專利名稱：可以并聯工作的正弦波逆變器的制作方法
技術領域：
本發明屬于正弦波逆變器并聯控制技術領域，特別涉及制單相和三相正弦波逆變器、單相和三相在線式不間斷電源(UPS)等并聯工作的方法和實現技術。
逆變器(或稱逆變器模塊)的基本構成如

圖1，包括由逆變電路組成的功率單元和逆變控制單元兩部分，逆變控制單元主要包括市電采樣及整形電路、輸出電壓采樣電路、基準正弦信號發生器、電壓調節器及其它控制電路。該逆變器的工作原理為syn是市電采樣、整形(過零比較)后產生的矩形波。當市電正常時，基準信號發生器首先產生與syn同頻同相的正弦基準信號vr，然后在電壓調節器中vr與輸出電壓反饋采樣信號vf運算，對逆變輸出電壓進行閉環調節。而當市電不正常而導致syn信號不正常時，正弦基準信號vr由基準正弦信號發生器內部的振蕩電路產生。基準正弦信號發生器和電壓調節器的功能可以由硬件或軟件實現，電壓調節器的輸出信號vr再經過其它控制電路的處理，最終控制逆變電路向負載輸出所要求的正弦電壓。
多臺逆變器并聯工作、向負載供電，可以帶來很多好處，如提高系統的可靠性。具體而言，當N臺逆變器的容量之和可以滿足負載用電量時，實際使用N+1臺逆變器并聯工作，那么當其中一臺逆變器發生故障、被切除過程中和切除后，其余的N臺仍能保證向負載不間斷地可靠供電。
為了實現多臺逆變器并聯工作，圖1中的逆變控制器除了“逆變控制”功能(使逆變器輸出符合要求的正弦波電壓)以外，還必須具有“并聯控制”功能。并聯控制的目的是使多個逆變器模塊并聯工作時在任何負載條件下和工作過程中保證并聯系統中的各個逆變器均分負載、即各逆變器的輸出電流盡可能相同(同頻、同相、同幅)，即所謂的“均流”。
已有的一種可以并聯工作的正弦波逆變器來源于C.S.Lee，S.Kim and C.B.Kim，etc，Parallel UPS with a Instantaneous Current Sharing Control，IECON，1998，pp568-573。在該并聯工作的正弦波逆變器中，加入一個基于數字信號處理器(DSP)實現的數字鎖相環控制基準正弦信號發生器、使相并聯的各逆變器模塊輸出電壓同相位，再采用了一個新的逆變及均流控制電路取代圖1中的電壓調節器，實現逆變和均流控制，如圖2所示，其中的虛線框內為逆變及均流控制電路。該逆變及均流控制電路的基本控制原理是每一個逆變器將自己的輸出電流與均流總線信號比較，得出偏差電流(即環流)，據此調節逆變電路的控制信號vx、實現逆變及均流控制。
采用上述結構的多個正弦波逆變器可組成并聯系統。以兩個逆變器模塊構成的并聯系統中的一個模塊為例，具體說明逆變及均流控制器的構成和工作原理。參考圖2，圖中if1和if2分別表示兩個逆變器模塊的輸出電流采樣信號，它們分別經過兩個正向導通二極管D1和D3后在節點A相連、經過兩個負向導通二極管D2和D4后在節點B相連。于是，輸出電流的正半周，在A點得到if1和if2當中的正向最大電流；而輸出電流的負半周，在節點B得到負向最大電流(指絕對值最大)，這兩個半周電流合成后得到整周期的、各逆變器模塊輸出電流中的最大電流，即均流總線電流imax。該逆變器模塊輸出電流采樣信號if1與總線電流imax相減得到電流差值(稱作環流)信號Δi。接下來，一方面，正弦基準信號vr與輸出電壓采樣信號vf經過PI調節器作用、生成逆變器輸出濾波電感電流的基準信號ir；另一方面，vr經過前饋控制器產生信號ic*、它反映的是逆變器輸出濾波電容電流，if1、ic和Δi合成后的信號isum同時包含了輸出濾波電感電流及環流信息，isum與其基準信號ir經過電流控制器處理，輸出控制信號vx，可見vx包含了環流Δi及電壓誤差(vf-vr)信息。vx再經過逆變器其它控制電路及功率電路的作用，最終輸出所要求的正弦電壓、并實現均流。
該并聯方案的主要不足之處是并聯控制原理和實現方法比較復雜；采用DSP實現、成本較高。
