基于DSP的逆变电源并联系统的研究

基于DSP的逆变电源并联系统的研究检测时间：2015-05-2104:51:44本科毕业论文二级学院机械与电子工程学院专业电气工程及其自动化年级2011级学号学生姓名指导教师职称硕士研究生完成时间2015年04月25日目录TOC\o1-3\h\u摘要1引言21逆变器并联运行原理及功率运算方式的选择21.1逆变器并联运行原理21.2功率运算方式的选择42逆变电源多模块并联控制方法及选择72.1逆变电源并联方案72.2逆变电源并联方案的选择113并联系统的运行特性分析113.1并联系统的环流特性113.2逆变电源并联系统的功率特性133.3并联系统的电压闭环特性154功率均衡控制理论164.1功率均衡控制实现并联的原理164.2分散逻辑的均衡控制175基于DSP的逆变电源并联系统分析和设计185.1单逆变电源模块分析与硬件设计185.2控制部分的电路设计和分析205.3模块间并联控制部分的设计215.4控制算法说明245.5并联系统的同步控制265.6主程序设计275.7并联系统的仿真296总结32参考文献33Abstract34致谢35基于DSP的逆变电源并联系统的研究作者苏胜指导教师朱思思摘要：近年来随着电力行业的发展，电能需求不断增加，对电力转换装置的容量、可靠性、灵活性要求越来越高，电力电子技术的相关理论不断深入发展使需求成为可能。本文介绍了一种基于DSP的逆变电源并联系统的数字化控制技术的实现方法。逆变电源并联技术通过DSP数字化控制可以使系统更加小型化，容量扩大化，可靠性高，组装灵活。文中首先对逆变电源并联系统原理进行介绍，通过比较选择系统控制方式，进而分析了逆变电源模块并联的过程中环流的成因，通过对环流的认知，针对其进行抑制。文中控制的部分主要利用DSP的优越性，以其为中枢，对并联系统的相关参数进行测量，并对采样参数进行运算分析，发出调节、控制信号，实现功率均衡分配，实现减少电源的无功损耗的目的。关键词：DSP；逆变电源；并联系统；功率损耗引言在传统的逆变器并联系统中存在较多的不足，在控制方面多采用模拟控制技术，由于控制部分电路较为复杂，使用的元器件多，导致电源的体积大，功率损耗增加，元件容易老化，可靠性较低；并联的逆变器特性难统一，容易产生环流，为抑制环流增大电感降低了逆变电源的输出精度；硬件电路设计调整僵硬，无法灵活组装。近年来，由于DSP(数字信号处理器)具有运算能力强、编程灵活、功率损耗低、通信能力强等特点，被广泛的运用到多种行业。随着自动化生产的普及，精细化加工程度高，对电源系统的供电要求也有所提高。电源系统并联技术主要解决模块化逆变电源的并联运行中存在的问题，使并联顺利进行。通过并联技术，当负载变动需要扩大电源容量时，可以灵活的增加逆变模块达到扩容的目的，而且在电源系统需要维护时，也方便简单。正是由于其优越的性能，使其能广泛的运用的各个领域。由于模块化设计有易于系统重组和灵活性高等优点，因此，并联结构适合采用模块化设计。为改善各个逆变器模块的均流效果，各国学者提出了双环控制策略。国内外比较主流的有主从控制结构（MSC—masterslavecontrol）,基于功率均分的逆变电源并联控制策略、基于分散逻辑控制的改进型逆变电源并联均流控制策略。1逆变器并联运行原理及功率运算方式的选择1.1逆变器并联运行原理逆变器并联顾名思义就是多个逆变器一起并联运行，通过并联达到扩容的目的,顺利并联的条件是各逆变单元输出电压同频、同相、同幅值。当各逆变模块并联运行处于理想的工作状态时，能均衡分配各个逆变模块之间的负载电流和功率。然而，在逆变电源并联系统实际运行过程中，不同逆变模块间不可避免的受到电路参数差异、电压瞬时值不相等、负载变换等诸多因素的干扰，在电路中产生电压差，系统中生成环流，对相关功率器件及输出滤波器造成一定的破坏，情况严重时甚至烧毁逆变器。因此必须解决各并联模块输出电压的同步与均流控制问题。理论分析表明[1]：当输出电压和输出阻抗一定时，如果模块间的输出电压存在相位差，则会引起有功功率的不均衡，对此可知，主要的控制对象是逆变器输出电压的相位和幅值。以下简明分析一下两台逆变模块并联运行情况。图1逆变电源的等效电路其中：，代表两个逆变电源的输出PWM波形的基波电压；而、EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT、EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT分别代表两个逆变电源的输出滤波器；Z为公共负载。根据参考文献列出以下电路基本方程：（1-1）当==C，EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT=EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT=L时，式(1-1)可简化为：(1-2)由此推出：(1-3)由以上三个方程可以解得：(1-4)由式1-4可以看出，,EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT由两部分电流组成，一部分为负载电流量，一部分为环流分量。负载电流分量总是平衡的(在输出滤波器相同时)，但环流分量的存在使各逆变器输出的总电流不相同。当，EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT同相时，电压高的环流分量是容性，电压低的环流分量是感性。当，EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT幅值相等时，相位超前者环流分量为正有功分量(输出有功)；相位滞后的环流分量为负有有功分量(吸收有功)。在，EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT即不同相又不相等时，环流分量既有无功部分，又有有功部分。通过以上论述可知，为保证逆变电源顺利并联，则需注意一下几点[2]：(1)并联运行时，各逆变模块电压保持同步，才能使逆变模块输出的有功相等。(2)并联运行时，当各逆变模块输出电压只有幅值不相同时，逆变模块将输出含有无功环流分量的电流，逆变模块工作出现异常。(3)在逆变电源中输出正弦交流电压和电流，实时控制逆变电源均流较为困难。1.2功率运算方式的选择在系统中，各模块收集到的各种数据需要经过一定的公式计算才输送出结果，而关于交流采样以及相关数据的计算有的常见算法：积分和法和离散傅立叶变换法。