聯繫統具有熱插拔的特性。
權利要求
1. 一種可並聯工作的正弦波逆變器，包括逆變電路和逆變控制電路，其特徵在於，所述逆變控制電路包括電力線、電壓採樣及整形電路、電力線通信PLC晶片及PLC外圍電路、PLC及同步控制數位訊號處理器DSP、逆變及均流控制數位訊號處理器DSP、驅動控制電路、輸出電壓採樣電路、輸出電流採樣電路，上述各組成電路及器件的相互連接關係是，輸入端連於負載的電力線的輸出端連於電壓採樣及整形電路的輸入，電壓採樣及整形電路的輸出經PLC及同步控制數位訊號處理器DSP連於逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的輸入，逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的輸出連於與逆變電路輸入端相連的驅動控制電路輸入端；電力線通信PLC晶片及PLC外圍電路的輸入端與電力線雙向相連，電力線通信PLC晶片及PLC外圍電路的輸出端與PLC及同步控制數位訊號處理器DSP的輸入雙向相連；PLC及同步控制數位訊號處理器DSP與逆變及均流控制數位訊號處理器DSP經CAN總線雙向相連；與逆變電路的輸出端相連的輸出電壓採樣電路、輸出電流採樣電路均連於逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的輸入。
2、 根據權利要求1所述的可並聯工作的正弦波逆變器，其特徵在於PLC 及同步控制數位訊號處理器DSP的功能塊中包括同步控制單元、PLC通信控制 單元，其中與電壓採樣及整形電路的輸出端相連的同步控制單元的輸出端連於 逆變及均流控制數位訊號處理器DSP功能塊中的基準相位調節單元的輸入端， 同步控制單元的輸入端與PLC通信控制單元的輸出端雙向相連，與電力線通信 PLC晶片及PLC外圍電路輸出端雙向相連的PLC通信控制單元的輸出端經 CAN總線與逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的CAN總線雙向相連。
3、 根據權利要求1所述的可並聯工作的正弦波逆變器，其特徵在於逆變及 均流控制數位訊號處理器DSP的功能塊中包括基準相位調節單元、乘法器、基 準與輸出求和單元、電壓調節器、PWM信號產生單元、功率計算單元、功率 差計算單元、基準幅度求和單元，其中與PLC及同步控制數位訊號處理器DSP的同步控制單元的輸出端相連的基準相位調節單元的輸出端連於乘法器的輸 入，乘法器的輸出端、輸出電壓採樣電路的輸出端分別連於基準與輸出求和單 元的兩個輸入端，基準與輸出求和單元的輸出經電壓調節器連於與驅動控制電 路輸入端相連的PWM信號產生單元的輸入端；輸出電壓採樣電路的輸出還連 於功率計算單元的輸入端；與輸出電流採樣電路的輸出端相連的功率計算單元 的輸出連於功率差計算單元的輸入端，功率差計算單元的輸出連於基準相位調 節單元的輸入端，功率差計算單元的輸入端與功率計算單元的輸出端均經CAN 總線與PLC及同步控制數位訊號處理器DSP的PLC通信控制單元的輸出端雙 向相連；基準幅度給定、功率差計算單元的輸出分別連於基準幅度求和單元的 兩個輸入端，基準幅度求和單元的輸出與乘法器輸入相連。
4、 一種基於權利要求1所述的可並聯工作的正弦波逆變器的控制方法，其 特徵在於，PLC及同步控制數位訊號處理器DSP的功能塊中的同步控制單元首 先根據PLC通信控制單元和電力線通信PLC晶片及其外圍電路及電力線傳輸 的其它逆變器的電壓基準正弦相位信號的頻率和相位信息調節本逆變器的基準 正弦相位信號"申的頻率，實現各逆變器的電壓基準正弦相位信號保持同頻同 相；在此基礎上，再由逆變及均流控制數位訊號處理器DSP根據PLC及同步 控制數位訊號處理器DSP提供的電壓基準相位信號"，以及並聯繫統中各逆變 器的輸出功率差異信號AP和產生電壓基準正弦信號輸出功率差異信 號AP和是由逆變及均流控制數位訊號處理器DSP的功能塊中的功率差計 算單元根據功率計算單元算得的本逆變器輸出功率信息/>和g、以及經CAN 總線通信由PLC及同步控制數位訊號處理器DSP提供的其它逆變器的輸出功 率信息P'和g'進行運算而獲得的;本逆變器輸出功率信息戶和0是由功率計算 單元根據輸出電壓採樣電路和輸出電流採樣電路採樣的輸出電壓"。/和輸出電 流/。/計算得到的；其它逆變器的輸出功率信息P'和^'是由PLC及同步控制數 字信號處理器DSP中的PLC通信控制單元和電力線通信PLC晶片及其外圍電 路及電力線傳輸得到的；利用功率差計算單元得到的輸出功率差異信息Ag、 AP 分別微調電壓基準正弦信號的幅度給定值f/^、來自PLC及同步控制數位訊號 處理器DSP的電壓基準相位信號"申的相位，再經逆變及均流控制數位訊號處 理器DSP的功能塊中的乘法器在各逆變器中產生同頻、同相、同幅的電壓基準正弦信號"^/;電壓基準正弦信號"^與輸出電壓採樣電路輸出的電壓採樣信號 "。/經求和電路進行減法運算得到誤差信號，再將誤差信號依次經過電壓調節器、 PWM信號產生單元加到驅動控制電路的輸入端，驅動控制電路的輸出端與逆 變電路的輸入端相連，實現逆變器的正弦波電壓輸出控制和並聯繫統的均流控 制。
全文摘要
一種可並聯工作的正弦波逆變器及控制方法，屬正弦波逆變器。包括逆變電路和逆變控制電路，其中逆變控制電路包括PLC晶片及其外圍控制電路、電力線、PLC及同步控制DSP、逆變及均流控制DSP、電壓採樣及整形電路、輸出電壓採樣電路、輸出電流採樣電路、驅動控制電路。PLC及同步控制DSP調節各逆變器電壓基準正弦信號保持同頻同相，在此基礎上，逆變及均流控制DSP再根據本逆變器輸出功率和經PLC通信得到的其它逆變器輸出功率計算功率差，利用功率差分別微調基準信號的相位和幅度，實現均流控制。本發明無需信號互連線、通信抗擾性強、可靠性高，應用於正弦波逆變器無信號互連線控制系統，實現各逆變器的完全電氣隔離和熱插拔。
文檔編號H02M7/493GK101291116SQ20081012368
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月23日 優先權日2008年5月23日
發明者何中一, 祁飈傑, 巖 邢 申請人:南京航空航天大學