本發明提出的一種可以并聯工作的正弦波逆變器，包括由逆變電路組成的功率單元和逆變控制單元兩部分，逆變控制單元主要包括市電采樣及整形電路、輸出電壓采樣電路、基準正弦信號發生器、電壓調節器及其它控制電路；其特征在于，還包括連接在該市電采樣及整形電路和基準正弦信號發生器之間的同步控制器及用于與外部相連的由同步相位線和同步狀態線組成的同步線，以及與電壓調節器輸入端相連的由環流傳感器、求和電路及與外部相連的均流線組成的控制環節；該同步控制器用于消除并聯系統中由于各逆變器模塊的基準電壓信號vr之間的相位差造成的環流；該控制環節與電壓調節器共同作用，實現均流與逆變控制。
上述的同步控制器主要可由一個微控制器(MCU)和用于對該微控制器的輸入及輸出信號隔離的五個光偶組成。
上述的環流傳感器包括電流采樣電路、求差電路、差動放大器或隔離放大器、加權網絡、電阻及開關；其中，電流采樣電路的輸出端與求差電路的一個輸入端相連，同時電流采樣電路的輸出端通過電阻后經開關與均流線相連，還與求差電路的另一個輸入端相連；求差電路的輸出端與差動放大器或隔離放大器的輸入端相連，差動放大器或隔離放大器的輸出端經加權網絡與求和電路相連。本發明的特點及技術效果1.結構簡單、低成本，電路實現容易；2.可以構成N+X冗余逆變系統；3.構成并聯系統時可以實現模塊之間電氣隔離(控制電路部分)，抗擾性好、可靠性高；4.構成并聯系統時可以實現電流瞬時值均流，動態均流性能好。
圖2為已有的可并聯工作的正弦波逆變器的逆變及均流原理框圖。
圖3為采用本發明的逆變器并聯時的系統結構框圖。
圖4為本發明的可并聯工作的正弦波逆變器的逆變及均流原理框圖。
圖5為本發明的同步控制器結構原理圖。
圖6為本發明的均流控制電路結構原理圖。
圖7為本發明的同步控制器實施例結構圖。
圖8為本發明的均流控制電路實施例結構圖。
圖9為本實施例用于并聯系統中輸出電流及電壓波形圖。
本發明的逆變器除了功率輸入輸出端口之外，還有一個并聯總線端口PARA。只要將這樣的逆變器模塊的并聯總線端口PARA及功率輸出端口OUT連接到相應的并聯控制母線31和交流輸出母線32，而不需要任何其它的控制裝置，這些逆變器模塊就可以組成并聯系統工作。如圖3所示，圖中，以三個本發明的逆變器為例。
本發明的工作原理和已有技術相同的是，也是通過更新圖1常規逆變器控制信號vx的產生方法、即重新設計從syn信號到vx信號之間的處理環節I來實現并聯控制功能的。這是實現并聯控制的各種方法的共性。但本發明的具體實現并聯控制的方法(即控制信號vr的產生方法)和電路與已有技術不同。
本發明的可以并聯工作的正弦波逆變器，并聯控制(逆變與均流控制)原理如圖4所示，其結構與圖1相比增加了兩個環節一是在基準正弦信號發生器和市電采樣及整形電路之間插入一個同步控制器，取代syn、為基準正弦信號發生器提供新的市電相位基準信號syn1*，其功能是消除并聯系統中由于各逆變器模塊的基準電壓信號vr之間的相位差造成的環流；二是增加了一個由環流傳感器和加法器組成的控制環節II，環流傳感器的輸出信號dvif反映相并聯的逆變器模塊之間的環流，dvif與輸出電壓采樣信號vf合成后的信號vf*取代圖1中的輸出電壓采樣信號vf、輸入給電壓調節器，環節II與電壓調節器共同作用，實現均流與逆變控制。圖4中的同步線和均流線組成圖3中新逆變器模塊的并聯總線PARA，多個逆變器模塊組成并聯系統時，所有逆變器模塊的同名信號通過并聯總線31(圖3)分別相連。
本發明的同步控制器的組成如圖5所示，主要由一個微控制器(MCU)和五個光偶組成，同步線包括同步相位線51和同步狀態線52。圖5中MCU輸出的信號syn1經光偶3隔離后輸出到“同步相位線51”，并在此線上與其它模塊輸出的信號實現“線與”(也可以是相“或”)、生成信號syn*。syn*經光偶4隔離后(記作syn1*)又送回MCU；光偶1、2分別與光偶3、4的電路和作用相同。經光偶5隔離輸出的信號Ctr是圖6中開關S的控制信號，稍后介紹。
