逆变器无线并联控制方案的设计与实现

周继红，杨维满

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

逆变器并联是提高电源系统容量和可靠性的一种有效方式。目前逆变器并联控制技术有主从控制、3C控制、集中控制、无互联线控制等[1]，而无线并联控制技术是目前众多并联控制技术当中最理想的一种。在该控制方案中，各台逆变器之间没有互相联系的信号线。控制电路独立，各台逆变器均采用PQ下垂控制来实现逆变器的输出功率均分[2]。

本文基于逆变器技术指标设计了一种无线并联控制方案。这种并联控制方案以dsPIC30F3011芯片为核心控制器，结合系统主电路和相关控制原理，给出了该系统的硬件和软件设计。最后对两台逆变器样机并联进行实验验证，实验结果表明该方案能够达到技术指标的要求，并且能够使输出功率和负载电流得到均分。

1 逆变器技术指标

逆变器技术指标如表1所示。本文根据此技术指标设计一种逆变器无线并联控制系统，并通过样机试验来验证此控制系统的正确性。

表1 逆变器技术指标Tab.1 Inverter technology index

由于2台逆变器的特性不完全相同，因此当两台逆变器并联并联运行时会产生环流。因此，在并联控制软件编程中，加入PQ下垂控制策略来抑制系统产生的环流。

2 逆变器无线并联系统主电路

逆变器无线并联系统的主电路图如图1所示。系统的逆变电路采用单相全桥电压型逆变电路，输出采用LC滤波器对逆变器输出的SPWM波形进行滤波[5]。

图1 逆变器无线并联系统主电路图Fig.1 Inverter wireless parallel system main circuit diagram

3 无线并联控制方案的设计与实现

3.1 无线并联控制方案设计

逆变器无线并联方案如图2所示。该方案由2台逆变器并联而成。系统主要分为：无线并联系统主控制电路、电压和电流检测电路、过电压保护电路及隔离驱动电路等。

图2 逆变器无线并联系统控制方案Fig.2 Inverter wireless parallel system control scheme

3.2 并联系统控制电路设计

1）数字信号控制器

本文采用微芯公司的dsPIC30F3011单片机作为无线并联系统的核心控制器。该控制器以高性能的16位单片机为核心，并且内嵌了DSP引擎。这样不仅保持了单片机强大的外围功能模块，还兼备了DSP的高速运算能力。同时该控制器具有完善的中断功能、大容量的存储器以及2.5~5.5 V的宽工作电压范围[6]。

2）电压、电流检测电路

本文采取的电压电流检测方法是霍尔传感器检测法。霍尔传感器采用LEM公司生产的LV25-P电压传感器和LA25-NP电流传感器。对于电压霍尔传感器，为使霍尔传感器的输出由电流信号转换为电压信号，通常在电压霍尔传感器中接入一个限流电阻，使其输入的电流信号范围为±14 mA。同时在电压霍尔传感器副边串入150Ω的测量电阻，此时会测得为±5.25 V的电压信号。电压电流检测电路如图3所示。

图3 电压电流检测电路Fig.3 Voltage current detection circuit

3）同步信号检测

在逆变器并联系统启动时，需要通过检测同步信号来控制2台逆变器相位，使各台逆变器与同步信号的相位差趋于零时投入系统。本实验采用交流母线为系统提供同步信号。其原理如下：先将逆变器1投入系统运行，为交流母线提供交流信号输出，逆变器2将此交流信号作为同步信号。检测电路如图4所示。交流母线上的交流电压通过变压器为各逆变单元提供同步信号[5]。

图4 同步信号检测电路Fig.4 Sync signal detection circuit

4）IGBT隔离驱动电路

本文所选用的IGBT驱动器为IR2113驱动芯片，并且在dsPIC30F3011与IR2113之间加入HCLP2530光耦作为主电路与控制电路的隔离元件。驱动电路如图5所示。

图5 IGBT驱动电路Fig.5 IGBT drive circuit

5）过电压保护电路

系统使用反向施密特触发器74HC14和迟滞比较器LM339构成过电压检测电路。工作原理为：直流测输入电压通过电压霍尔传感器按一定比例转换为相应的电压信号，若该电压信号高于LM339的上门限电压，则LM339输出为低电平，然后经过74HC14整形后产生一个下降沿[6]。此时dsPIC30F3011检测到IC8引脚上有边沿跳变信号，则将INTCON1寄存器中INTF位置1，进入过压中断服务子程序。逆变器主电路停止工作，指示灯亮。过压故障排除后，按复位按钮可重新启动逆变器主电路工作[4]。

3.3 并联控制方案软件实现

图6为无线并联控制系统主程序流程图。由图可知：1）系统初始化完成后调用各模块的初始化子程序，同时开中断。2）判断两台逆变器是否并联，若并联按钮没被按下，逆变处于单机工作模式；若并联按钮按下，则检测有无同步信号。3）若检测到没有同步信号，说明系统交流母线上没有逆变器工作，此时闭合固态继电器；当检测到同步信号时，则系统通过锁相控制调整输出电压的相位与交流母线相位同步。4）闭合固态继电器，将逆变器投入到并联系统当中，由PWM脉冲子程序产生逆变器所需的SPWM波。5）两台逆变器并入系统之后，通过PQ下垂控制抑制并联系统产生的环流。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

4 并机实验结果分析

本文通过上述对逆变器并联系统的软件及硬件进行设计，搭建了由两台逆变器样机构成的并联系统的实验平台。

图7并联运行后两台逆变器输出电压波形，从图中可以看出逆变器1输出电压U1和逆变器2输出电压U2达到同频同相。实验中检测到逆变器1输出电压幅值为15.3 V，逆变器2输出电压幅值为14.9 V，两台逆变器输出电压幅值基本相同。

图7 并联运行后两台逆变器的输出电压波形Fig.7 Parallel running two table inverter output voltage waveform

图8为逆变器1运行一段时间后加入逆变器2后逆变器1输出电流波形。可以看出两台逆变器并联运行后能够实现均流目的。

图8 并联系统均流波形Fig.8 Parallel system are current waveform

5 结 论

设计了一种以dsPIC30F3011芯片为核心的逆变器无线并联系统控制方案。这种控制方案中包含电压电流检测电路、同步信号检测电路、过电压保护和IGBT隔离驱动电路等。本文以两台逆变器并联为研究对象进行实验，实验结果表明这种控制方案能够达到逆变器各项技术指标并且能使负载电流得到均分。

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