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DSP的不间断电源并联运行系统的原理和结构
xiao_xiao1 发表于 2009/8/27 15:48:06 622 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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逆变器是将直流电转换成交流电的电能变换器。多个逆变器并联运行的必要条件是各个逆变器的交流输出电压要保持严格地同频率、同相位、等幅值。 只有满足这些条件,才能够使负载电流和功率在各个逆变器之间均衡分配。然而,在现实条件下,由于不同逆变器之间存在的各种参数差异,以及各种干扰的影响都在所难免,从而会在各个逆变器之间产生环流,导致负载分配不均恒,甚至烧毁逆变器。因而必须对每个逆变器的运行进行严格的控制,只有有效地抑制环流,才能达到良好的并联运行效果。其中最主要的是对输出电压的相位和幅值两个方面的控制[1]。理论分析表明:输出电压和输出阻抗一定的时候,在并联运行的多逆变器供电系统中,各逆变器输出的无功功率差仅取决于它们的输出电压的幅值差;各逆变器输出的有功功率差则主要取决于它们的输出电压的相位差,而且很小的相位差即可引起很大的有功功率的不均衡。以此为依据,我们的控制系统的主要控制任务就是控制逆变器的输出电压幅值和相位。
1.2 系统的结构
正常市电时,110V直流输入电压经DC/DC变换,成为220V、100Hz半波正弦脉动直流电压,再经过逆变桥进行逐个周期的倒相,成为标准的50Hz正弦交流电压,最后经输出继电器输出。在整个工作过程中,DSP 控制器除了为DC/DC变换器提供标准的半正弦波基准信号外,还检测每一步变换的输入、输出参数是否正常,并做出相应的控制操作。本系统电路(图1)为三相逆变电路,主电路是典型的AC—DC—AC逆变电路,将输入的三相交流电(频率是400Hz,电压208V)经整流、滤波后供给逆变器输出三相交流电,频率是50Hz,再经隔离变压器变成380 V的交流电。隔离变压器另一路输出经过A/D变换反馈到2407A芯片,2407A芯片输出信号给驱动电路,控制逆变器输出参数,见图1。
1.3 并联运行系统的工作原理
本系统采用了改进的主从同步控制策略[2]和按输出电流偏差控制的均流控制策略。逆变器上电运行以后,首先进行同步控制。DSP控制器检测同步并机线上是否已经有其它逆变器(称为主模块)发出的同步控制信号。此同步信号是一个与输出母线上的交流输出电压同相位的方波信号。如果发现了同步信号,则DSP 控制器按照该同步信号规定的时序,向逆变器中的DC/DC变换器发出相应相位的基准半正弦波信号,控制逆变器的运行时序。此后,在每个周期的开始时刻都要检测该同步信号的上升沿,从而使逆变器保持与该同步信号严格一致的频率和相位运行。如果系统上电后,经过一定时间(大约100 ms)的检测仍未发现其它逆变器发出的同步信号,则逆变器将按照程序中事先设定的时序运行,并且在每个周期的开始时刻向同步并机线上发出自己的同步信号,使自己成为主模块,同时也保证输出为稳定的220V、50Hz交流电。
当多个逆变器组成的系统一起上电运行时,在各逆变器之间通过竞争机制产生主模块,即最早发出同步信号的逆变器将成为主模块。它发出的同步信号将成为各逆变器运行的时序依据。这样就形成了一种各个逆变器的软、硬件完全一样,因而彼此平等,而多个逆变器并联运行时又会形成主、从分别的“改进的主从并联运行控制策略”。在此基础上,应用粗调与精调相结合的方法,实现了各并联运行逆变器之间的理想的同步效果。理论计算表明,各模块间的同步误差小于0.02°;实验结果也证实了各模块之间的同步效果非常好,同步误差几乎无法测出。同步控制正常以后,DSP 控制器检测本模块的运行参数,比如输入电压、DC/DC变换的输出电压以及逆变桥的输出电压是否正常。如果正常,则打开输出继电器,为负载供电。然后,检测输出电流是否超出额定值。如果没有发生过流,则将本模块的电压、电流等运行参数通过CAN 总线发送出去,供其它模块接收。然后延时等待3ms ,以便从CAN总线上接收其它模块的运行参数。通过合理的设置,DSP内嵌的CAN模块能够保证这些数据的可靠传输。本控制器采用按输出电流偏差控制的均流控制策略。在本系统中,由于同步问题得到了很好的解决,因而可以将输出电流偏差△In直接作为输出电压幅值的控制依据,通过比例积分控制算法,实现各模块的输出均衡。
1.4 并联运行控制系统的软件结构
软件系统按照完成的功能划分,主要由主程序和中断服务程序构成。主程序除了完成系统的初始化、数据处理、传输和逆变器运行控制外,最主要的就是进行均流控制。中断服务程序则主要实现同步控制和数据的采集等功能。
在本系统中,采用了TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A。TMS320系列DSP的体系结构是专为实时信号处理而设计的,它将实时处理能力与控制器外设功能集于一身,为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。本系统使用的2407A是16位定点数字信号处理器产品,它具有以下特点:30MIPS的执行速度,使指令周期达到了33ns从而保证了控制器的实时控制能力;两个事件管理器模块,其中每个都包括两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制(PWM)通道、3 个捕获单元以及16通道10位A/D转换器;控制器区域网络(CAN)2。0B模块;40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚,等等。TMS320LF2407A具有强大的实时数据处理能力、丰富的内部资源和方便灵活的可编程外设接口,为我们的逆变器并联运行控制系统提供了良好的硬件基础。本系统中的DSP控制器的结构,主要2407A芯片及其外围元件、D/A转换器、外接的程序存贮器和接口电路组成。