专利名称：可并联工作的正弦波逆变器及控制方法
技术领域：
本发明属于正弦波逆变器并联控制技术领域，特别涉及至单相和三相正弦 波逆变器、单相和三相在线式不间断电源(UPS)等并联工作的方法和实现技术。
二背景技术：
已有的一种可以并联工作的正弦波逆变器的控制框图如图1所示，包括由 逆变电路组成的功率单元和逆变控制单元两部分，逆变控制单元主要包括电压 采样及整形电路、输出电压采样电路、基准正弦信号发生器、电压调节器及驱
动控制电路；其特征在于，还包括连接在该电压采样及整形电路和基准正弦信 号发生器之间的同步控制单元及用于与外部相连的同步母线，以及与电压调节 器输入端相连的由环流传感器、求和电路及与外部相连的均流母线组成的控制 环节；该同步控制单元用于消除并联系统中由于各逆变器的基准电压信号之间 的相位差造成的环流；该控制环节与电压调节器共同作用，实现均流与逆变控 制。
采用上述结构的多个正弦波逆变器可组成并联系统。图2所示为己有的逆 变器并联系统结构框图。并联运行时，各逆变器之间的连接除了功率输入、功 率输出外，还包括通信母线中的同步母线和均流母线的对应连接。通过并联控 制母线和相应的控制电路，实现了具有良好的动态和稳态均流特性、允许热插 拔的逆变器并联系统。
同步控制单元根据电压采样及整形电路产生的市电相位信号^"。c、同步母 线上各逆变器共享的基准相位信号t^产生本逆变器的基准正弦相位信号"申， "，始终与共享的基准相位信号"A保持同步，因此各逆变器的基准正弦信号都 是同频同相的。逆变器的输入市电正常时，^/u^c、 "a、"，均同频同相。在逆 变器投入、退出并联系统的过程中，由于各逆变器的"^信号都保持同步，当 其中任何一个逆变器关机时，"A信号便自动由其余逆变器的"，信号生成，"d信号并没有任何变化；当一台逆变器投入并联系统时，其同步控制单元判断本 逆变器的w申信号与t^同步之后才允许"申信号输出，不影响"d信号。就同 步控制部分而言，并联系统中的逆变器器是允许热插拔的。
该并联方案的主要不足之处是各并联逆变器方波同步信号的同频同相控制 必须通过各逆变器之间的两根信号互连线来完成，信号互连线的存在仍增加了 系统的硬件复杂性，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种无需信号互连线、 通信抗扰性强、可靠性高的可应用于正弦波逆变器的并联控制的逆变器。
一种可并联工作的正弦波逆变器，包括逆变电路和逆变控制电路，其特征 在于，所述逆变控制电路包括电力线、电压采样及整形电路、电力线通信PLC 芯片及PLC外围电路、PLC及同步控制数字信号处理器DSP、逆变及均流控制 数字信号处理器DSP、驱动控制电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路。 上述各组成电路及器件的相互连接关系是，输入端连于负载的电力线的输出端 连于电压采样及整形电路的输入，电压采样及整形电路的输出经PLC及同步控 制数字信号处理器DSP连于逆变及均流控制数字信号处理器DSP的输入，逆 变及均流控制数字信号处理器DSP的输出连于与逆变电路输入端相连的驱动控 制电路输入端；电力线通信PLC芯片及PLC外围电路的输入端与电力线双向 相连，电力线通信PLC芯片及PLC外围电路的输出端与PLC及同步控制数字 信号处理器DSP的输入双向相连；PLC及同步控制数字信号处理器DSP与逆 变及均流控制数字信号处理器DSP经CAN总线双向相连；与逆变电路的输出 端相连的输出电压采样电路、输出电流采样电路均连于逆变及均流控制数字信 号处理器DSP的输入。
