基于DSP56F805的可并機(jī)逆變電源設(shè)計

1 引言

信息技術(shù)的迅速發(fā)展，對供電系統(tǒng)的容量、性能和可靠性要求越來越高，也推動著電力電子技術(shù)的研究不斷深入。多模塊并聯(lián)實現(xiàn)大容量電源被公認(rèn)為當(dāng)今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

對于實現(xiàn)大容量的逆變電源，同樣也可以采用并聯(lián)技術(shù)。由于逆變電源常采用新型全控功率開關(guān)器件構(gòu)成單元模塊，受功率開關(guān)器件容量限制，單個逆變電源模塊的容量是十分有限的，通過多個模塊并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容，不僅可以充分利用新型全控功率開關(guān)器件的優(yōu)勢，減少系統(tǒng)的體積，降低噪聲，還可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和逆變器的通用性。

1.1 逆變電源并機(jī)的原理

交流電源間的并聯(lián)運(yùn)行遠(yuǎn)比直流電源并聯(lián)運(yùn)行復(fù)雜，由于是正弦波輸出，必須要解決以下問題：
1）兩臺或多臺投入并聯(lián)運(yùn)行時，相互間及系統(tǒng)的頻率、相位、幅度必須達(dá)到一致或小于容許誤差時才能投入，否則會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定或各逆變單元間產(chǎn)生環(huán)流；
2）并聯(lián)工作過程中，各逆變單元輸出必須保持一致，否則，頻率微弱差異的積累將造成系統(tǒng)輸出幅度的周期性變化和波形畸變，相位不同使輸出幅度不穩(wěn)；
3）均流要求高，均流包括有功和無功均流，即功率的平均分配包括有功功率和無功功率的平均分配；
4）故障保護(hù)除單元內(nèi)部故障保護(hù)外，當(dāng)均流或同步異常時，要將相應(yīng)有故障的逆變單元切除，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。

解決上述問題的關(guān)鍵是解決均流問題，鑒于此，采用有功和無功并聯(lián)控制方式。

該控制方式實際上是實現(xiàn)并聯(lián)功率偏差控制。當(dāng)并聯(lián)逆變單元出現(xiàn)輸出有功或者輸出無功不一致時，通過檢測出本單元的有功或無功偏差值，來調(diào)節(jié)逆變單元輸出電壓的相位和幅值，保證每一個逆變單元輸出的有功與無功相等，達(dá)到均流的目的。圖1是兩個逆變單元并聯(lián)給負(fù)載供電的網(wǎng)絡(luò)模型。逆變單元1的輸出有功P1和無功Q1分別為：
P1=E1Usinδ1/X（1）
Q1=(E1Ucosδ1－U2)/jX（2）
逆變單元2的輸出有功P2和無功Q2分別為：
P2=E2Usinδ2/X（3）
Q2=(E2Ucosδ2－U2)/jX（4）
由式（1）～式（4）可知，有功的大小主要取決于功率角δ，無功的大小主要取決于逆變單元的輸出幅值E1和E2，因此可以通過調(diào)節(jié)功率角δ來調(diào)節(jié)輸出有功功率的大小，通過調(diào)節(jié)逆變單元輸出電壓的幅度來調(diào)節(jié)無功的大小，從而可實現(xiàn)各輸出電源模塊的均流。

圖1 兩個逆變單元并聯(lián)給負(fù)載供電的網(wǎng)絡(luò)模型

1.2 逆變電源并機(jī)的數(shù)字控制

早期的微處理器運(yùn)算速度有限，通常只具有給定正弦波的發(fā)生、控制逆變電源的開關(guān)及實現(xiàn)保護(hù)顯示等功能，逆變電源的核心——逆變器的控制仍然需要模擬電路的參與。隨著電機(jī)控制專用DSP的出現(xiàn)和控制理論的發(fā)展，使得逆變電源的控制技術(shù)朝著全數(shù)字化的方向發(fā)展。