當市電采樣信號syn正常時，MCU跟蹤syn、并由MCU中的程序產生與syn同相同頻的方波信號syn1；當syn異常時，MCU不理會syn，而是由該程序產生標準頻率(如50Hz)的方波信號syn1、并根據syn1*的相位和頻率每個周期微調syn1的相位和頻率，使syn1總是盡可能地與syn1*保持同步。sta1是表示本模塊對syn信號是否正常的判斷結果的狀態信號、而sta*則是所有并聯模塊的表決結果，MCU實際上是根據sta1*的狀態決定syn1是否跟蹤syn相位，以保證正常與異常的臨界情況下并聯系統中各個逆變器的同步控制器的工作狀態(是否跟蹤syn)一致。逆變器在某些應用場合(如構成航空靜止變流器)并無交流輸入，這時，相當于上述syn異常的狀況。
因此，在同步控制器的作用下，無論市電正常與否，每個模塊中各自產生的正弦基準信號vr總是與互連信號syn*同頻同相、因此這些正弦基準信號都是同頻同相的，這是并聯工作的逆變器之間能均分負載的前提條件。而且由于各模塊的syn1信號都保持同步，因此當其中任何一個逆變器關機時、syn*信號便自動由其余模塊的syn1信號生成、syn*信號并沒有任何變化；當一臺逆變器投入并聯系統時，由其MCU軟件控制，在其程序syn1信號與syn1*(syn*)同步之后再將其輸出到MCU端口、不影響syn*信號(同步之前syn1信號線上的電平使光偶3器件內部的發光二極管不導通、光偶阻斷了該線上的電平對其輸出端syn*信號發生作用)。因此，就同步控制部分而言，并聯系統中的逆變器模塊是允許熱插拔的。
本發明的控制環節II的電路組成原理如圖6所示，包括電流采樣電路、求差電路、差動放大器或隔離放大器、加權網絡、電阻R、開關S及求和電路。圖6中，通過電流互感器(或霍耳傳感器)實現電流采樣電路，被采樣的電流io可以是逆變器輸出電流或逆變器輸出濾波電感電流。各并聯模塊通過均流線相連，即所有并聯逆變器模塊的電流采樣信號vif經過各自的電阻R及開關S連到均流線，當本逆變器模塊參與并聯工作時S接通、否則S斷開。因此無論幾個逆變器模塊并聯，均流線上都會自動生成各工作模塊電流采樣信號的平均值vif*，vif*也就表示各個逆變器模塊應該分擔的平均負載電流。然后vif1與vif*的差值dvif’(即環流)由求差電路求出，各并聯逆變器模塊中的環流信號dvif’都以GND1為基準地(各逆變模塊的GND1點是相連的)、它們是共地的。dvif’信號經過隔離放大器或差動放大器轉換為以GND2為基準地的環流信號dvif。GND2是本逆變器中除環流檢測電路(這部分電路是低通的，對地線干擾不敏感)之外的其他電路部分的基準地，因此隔離放大器或差動放大器使各逆變器模塊除環流檢測電路部分之外的其它逆變控制電路與并聯系統中的其它逆變器模塊電氣隔離的或不共地的，從而使并聯系統有很好的抗擾性。
環流信號dvif經過加權網絡加權后、通過求和電路與輸出電壓采樣信號vf相加、生成信號vf*。vf*取代圖1中的vf信號輸入到電壓調節器，此電壓調節器兼作均流調節器、而不需要另外的電流控制器，其輸出信號vx包含了環流及電壓誤差(vf-vr)信息，當輸出電壓偏離基準正弦信號或者環流增大時，該調節器都會迅速作出反應、再經過逆變器其它控制電路及功率電路的作用，調節輸出電壓，輸出電流的均衡(均流)也是通過這樣輸出電壓的調節來實現的。加權網絡可以是電阻或阻容網絡，改變其數值可以調整均流環路增益。
圖6中的開關S當且僅當本逆變器模塊參與并聯運行時接通(如逆變器慢起動過程中不能參與并聯工作、這時S尚處于斷開狀態)。S可以是模擬開關與繼電器(該繼電器當且僅當環流檢測部分有電、或功率逆變電路工作時接通)串聯，也可以只用模擬開關、而在機械結構上將均流線設計為最短插腳(保證它比環流檢測電路的輔助電源后通先斷)，目的是確保在環流檢測電路的輔助電源建立之前不對系統均流信號線有干擾或影響，。圖6中Ctr是指模擬開關的控制信號，它由圖5中MCU輸出，與逆變功率輸出開關(一般為交流接觸器并聯可控硅)同時通斷。因此，就均流控制部分而言，并聯系統中的逆變器模塊也是允許熱插拔的。與前述同步控制部分的熱插拔性能結合，整個逆變器模塊是允許熱插拔的。
本發明的一種實施例為可冗余并聯工作的1KVA逆變器(額定輸出電壓100V50Hz)。該逆變器的并聯與逆變控制核心實現電路如圖7和圖8。