一种可并联工作的正弦波逆变器的控制方法，其特征在于，PLC及同步控 制数字信号处理器DSP的功能块中的同步控制单元首先根据PLC通信控制单 元和电力线传输的其它逆变模块的电压基准正弦信号的频率、相位信息调节本 模块的基准正弦信号的频率，实现各模块的电压基准正弦信号保持同频同相， 在此基础上，再由逆变及均流控制数字信号处理器DSP根据PLC及同步控制数字信号处理器DSP提供的电压基准相位信号、以及并联系统中各逆变模块的 输出功率差异信息产生电压基准正弦信号，输出功率差异信息是由逆变及均流 控制数字信号处理器DSP的功能块中的功率差计算单元根据本模块中的功率计 算单元利用输出电压采样电路和输出电流采样电路采样的输出电压和输出电流 算得的本模块输出功率信息、以及经CAN总线通信从PLC及同步控制数字信 号处理器DSP中得到的通过PLC通信传递的其它逆变模块的输出功率信息进 行运算而获得的，利用功率差计算单元得到的输出功率差异信息分别微调电压 基准正弦信号的幅度给定值、来自PLC及同步控制数字信号处理器DSP的电 压基准相位信号的相位，再经逆变及均流控制数字信号处理器DSP的功能块中 的乘法器在各逆变模块中产生同频、同相、同幅的电压基准正弦信号，实现并 联系统的均流控制。
本发明的特点和技术效果
1. 无需信号互连线，通信抗扰性强，可靠性高；
2. 适用于逆变器并联系统，尤其适用于在线式不间断电源UPS的并联控制 系统；
3. 将逆变器并联运行控制解耦成基准同步控制和输出均流控制，首先实现 同步控制，在此基础上，再进行均流控制；
4. 基于PLC方式在并联系统各逆变器之间进行信息传递，通过PLC及同 步控制数字信号处理器DSP产生频率相同、相位基本一致的基准正弦相位信号；
5. 逆变及均流控制数字信号处理器DSP通过PLC通信得到本逆变器输出 功率与并联系统平均输出功率的差异，根据功率差异微调基准的相位和幅度实 现负载的均分；
6. 并联系统中的逆变器是允许热插拔的。
四
图1是已有的逆变器并联系统解耦控制原理框图； 图2是已有的逆变器并联时的系统结构框图3是本发明的可并联工作的逆变器及在线式不间断电源原理框图； 图4是本发明的逆变器并联时的系统结构框图；图5是本发明的基于PLC的同步控制器功能框图； 图6是本发明的基于PLC的均流控制器功能框图； 图7是本发明的同步控制器实施例结构图8是本发明的实施例双机并联运行的稳态实验结果，其中图8(a)为空载 输出，图8(b)为带载输出；
图9是本发明的实施例双机并联系统热插拔时的实验结果，其中图9(a)为 第2台逆变器投入并联，图9(b)为第2台逆变器退出并联。
五具体实施例方式
本发明的可并联工作的逆变器及在线式不间断电源UPS原理框图如图3所 示。图中，PLC及同步控制数字信号处理器DSP控制电力线通信PLC芯片及 其外围电路经UPS总输出端的电力线实现各逆变器之间的信息传递，为同步控 制和基于功率差调节的均流控制提供调节的依据。各逆变器的PLC及同步控制 数字信号处理器DSP输出的基准相位信号"，保持同频同相，作为逆变及均流 控制数字信号处理器DSP的输入信号。逆变及均流控制数字信号处理器DSP 的功能是控制逆变器输出正弦波电压，并且在并联运行时控制负载电流在各并 联逆变器之间的均分。两块DSP之间还经过CAN总线连接，交换的信息包括 本逆变器输出的有功功率尸、无功功率g，以及经PLC传递的其它逆变器的输 出功率信息P'、 0'，由逆变及均流控制数字信号处理器DSP计算得到本逆变器 输出功率与逆变器并联系统平均输出功率的差异AP、 A2，分别利用AP、 对本逆变器基准正弦相位信号m申、基准正弦幅度f/^进行微调，克服逆变器元 件参数差异和同步调节精度对负载均分的影响，实现均流控制。
本发明的基于PLC和PQ调节的逆变器组成的并联系统结构框图如图4所 示，各逆变器之间的连接除了功率输入、功率输出外，没有任何信号互连线。
