模塊化并聯(lián)均流單相逆變器設(shè)計(jì)

李 林，謝 明，黃 松

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車逐漸擠占了傳統(tǒng)能源汽車的市場份額[1]。逆變器也在新能源、電機(jī)控制等領(lǐng)域有著更高更靈活的需求。隨著高壓大功率設(shè)備在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[2]，已有的單項(xiàng)逆變和三相逆變器[3]功率大小都要根據(jù)不同場合獨(dú)自設(shè)計(jì)使用。超大功率的逆變器不易設(shè)計(jì)且成本較高，出現(xiàn)故障不易維修替換。針對這些問題，本研究設(shè)計(jì)了一種模塊化可并聯(lián)的逆變器，通過采樣和通信來同步各個(gè)逆變器的相位和幅值。模塊化設(shè)計(jì)降低了設(shè)計(jì)成本和維修的成本，在不同功率要求的場合靈活地選擇并聯(lián)。逆變器通過PID(Proportional Integral Derivative)算法控制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)調(diào)制，具有良好的性能參數(shù)，可用在具有不同電壓頻率需求的場合[4]。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

為驗(yàn)證逆變器相位同步及均流性能，本文設(shè)計(jì)模塊化單項(xiàng)逆變樣機(jī)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，通過隔離采樣和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)逆變功能，為所設(shè)計(jì)軟件算法和通信搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.1 逆變電路拓?fù)?/h3>

單項(xiàng)逆變器采用標(biāo)準(zhǔn)的全橋電路拓?fù)?。輸入的直流電源?jīng)過穩(wěn)壓電容和濾波電容，再經(jīng)過4個(gè)由4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的MOSFET構(gòu)成了單項(xiàng)全橋逆變電路的主電路[5]，再經(jīng)過LC濾波電路后輸出。

1.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)產(chǎn)生所驅(qū)動(dòng)PWM(Pulse Width Modulation)信號(hào)電壓不足以驅(qū)動(dòng)開光管，采用驅(qū)動(dòng)電路將TTL電平升為15 V。在本文中不同開關(guān)管的源極不等電位，故將驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行光耦隔離[6]。本文選用TLP250作為光耦隔離芯片，其內(nèi)部包含一個(gè)GaAlAs發(fā)光二極管和一個(gè)集成光探測器[7]，適用于IGBT或電力MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)。

1.3 隔離采樣電路

采樣電路選擇HCNR201，用于隔離采樣，由一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光電二極管構(gòu)成。光隔離可保護(hù)電路，光電二極管構(gòu)成的反饋電路也能較好地抑制溫度等工模信號(hào)的干擾。

對于交流電壓有效值信息，可通過交流電壓采樣，單片機(jī)ADC(Analog-to-Digital Converter)讀取后調(diào)用函數(shù)計(jì)算有效值。本實(shí)驗(yàn)為節(jié)省計(jì)算資源，通過采用交流電壓，經(jīng)過精密整流[8]和濾波后得到交流電壓值進(jìn)行讀取。

2 程序設(shè)計(jì)

本文為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)[9]靈活并聯(lián)，旨在通過控制使主機(jī)及從機(jī)逆變電壓幅值和相位完全相同。

2.1 主逆變器設(shè)計(jì)

主逆變器和從逆變器通過建立通信來實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位同步。通過通信設(shè)置相同的電壓幅值，使得輸出電壓幅值相同。最后設(shè)置合適的載波頻率和PI系數(shù)，使兩個(gè)逆變器能夠在同步的前提下獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能。

本文的主要研究目的是實(shí)現(xiàn)輸出電壓波形的相位同步，其核心方法是主機(jī)與從機(jī)要周期性的進(jìn)行相位對齊，因此模塊之間的通信必不可少。由于數(shù)字信號(hào)傳輸比模擬信號(hào)傳輸稍慢[10]，經(jīng)過試驗(yàn)測試，模擬信號(hào)進(jìn)行相位信息傳輸有更好的效果。綜上所述，本文采用模擬信號(hào)傳輸方式，通過使用單片機(jī)DAC(Digital-to-Analog Converter)引腳，以0 V對應(yīng)零相位，3.3 V對應(yīng)360°相位進(jìn)行表示；從機(jī)通過識(shí)別電壓信息進(jìn)行相位實(shí)時(shí)校正。主機(jī)函數(shù)流程圖如圖1所示。

圖1 主逆變器程序流程圖

2.2 從逆變器設(shè)計(jì)

從逆變器使用與主逆變器相同的PID算法和系數(shù)，使主機(jī)和從機(jī)輸出電壓有效值相同。從逆變器通過主從機(jī)之間的通信得到了主機(jī)當(dāng)前時(shí)刻輸出相位信息，根據(jù)其信息再對從機(jī)的輸出波形進(jìn)行校正，如圖2所示。綜上即可使從機(jī)和主機(jī)具有實(shí)時(shí)的輸出電壓同步和輸出相位同步，同步后的模塊化逆變器即可具有靈活并聯(lián)的功能。

圖2 從逆變器程序流程圖

2.3 SPWM調(diào)制軟件設(shè)計(jì)

本文采用PWM技術(shù)對電路中開關(guān)元器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，再通過具體的設(shè)定值對其產(chǎn)生的PWM驅(qū)動(dòng)波進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變輸出電壓的大小或頻率[11]。單項(xiàng)逆變電路采用SPWM調(diào)制的方案。軟件設(shè)計(jì)包含主機(jī)程序和從機(jī)程序兩部分設(shè)計(jì)調(diào)制，均可通過硬件實(shí)現(xiàn)。本研究使用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路[12]，用比較器來確定開關(guān)器件的通斷時(shí)機(jī)，即可生成SPWM調(diào)制波。