逆變電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點：

1）每個并聯(lián)運(yùn)行的逆變單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進(jìn)行均流控制和通信，或者在模塊中實現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變單元并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)；
2）易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更高，性能更完美；
3）控制靈活，維護(hù)方便，系統(tǒng)的一致性好，成本低。
正弦波逆變電源的控制策略有PLD控制、無差拍控制、模糊控制等。對于高性能的逆變電源的設(shè)計，模糊控制器有著以下優(yōu)點：
1）模糊控制器的設(shè)計過程中不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，模糊控制器有著較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性；
2）查找模糊控制表只須占用處理器很少的時間，因而可以采用較高采樣率來補(bǔ)償模糊規(guī)則和實際經(jīng)驗的偏差。
2 系統(tǒng)概述
2.1 系統(tǒng)特性
1）基于DSP56F805全數(shù)字化設(shè)計，控制元器件少，可靠性高，穩(wěn)定度高；
2）高可靠性SPWM設(shè)計；
3）采用CAN總線技術(shù)，并機(jī)安裝方便；
4）可實現(xiàn)N＋1逆變單元并聯(lián)擴(kuò)容；
5）各逆變單元獨(dú)立工作，民主均流；
6）采用獨(dú)特調(diào)控原理，“均流不平衡度”≤2％；
7）可帶電熱更換，操作維護(hù)方便；
8）輸出電壓精度高，為220(1±1％)V；
9）輸出頻率精度高，為50±0.001Hz；
10）全LCD數(shù)字顯示、測量，菜單控制操作，便于對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行在線實時監(jiān)測；
11）智能化控制，RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，可方便實現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理；
12）保護(hù)功能全，具有直流輸入極性反接保護(hù)，直流輸入電壓過高、過低保護(hù)，輸出電壓過高保護(hù)，過載保護(hù)，短路保護(hù)，過熱保護(hù)等。
2.2 系統(tǒng)概述
2.2.1 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)
本逆變電源以DA2000HP（2000VA）逆變單元為核心，配以監(jiān)控器、靜態(tài)開關(guān)等，組成一個完整的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)。DA-HP逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)工作原理框圖見圖2。

圖2 DA-HP逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)工作原理框圖

本系統(tǒng)工作時，首先每臺逆變單元DA2000HP進(jìn)行自檢，當(dāng)檢測到輸入電壓、溫度和硬件都正常后進(jìn)行同步和鎖相，最后逆變單元送出交流電壓。當(dāng)檢測到輸入電壓超低或超高、溫度超高或硬件故障，逆變單元停止輸出。逆變單元正常工作時，實時通過CAN總線檢測系統(tǒng)的電壓、電流、相位等參數(shù)，及時進(jìn)行控制，實現(xiàn)逆變單元之間同相及均流，同時并聯(lián)CAN總線與同步總線實時地把系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)送給監(jiān)控器，監(jiān)控器通過RS?232接口把系統(tǒng)的參數(shù)、狀態(tài)送給微機(jī)。在工作過程中，若逆變單元檢測到故障，則快速進(jìn)行“脫機(jī)”處理，即把出故障的逆變單元從系統(tǒng)中脫離，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時發(fā)出告警信號及信息，提醒用戶及時處理。
系統(tǒng)中的靜態(tài)開關(guān)的作用是保證用戶負(fù)載供電的不間斷，當(dāng)逆變系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，靜態(tài)開關(guān)及時接通市電，斷開逆變系統(tǒng)，負(fù)載由市電供電。
2.2.2 逆變單元
DA2000HP逆變單元采用DSP芯片DSP56F805及先進(jìn)的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，使得逆變單元的變換、控制、反饋、測量、顯示、通信等實現(xiàn)數(shù)字化控制和管理。同時運(yùn)用先進(jìn)的軟件技術(shù)，控制和保護(hù)關(guān)鍵電路，盡可能減少整機(jī)元器件的數(shù)量，降低由于溫度、老化等問題引起的不穩(wěn)定因素，提高逆變單元的穩(wěn)定性和可靠性。
DA2000HP逆變單元工作原理框圖見圖3。

圖3 DA2000HP逆變電源工作原理框圖

DA2000HP逆變單元主變換電路采用高可靠性的單端高頻功率變換電路，變換頻率為64kHz。直流輸入通過輸入濾波器、輸入斷路器、輸入接觸器送入單端高頻功率變換電路，經(jīng)過變換，變壓器次級輸出高壓正弦調(diào)制波形。高壓正弦調(diào)制波形經(jīng)過高頻濾波器濾去高頻成分，得到100Hz半橋正弦波。100Hz半橋正弦波經(jīng)過50HzIGBT逆變橋變換得到50Hz220V純凈的正弦波。最后，50Hz220V純凈的正弦波通過輸出接觸器、輸出斷路器、輸出濾波器送給負(fù)載。
為了提高逆變單元的可靠性和負(fù)載適用性，在50HzIGBT逆變橋前增加補(bǔ)償器及損耗器。
DA2000HP逆變單元采用的算法是模糊控制算法，把電壓誤差和電流作為輸入模糊變量，實現(xiàn)逆變單元模糊控制。
2.3 DSP56F805簡介
Motorola公司開發(fā)的數(shù)字信號處理器DSP56F805具有16位高速定點運(yùn)算能力，既有單片機(jī)（MCU）靈活控制功能和豐富的外設(shè)，又有DSP高速運(yùn)算能力，非常適合電源控制、電機(jī)控制、工業(yè)控制、儀表制造等領(lǐng)域。這種型號的數(shù)字信號處理芯片具有如下優(yōu)點