本发明的基于PLC的同步控制器的组成如图5所示，主要由PLC控制芯 片及其外围控制电路、电力线、PLC及同步控制数字信号处理器DSP、电压采 样及整形电路组成。PLC及同步控制数字信号处理器DSP控制电力线通信PLC 芯片的初始化和数据收发。当PLC电路发送数据时，电力线通信PLC芯片将 PLC及同步控制数字信号处理器DSP传送过来的数据进行格式转换和扩频调制，其输出信号经功率放大器、耦合电路耦合到电力线电压信号上，此时其它 逆变器的PLC电路处于数据接收状态，电力线上的叠加了数据信息的电压信号 经耦合电路、带通滤波器、前级放大器进入电力线通信PLC芯片，再经电力线 通信PLC芯片进行解调，由电力线通信PLC芯片传送到PLC及同步控制数字 信号处理器DSP，由此完成一次数据的发送和接收过程。电压采样及整形电路 将电力线上的电压相位信号^;^输出到PLC及同步控制数字信号处理器DSP 中的同步控制单元，该单元综合&^信号、本逆变器的基准频率基准相位伊"
其它逆变器的基准频率y;'、基准相位炉:产生与其它逆变器同频同相的方波同步
信号即基准相位信号"w ，作为逆变及均流控制数字信号处理器DSP中基准相 位调节单元的输入。PLC及同步控制数字信号处理器DSP中的PLC通信控制 单元与CAN通信模块之间双向连接，传输的信号包括输出有功功率、输出无功 功率等，CAN通信模块中还包含CAN收发控制器，该收发控制器与逆变及均 流控制数字信号处理器DSP中的CAN收发控制器双向连接，如图6、图7所 示。
在基于PLC的同步控制器作用下，各逆变器产生的基准相位信号"^总是 同频同相，从而各正弦基准信号"^都是同频同相的。由于各逆变器的"，信号 均保持同步，因此当其中任何一个逆变器关机时，其它逆变器的"，信号的频 率和相位没有任何变化；当一台逆变器投入并联系统时，其同步控制单元判断 本逆变器的"，信号与其它逆变器的基准相位信号同步之后才允许",^信号输 出，不影响其它逆变器"^信号的频率和相位。因此，就基于PLC的同步控制
部分而言，并联系统中的逆变器是允许热插拔的。
本发明的基于PLC和PQ调节的均流控制器的组成如图6所示，逆变及均 流控制数字信号处理器DSP经CAN总线与PLC及同步控制数字信号处理器 DSP连接，逆变及均流控制数字信号处理器DSP将根据本逆变器输出电压采样 信号"。/、输出电流采样信号^算得的输出有功功率户、无功功率g发送到PLC 及同步控制数字信号处理器DSP，从PLC及同步控制数字信号处理器DSP接 收通过PLC通信得到的其它逆变器的输出功率信息户'、0'，计算得到本逆变器 输出功率与逆变器并联系统平均输出功率的差异AP、 Ag，分别利用AP、 对本逆变器基准正弦相位信号"申、基准正弦幅度U，进行微调，克服逆变器元件参数差异和同步调节精度对负载均分的影响。逆变及均流控制数字信号处理 器DSP根据有功功率差AF信息，对PLC及同步控制数字信号处理器DSP提
供的基准相位信息"申信号进行微调，得到实际的基准相位信号"；，再与经过
基准幅度调节单元处理过的基准幅度f4进行乘法运算，产生本逆变器的电压基
准正弦信号"^，实现均流控制。
本发明的一种实施例为可冗余并联工作的逆变器，并联系统由两台逆变器 组成，该逆变器的同步调节电路结构框图如图7所示。
本实施例的基于PLC的同步控制器结构如图7所示，采用的PLC及同步 控制数字信号处理器DSP是TI公司的TMS320LF2407芯片、电力线通信PLC 芯片为北京智源利和公司的电力线载波扩频通信芯片SC1128。图7中，CAP_1、 CAP_2、 CAP一3为2407芯片6个捕获输入引脚中的任意3个，分别捕获市电 电压相位信号&"。c、输出电压相位信号^^—TO、 SC1128的第37引脚SYN即发 射/接收同步端输出的同步信号。1/0—1、 1/0—2、 1/0—3、 1/0—4、 1/0—5、 1/0—6 为2407芯片41个通用I/O引脚中的任意6个，2407的1/0—1、 1/0—2、 I/O—3 分别与SC1128的第40引脚SETCLK、第41引脚CS、第39引脚LINE对应连 接，实现对SC1128的初始化设置；2407的CAP—3、 1/0—4、 1/0—5分别与SC1128 的第37引脚SYN、第36引脚SR、第38引脚TX对应连接，实现对SC1128 的数据发送和接收控制；从2407的1/0—6输出基准相位信号"申，作为逆变及 均流控制数字信号处理器DSP产生基准正弦信号"^的相位参考。SC1128分别 通过第13引脚V-、第24引脚SEND接收、发送经处理后的数据信息。