由于控制要求精准，需要选取适合的计算方法提高系统性能。1.2.1积分和法在电压、电流的正弦波信号的每个周期T采样N点，得到采样序列、EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT，则通过计算公式可求出有效电压和有效电流电流。EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT(1-5)关于功率的计算：有功功率：视在功率：无功功率：对于积分和法，为提高运算精度，可以在不影响芯片运算的基础上增加采样点，通常设置几百个采样点。在系统中，由于电力信号不断波动，同时可能存在基波、谐波等干扰因素，同步采样较为困难，从而带来非同步误差，使测量精度下降。下式是非同步误差模型：(1-6)由(1-6)可以看出非同步采样误差与失步度和计算首点有关，失步度越大误差越大，为提高运算精度，要减小失步度EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT，同时使计算首点EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT近似有效值Y时，可得到较小非同步采样误差。由于积分和法具有实时性强，算法简单，能够计及信号中高次谐波的影响等，在某些系统不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选用此算法。1.2.2离散傅立叶变换算法在一些对采样要求比较高的场合，随着先到电子技术发展，特别是DSP技术的广泛应用，应用离算傅立叶变换法进行交流采样计算，相比积分和法的优势越来越明显。首先说明FFT计算结果的物理意义：交流电的周期作为采样周期，以为例，频率的分辨率，采样频率EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT，谱的分析范围为EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT，由FFT运算后的计算结果，为原始模拟信号频谱的每个50Hz的等间隔采样，即X(0)、X(1)、…X(N)依次代表：直流分量，基波分量，…(N/2-1)次谐波分量。设对每周期的均匀同步采样N点，得到序列对EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT作FFT变换。(1-7)由于(1-8)积分离散得(1-9)由式(5-3)(5-4)和(5-5)得出(1-10)第k次谐波电压的有效值和相角EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT为(1-11)电压的有效值、电流有效值EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT分别为EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT(1-12)同理，对于有功功率若将v(t)、i(t)分别用傅立叶级数表示再展开，并由正弦函数的正交性，可得：(1-13)离散傅立叶算法具有具有计算能力强、滤波能力强等有点。主要体现当系统收集到各次谐波的参数值时可以通过分析计算，得到各次谐波分量，进而求出总的电参数；由于其良好的滤波能力，不需加装滤波原件，从而减少了前向通道误差和系统成本，用于对谐波分析比较合适。不足的地方是其算法复杂，运算量大，计算花费的时间高于积分和法。傅立叶算法周期采样点数一般为32点、64点或128点，当系统受到扰动使输出波形畸变严重时就可能产生较大误差。本系统中考虑到实时性要求较高，积分法算法简单，系统采用了积分法进行了交流采样。离散傅立叶变换可以较好地滤除采样信号中的一些高次谐波干扰，可用于谐波分析。两种算法相互补充，进一步提高系统的性能。2逆变电源多模块并联控制方法及选择本文分别对集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线独立控制等四种控制策略[3]进行介绍。2.1逆变电源并联方案(1)集中控制方式集中控制方式主要分为公共的同步模块、均流模块和锁相环电路模块。公共的同步模块类似于将军，对各并联模块发号施令(同步信号)，锁相环电路模块用来保证其输出电压参数与同步信号同步，公共均流模块将检测出的控制系统的总负载电流，得到(为系统中并联逆变模块的个数)，并将作为各台逆变电源模块的电流基准值，EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT将与各逆变电源模块检测自身的实际输出电流EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT相互比较其电流求出电流偏差EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT。通过模块中的锁相环减小模块间的输出电压相位差，当其差值小于一定时，可以认为各单元的偏差是因为各模块输出的电压幅值的不相同导致的，系统运行过程中为消除电流的不平衡，可以直接把电流偏差EMBEDEquation.KSEE3\*MERGEFORMAT作为电压指令的补偿量发送到各逆变模块中。集中控制的框图如图2所示及分析可知集中控制方式的优势在于结构较为简单，均流效果较好，劣势在于当公共控制电路异常时，电路无法正常工作，可靠性低。图2集中控制系统框图(2)主从控制方式主从控制方式顾名思义，由一个主模块控制多个从模块,主从模块的配置是相同的，都有有独立的控制器，主模块出现异常，从模块也有成为主模块的可能。如下图7所示，其工作方式为主模块控制作为中枢，支配整个并联系统的输出控制信息，从模块接收信息对输出电流进行控制来使负载均分。逆变器的检测模块信息来源于负载电流作为参考电流，同时给从模块发出指令。因为从模块的输出电流接收负载电流反馈信息，其输出电压频率与负载电流相同，因此系统的同步控制不需要通过锁相环电路来实现，具有较快的响应速度。从图3中可以看出其优点是系统稳定性好，易于扩展电源容量，能实现很好的负载均流，缺点也明显当主模块一旦出现异常，从模块将不能正常工作，系统没有实现冗余，可靠性低。图4是脱胎于上一种主从控制，是一种分散逻辑的主从控制方式，每个模块都有电压调节器，任一电源模块都可充当主模块，其主从切换方式主要是由可控开关的通断决定，而可控开关可以通过直接选择或软件设置控制其通断。当主模块退出运行，在从模块中选出