逆變器無線并聯控制方案的設計與實現

周繼紅，楊維滿

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

逆變器并聯是提高電源系統容量和可靠性的一種有效方式。目前逆變器并聯控制技術有主從控制、3C控制、集中控制、無互聯線控制等[1]，而無線并聯控制技術是目前眾多并聯控制技術當中最理想的一種。在該控制方案中，各臺逆變器之間沒有互相聯系的信號線。控制電路獨立，各臺逆變器均采用PQ下垂控制來實現逆變器的輸出功率均分[2]。

本文基于逆變器技術指標設計了一種無線并聯控制方案。這種并聯控制方案以dsPIC30F3011芯片為核心控制器，結合系統主電路和相關控制原理，給出了該系統的硬件和軟件設計。最后對兩臺逆變器樣機并聯進行實驗驗證，實驗結果表明該方案能夠達到技術指標的要求，并且能夠使輸出功率和負載電流得到均分。

1 逆變器技術指標

逆變器技術指標如表1所示。本文根據此技術指標設計一種逆變器無線并聯控制系統，并通過樣機試驗來驗證此控制系統的正確性。

表1 逆變器技術指標Tab.1 Inverter technology index

由于2臺逆變器的特性不完全相同，因此當兩臺逆變器并聯并聯運行時會產生環流。因此，在并聯控制軟件編程中，加入PQ下垂控制策略來抑制系統產生的環流。

2 逆變器無線并聯系統主電路

逆變器無線并聯系統的主電路圖如圖1所示。系統的逆變電路采用單相全橋電壓型逆變電路，輸出采用LC濾波器對逆變器輸出的SPWM波形進行濾波[5]。

圖1 逆變器無線并聯系統主電路圖Fig.1 Inverter wireless parallel system main circuit diagram

3 無線并聯控制方案的設計與實現

3.1 無線并聯控制方案設計

逆變器無線并聯方案如圖2所示。該方案由2臺逆變器并聯而成。系統主要分為：無線并聯系統主控制電路、電壓和電流檢測電路、過電壓保護電路及隔離驅動電路等。

圖2 逆變器無線并聯系統控制方案Fig.2 Inverter wireless parallel system control scheme

3.2 并聯系統控制電路設計

1）數字信號控制器

本文采用微芯公司的dsPIC30F3011單片機作為無線并聯系統的核心控制器。該控制器以高性能的16位單片機為核心，并且內嵌了DSP引擎。這樣不僅保持了單片機強大的外圍功能模塊，還兼備了DSP的高速運算能力。同時該控制器具有完善的中斷功能、大容量的存儲器以及2.5~5.5 V的寬工作電壓范圍[6]。

2）電壓、電流檢測電路

本文采取的電壓電流檢測方法是霍爾傳感器檢測法。霍爾傳感器采用LEM公司生產的LV25-P電壓傳感器和LA25-NP電流傳感器。對于電壓霍爾傳感器，為使霍爾傳感器的輸出由電流信號轉換為電壓信號，通常在電壓霍爾傳感器中接入一個限流電阻，使其輸入的電流信號范圍為±14 mA。同時在電壓霍爾傳感器副邊串入150Ω的測量電阻，此時會測得為±5.25 V的電壓信號。電壓電流檢測電路如圖3所示。

圖3 電壓電流檢測電路Fig.3 Voltage current detection circuit

3）同步信號檢測

在逆變器并聯系統啟動時，需要通過檢測同步信號來控制2臺逆變器相位，使各臺逆變器與同步信號的相位差趨于零時投入系統。本實驗采用交流母線為系統提供同步信號。其原理如下：先將逆變器1投入系統運行，為交流母線提供交流信號輸出，逆變器2將此交流信號作為同步信號。檢測電路如圖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[5]。

圖4 同步信號檢測電路Fig.4 Sync signal detection circuit

4）IGBT隔離驅動電路

本文所選用的IGBT驅動器為IR2113驅動芯片，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。驅動電路如圖5所示。

圖5 IGBT驅動電路Fig.5 IGBT drive circuit

5）過電壓保護電路

系統使用反向施密特觸發器74HC14和遲滯比較器LM339構成過電壓檢測電路。工作原理為：直流測輸入電壓通過電壓霍爾傳感器按一定比例轉換為相應的電壓信號，若該電壓信號高于LM339的上門限電壓，則LM339輸出為低電平，然后經過74HC14整形后產生一個下降沿[6]。此時dsPIC30F3011檢測到IC8引腳上有邊沿跳變信號，則將INTCON1寄存器中INTF位置1，進入過壓中斷服務子程序。逆變器主電路停止工作，指示燈亮。過壓故障排除后，按復位按鈕可重新啟動逆變器主電路工作[4]。

3.3 并聯控制方案軟件實現

圖6為無線并聯控制系統主程序流程圖。由圖可知：1）系統初始化完成后調用各模塊的初始化子程序，同時開中斷。2）判斷兩臺逆變器是否并聯，若并聯按鈕沒被按下，逆變處于單機工作模式；若并聯按鈕按下，則檢測有無同步信號。3）若檢測到沒有同步信號，說明系統交流母線上沒有逆變器工作，此時閉合固態繼電器；當檢測到同步信號時，則系統通過鎖相控制調整輸出電壓的相位與交流母線相位同步。4）閉合固態繼電器，將逆變器投入到并聯系統當中，由PWM脈沖子程序產生逆變器所需的SPWM波。5）兩臺逆變器并入系統之后，通過PQ下垂控制抑制并聯系統產生的環流。

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

4 并機實驗結果分析

本文通過上述對逆變器并聯系統的軟件及硬件進行設計，搭建了由兩臺逆變器樣機構成的并聯系統的實驗平臺。

圖7并聯運行后兩臺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達到同頻同相。實驗中檢測到逆變器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，兩臺逆變器輸出電壓幅值基本相同。

圖7 并聯運行后兩臺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運行一段時間后加入逆變器2后逆變器1輸出電流波形。可以看出兩臺逆變器并聯運行后能夠實現均流目的。

圖8 并聯系統均流波形Fig.8 Parallel system are current waveform

5 結 論

設計了一種以dsPIC30F3011芯片為核心的逆變器無線并聯系統控制方案。這種控制方案中包含電壓電流檢測電路、同步信號檢測電路、過電壓保護和IGBT隔離驅動電路等。本文以兩臺逆變器并聯為研究對象進行實驗，實驗結果表明這種控制方案能夠達到逆變器各項技術指標并且能使負載電流得到均分。

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