本实施例的同步控制单元的调节算法主要包括频率调节和相位调节两部 分，以1#逆变器为例。频率调节部分，若判断1#机基准相位信号"^a的频率 大于标准频率，则减小",^的频率；若判断",^的频率小于标准频率，则增大
的频率；若判断的频率与标准频率非常接近，则保持的频率不变。 相位调节部分，若判断"^a的相位超前2弁机基准相位信号"，2的相位，则减小 t/申i的频率；若判断",^的相位滞后"，2的相位，则增大"^a的频率；若判断 "，i的相位与"申2的相位非常接近，则保持"w a的频率不变。
本实施例的均流控制部分的基准相位调节原理为若算得的有功功率差 为较大的正值，则减小基准相位信号"，的频率；若算得的AP为较小的负值，则增大"，的频率；若算得的AP绝对值较小，则保持"，的频率不变。本实施 例的均流控制部分的基准幅度调节原理为若算得的无功功率差为较大的 正值，则减小基准正弦幅度C/，；若算得的A0为较小的负值，则增大t/，；若 算得的A0绝对值较小，则保持t/，不变。本实施例的逆变器双机并联系统稳态输出波形如图8所示，图中，Mcl、 "。2 分别为半实际逆变器1#机、2#机的输出电压，/。" /。2分别为1#机、2#机的输出 电流采样信号，它们的采样极性与实际输出电流的极性相反。负载为51Q功率 电阻。两逆变器输出电流较为接近，表明它们的有功功率、无功功率的一致性 较好。本实施例的逆变器双机并联系统热插拔过程中的输出波形如图9所示，图 9(a)为1#机带510载性负载输出，2#机投入并联瞬间的输出波形；图9(b)为两 台带51Q载性负载并联运行，2#机退出并联的瞬态波形。采用上述并联控制方 法时，逆变器并联系统具有热插拔的特性。
权利要求
1. 一种可并联工作的正弦波逆变器，包括逆变电路和逆变控制电路，其特征在于，所述逆变控制电路包括电力线、电压采样及整形电路、电力线通信PLC芯片及PLC外围电路、PLC及同步控制数字信号处理器DSP、逆变及均流控制数字信号处理器DSP、驱动控制电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路，上述各组成电路及器件的相互连接关系是，输入端连于负载的电力线的输出端连于电压采样及整形电路的输入，电压采样及整形电路的输出经PLC及同步控制数字信号处理器DSP连于逆变及均流控制数字信号处理器DSP的输入，逆变及均流控制数字信号处理器DSP的输出连于与逆变电路输入端相连的驱动控制电路输入端；电力线通信PLC芯片及PLC外围电路的输入端与电力线双向相连，电力线通信PLC芯片及PLC外围电路的输出端与PLC及同步控制数字信号处理器DSP的输入双向相连；PLC及同步控制数字信号处理器DSP与逆变及均流控制数字信号处理器DSP经CAN总线双向相连；与逆变电路的输出端相连的输出电压采样电路、输出电流采样电路均连于逆变及均流控制数字信号处理器DSP的输入。
2、 根据权利要求1所述的可并联工作的正弦波逆变器，其特征在于PLC 及同步控制数字信号处理器DSP的功能块中包括同步控制单元、PLC通信控制 单元，其中与电压采样及整形电路的输出端相连的同步控制单元的输出端连于 逆变及均流控制数字信号处理器DSP功能块中的基准相位调节单元的输入端， 同步控制单元的输入端与PLC通信控制单元的输出端双向相连，与电力线通信 PLC芯片及PLC外围电路输出端双向相连的PLC通信控制单元的输出端经 CAN总线与逆变及均流控制数字信号处理器DSP的CAN总线双向相连。