本實施例的同步控制器結構如圖7所示，圖7中，INT0和INT1分別是MCU的外部中斷申請輸入引腳，P1.0、P1.1和P1.3為輸出、P1.2和P1.4為輸入位端子。圖7中的光偶1～5分別對應圖5中的光偶1～5。并聯時各逆變器模塊中的光偶1在它們的集電極直接相連、實現隔離及“線與”，只要有一個逆變器模塊中的光偶1導通(表示本模塊認為syn異常)則同步狀態總線信號sta*及所有逆變器模塊通過光偶2隔離讀回的sta1*信號均為低電平、并聯系統的輸出電壓不跟蹤市電相位信號syn。當本模塊開始參與并聯工作之前，其光偶1不導通、對總線信號sta*無影響。光偶3、4的接線分別與光偶1、2相同，同步相位總線信號syn*是由所有并聯逆變器模塊輸出的相位信號syn1“線與”生成的，同樣在本模塊開始參與并聯工作之前，光偶3不導通、對總線信號syn*無影響。在圖7的電路中，MCU除了同步控制之外，還實時讀入逆變器功率輸出開關的控制信號INV_S、并據此隔離輸出控制開關S的控制信號Ctr，以控制S與逆變器功率輸出開關同步動作。
圖8為本實施例的均流控制電路結構，圖中電流互感器CT和采樣電阻Rs構成電流采樣電路、并采樣逆變器輸出電流io.；模擬開關S的控制信號Ctr由圖7中MCU給出，當本逆變模塊參與并聯工作時，S接通，電流采樣信號vif通過電阻R接到均流線、參與生成平均電流信號vif*；差動放大器1求出vif的vif*的差值、即環流信號dvif’；差動放大器2從相對于基準地GND1的dvif’信號得到相對于基準地GND2的環流信號dvif、實現“地”信號的變換。Ra和Ca構成阻容加權網絡，阻容加權網絡兼作求和電路的一個輸入支路、構成加權求和電路，環流信號dvif與輸出電壓采樣信號vf加權求和后得到圖4電壓調節器的輸入信號vf*。
三臺采用本發明的逆變器并聯工作時的實驗波形如圖9。圖中CH1、CH3和CH4分別是輸出電流的采樣信號(電流采樣系數100mV/A)，CH2是并聯系統的輸出電壓。實驗結果表明，采用本發明組成的并聯系統可以獲得很好的均流效果。
權利要求
1.一種可以并聯工作的正弦波逆變器，包括由逆變電路組成的功率單元和逆變控制單元兩部分，逆變控制單元主要包括市電采樣及整形電路、輸出電壓采樣電路、基準正弦信號發生器、電壓調節器及其它控制電路；其特征在于，還包括連接在該市電采樣及整形電路和基準正弦信號發生器之間的同步控制器及用于與外部相連的由同步相位線和同步狀態線組成的同步線，以及與電壓調節器輸入端相連的由環流傳感器、求和電路及與外部相連的均流線組成的控制環節；該同步控制器用于消除并聯系統中由于各逆變器模塊的基準電壓信號vr之間的相位差造成的環流；該控制環節與電壓調節器共同作用，實現均流與逆變控制。
2.如權利要求1所述的可以并聯工作的正弦波逆變器，其特征在于，所說的同步控制器主要由一個微控制器(MCU)和用于對該微控制器的輸入及輸出信號隔離的五個光偶組成。
3.如權利要求1所述的可以并聯工作的正弦波逆變器，其特征在于，所說的環流傳感器包括電流采樣電路、求差電路、差動放大器或隔離放大器、加權網絡、電阻及開關；其中，電流采樣電路的輸出端與求差電路的一個輸入端相連，同時電流采樣電路的輸出端通過電阻后經開關與均流線相連，還與求差電路的另一個輸入端相連；求差電路的輸出端與差動放大器或隔離放大器的輸入端相連，差動放大器或隔離放大器的輸出端經加權網絡與求和電路相連。
全文摘要
本發明屬于正弦波逆變器并聯控制技術領域，涉及可以并聯工作的正弦波逆變器。包括由逆變電路組成的功率單元和逆變控制單元兩部分，逆變控制單元主要包括市電采樣及整形電路、輸出電壓采樣電路、基準正弦信號發生器、電壓調節器及其它控制電路；還包括同步控制器及同步線，以及由環流傳感器、求和電路及與外部相連的均流線組成的控制環節。本發明具有結構簡單、低成本，電路實現容易的特點，且采用本發明的逆變器模塊組成的并聯系統的每一個逆變器模塊都可以熱插拔。各逆變器模塊的控制部分是不共地、或完全電氣隔離的，使并聯系統有很好的抗干擾性能。
文檔編號H02J3/38GK1430322SQ0310206
公開日2003年7月16日 申請日期2003年1月30日 優先權日2003年1月30日
發明者邢巖, 劉亞東, 黃立培 申請人:清華大學