單片機(jī)可以通過軟件設(shè)置輸出SPWM波進(jìn)行控制，具體有查表法和計(jì)算法。本文實(shí)驗(yàn)使用PID進(jìn)行控制[13]，所用的STM32F407單片機(jī)有足夠的計(jì)算能力，可使用直接計(jì)算的方法得到實(shí)時(shí)占空比信息。

2.4 隔離采樣電路

本實(shí)驗(yàn)使用PID控制，采用電壓電流雙環(huán)控制方案。電壓環(huán)可控制輸出電壓有效值跟隨設(shè)定值變化。電流內(nèi)環(huán)通過采樣主從逆變器的電流有效值，再對兩個(gè)逆變器驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制[14]，最終達(dá)到主機(jī)與從機(jī)輸出電流有效值相同的功能。兩個(gè)調(diào)節(jié)器共同作用使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)工作穩(wěn)定[15]。雙閉環(huán)程序流程圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)程序流程圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

Simulink是MATLAB中的一款仿真工具，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析。本文選擇在Simulink搭建仿真模型，驗(yàn)證前文的分析以及所提出算法的可行性。

3.1 仿真

通過仿真驗(yàn)證上文中算法，目標(biāo)參數(shù)如表1所示。直流側(cè)并聯(lián)的穩(wěn)壓電容具有穩(wěn)壓、儲(chǔ)能、構(gòu)造中點(diǎn)等功能。當(dāng)選取的電容容量過小，穩(wěn)壓效果不好；電容容量偏大時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，同時(shí)變流器的體積與重量增大。綜上，本文選擇1 000 μF的電容穩(wěn)壓。

表1 逆變器測試參數(shù)

逆變器在高頻開關(guān)模式工作時(shí)，輸出的交流電含有大量的高頻諧波，因此輸出側(cè)要加濾波電路提高電能質(zhì)量。常用的濾波器類型有L、LC、LCL。單電感L濾波器成本低，但濾波效果有限；LC型為低通濾波器，能夠有效抑制高頻信號(hào)，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；LCL濾波器集合了L與LC的優(yōu)勢，但成本高。綜上，本文選取LC型濾波器，以單相電路為例分析。假定電路中的器件都是理想的，為了使濾波后的輸出諧波特性好并避免諧振，LC濾波器的截止頻率fL應(yīng)為載波頻率fC的1/10～1/5，如式(1)所示。

(1)

如圖4仿真所示，搭建上文中控制算法，仿真中使用外環(huán)的電壓環(huán)調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，內(nèi)環(huán)使用電流環(huán)進(jìn)行均流控制。根據(jù)需要選擇50 Hz作為逆變輸出頻率，基于計(jì)算式選擇濾波電容600 μF，電感20 mH，輸入直流電壓30 V，輸出電壓有效值設(shè)定為20 V，輸出負(fù)載為10 Ω。主從逆變器電流均流運(yùn)行時(shí)電壓波形和電壓有效值波形如圖5所示。由圖5可知主從逆變器的電流波形一致，說明實(shí)現(xiàn)了相位同步功能且均流效果良好。

圖4 系統(tǒng)仿真電路圖

圖5 主從逆變器仿真電流波形圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論與實(shí)驗(yàn)的正確性，按照仿真電路搭建實(shí)物平臺(tái)。首先在輸入電壓為30 V，開關(guān)頻率為10 kHz，逆變器輸出有效值20 V/50 Hz的條件下進(jìn)行并聯(lián)測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩個(gè)逆變器的電壓相位同步性能良好。檢測兩逆變器手粗電流波形如圖6所示，可以看到主從逆變器在并聯(lián)之后的電壓幅值和相位完全一致，而且也具有不錯(cuò)的均流效果，驗(yàn)證了上文所述的控制及通訊模型，證明其可以實(shí)現(xiàn)期望模塊化并聯(lián)功能。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文先確定使用SPWM全橋逆變電路作為開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，介紹樣機(jī)各個(gè)電路的設(shè)計(jì)及元件選型。逆變電路使用全控性開關(guān)器件，并設(shè)計(jì)優(yōu)化了PI參數(shù)選擇，使其具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)性能。通過MATLAB仿真可以看到逆變電路具有響應(yīng)速度快和穩(wěn)態(tài)性能好的優(yōu)勢。本文研究重點(diǎn)在于多臺(tái)逆變電路的同步控制，使用并驗(yàn)證了不同的通信方法，最后采用通信方式和調(diào)制手段，使多個(gè)逆變器并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高度的同步和均流功能。本文根據(jù)電力電子理論、控制理論并結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功地在兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了可以隨意靈活并聯(lián)使用的功能，滿足了不同功率等級場合的需求[16]。本研究不僅解決了大功率逆變器設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本高的問題，還在更換維修上減少了成本。采用本文方法可以穩(wěn)定可靠地并聯(lián)使用模塊化的逆變器進(jìn)行工作。在未來，可在并聯(lián)同步的同時(shí)，實(shí)施載波的錯(cuò)位和占空比隨機(jī)微調(diào)的處理方法，達(dá)到減少諧波的目的。