3、 根据权利要求1所述的可并联工作的正弦波逆变器，其特征在于逆变及 均流控制数字信号处理器DSP的功能块中包括基准相位调节单元、乘法器、基 准与输出求和单元、电压调节器、PWM信号产生单元、功率计算单元、功率 差计算单元、基准幅度求和单元，其中与PLC及同步控制数字信号处理器DSP的同步控制单元的输出端相连的基准相位调节单元的输出端连于乘法器的输 入，乘法器的输出端、输出电压采样电路的输出端分别连于基准与输出求和单 元的两个输入端，基准与输出求和单元的输出经电压调节器连于与驱动控制电 路输入端相连的PWM信号产生单元的输入端；输出电压采样电路的输出还连 于功率计算单元的输入端；与输出电流采样电路的输出端相连的功率计算单元 的输出连于功率差计算单元的输入端，功率差计算单元的输出连于基准相位调 节单元的输入端，功率差计算单元的输入端与功率计算单元的输出端均经CAN 总线与PLC及同步控制数字信号处理器DSP的PLC通信控制单元的输出端双 向相连；基准幅度给定、功率差计算单元的输出分别连于基准幅度求和单元的 两个输入端，基准幅度求和单元的输出与乘法器输入相连。
4、 一种基于权利要求1所述的可并联工作的正弦波逆变器的控制方法，其 特征在于，PLC及同步控制数字信号处理器DSP的功能块中的同步控制单元首 先根据PLC通信控制单元和电力线通信PLC芯片及其外围电路及电力线传输 的其它逆变器的电压基准正弦相位信号的频率和相位信息调节本逆变器的基准 正弦相位信号"申的频率，实现各逆变器的电压基准正弦相位信号保持同频同 相；在此基础上，再由逆变及均流控制数字信号处理器DSP根据PLC及同步 控制数字信号处理器DSP提供的电压基准相位信号"，以及并联系统中各逆变 器的输出功率差异信号AP和产生电压基准正弦信号输出功率差异信 号AP和是由逆变及均流控制数字信号处理器DSP的功能块中的功率差计 算单元根据功率计算单元算得的本逆变器输出功率信息/>和g、以及经CAN 总线通信由PLC及同步控制数字信号处理器DSP提供的其它逆变器的输出功 率信息P'和g'进行运算而获得的;本逆变器输出功率信息户和0是由功率计算 单元根据输出电压采样电路和输出电流采样电路采样的输出电压"。/和输出电 流/。/计算得到的；其它逆变器的输出功率信息P'和^'是由PLC及同步控制数 字信号处理器DSP中的PLC通信控制单元和电力线通信PLC芯片及其外围电 路及电力线传输得到的；利用功率差计算单元得到的输出功率差异信息Ag、 AP 分别微调电压基准正弦信号的幅度给定值f/^、来自PLC及同步控制数字信号 处理器DSP的电压基准相位信号"申的相位，再经逆变及均流控制数字信号处 理器DSP的功能块中的乘法器在各逆变器中产生同频、同相、同幅的电压基准正弦信号"^/;电压基准正弦信号"^与输出电压采样电路输出的电压采样信号 "。/经求和电路进行减法运算得到误差信号，再将误差信号依次经过电压调节器、 PWM信号产生单元加到驱动控制电路的输入端，驱动控制电路的输出端与逆 变电路的输入端相连，实现逆变器的正弦波电压输出控制和并联系统的均流控 制。
全文摘要
一种可并联工作的正弦波逆变器及控制方法，属正弦波逆变器。包括逆变电路和逆变控制电路，其中逆变控制电路包括PLC芯片及其外围控制电路、电力线、PLC及同步控制DSP、逆变及均流控制DSP、电压采样及整形电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、驱动控制电路。PLC及同步控制DSP调节各逆变器电压基准正弦信号保持同频同相，在此基础上，逆变及均流控制DSP再根据本逆变器输出功率和经PLC通信得到的其它逆变器输出功率计算功率差，利用功率差分别微调基准信号的相位和幅度，实现均流控制。本发明无需信号互连线、通信抗扰性强、可靠性高，应用于正弦波逆变器无信号互连线控制系统，实现各逆变器的完全电气隔离和热插拔。
文档编号H02M7/493GK101291116SQ20081012368
公开日2008年10月22日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者何中一, 祁飚杰, 岩 邢 申请人:南京航空航天大学