用于逆变器并联的电力线通信技术研究

陈君杰  冯  峰  林新春  段善旭  康  勇

(华中科技大学 ， 武汉 430074)

摘  要：本文提出了一种逆变器并联的策略，和一般的控制策略不同的是不需要逆变器之间的互联线，而是通过电力线通信来实现负载有功和无功的均分。仿真结果表明这是一种可行的控制方法。

关键词：逆变器  并联  电力线通信

Research on Powerline Communication used for Parallel Operation of Inverters

Abstract: This paper presents an approach to parallel operation of voltage source inverters. Different to traditional strategies , this method doesn’t need the interconnection between inverters except the outpart. However ,inverters share load appropriately taking advantage of powerline communication.Simulations results show this method is feasible.

Key words: inverter  parallel operation  powerline communication

1  引  言

采用大功率开关器件的各类电源供电系统中 ,当因负载的增加而需加大电网容量时 ,可以通过两个途径来实现 :①提高单台逆变器的设计容量 ;②以现有型号的两台或多台电源并联工作 ,共同分担电网负荷以提高电网容量。相对于前一方案 ,第二种方案具有成本低、可靠性高以及可有效提高元件寿命的优点。因此 ,并联技术的研究正逐渐受到重视 ,成为电源技术的发展方向之一。

从并联控制方式的发展和控制结构的演变过程来看，逆变电源的并联技术先后已历经了三个阶段：集中控制、主从控制和分散逻辑控制[1]-[4]。这些控制方式虽然得到了广泛应用，但是它们都需要逆变器之间的互联线来均分负载，这样就存在着系统的单点故障, 容易导致整个系统的不稳定。

本文提出了一种新的控制策略，每个模块检测自己的输出有功及无功，然后通过电力线通信得出有功和无功的调节给定量。为了均分负载，通过模块间有功的差异来调节逆变器的输出相位；通过无功的差异来调节逆变器输出的电压。

2  电力线通信模块

   国内外很早就对电力线通信技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线调制解调芯片，目前国内用得最多的是ST7536，主要是应用在电力线载波抄表领域，波特率为1200bps,这对于逆变器并联这样的实时系统是远远不够的。为了获得良好的通信质量，我们采用了美国Intellon公司的SSCP485扩频芯片，实际的通信速度可达16kbps。电力线调制解调器的构成由下图所示：

   其中SSCP485完成对数字信号的调制和解调。它把0调制成带宽为100kHz-400kHz模拟扩频信号，把1同样调制成100kHz-400kHz模拟扩频信号，但是两者相位相反。SSCP485芯片的数字端接DSP的SCI口，耦合电路的另一端接在逆变器的输出端。

图2为输入滤波器的电路图。由于高频载波信号为100kHz-400kHz的带通信号，为了滤除输入模拟信号中的噪声，采用无源LC滤波器，它的带宽为100kHz-400kHz。

根据上述电力线通信的电路图，做了DSP与DSP以及DSP与PC机的电力线通信的实验，实验环境为电脑，逆变器，空调等负载，在通常情下误码率小于10-6。

SSCP485为了防止网络上的各个节点“竞争”资源，采用了载波监听多路寻址 (CSMA)的协议。在各个DSP通信时把电力线看做一条总线(BUS)。在这条电力总线上的每个结点，在发送数据以前还要首先检查电力总线是否空闲，如果空闲就取得总线的入口,然后再发送数据。收发数据程序流图如图9所示，附在后面。

3  控制策略

3.1  模型分析

两台逆变器并联可以用图5近似等效。图中E1∠ 1，E2∠ 2分别为逆变器1和逆变器2的输出电压和相位，而V 0为负载Z上的电压，jx为阻抗（忽略线路电阻）。由图5可以求出逆变器1和逆变器2发出的有功功率和无功功率：

  =1，2  

从上式可以知道，并联系统中输出电压的相位差主要造成有功功率的差异，使各并联单元间形成有功环流的流通；而输出电压的幅值差则主要导致无功功率的差异，使各并联单元间形成无功环流的流通。而且在两个逆变器之间的相位差很小的话，可以近似的认为有功差与相位差成正比，无功差与幅值差成正比。根据这个理论基础，得出逆变器并联系统控制框图，如图6所示。其中， 、 ， 、 为其他逆变器的无功功率、有功功率， 为本机的无功功率、有功功率。无功均衡控制：由电力线通信获得无功基准 用作各逆变电源输出无功功率的给定信号，用本机的输出无功与其相比，获得误差信号，经过PI调节器后的调节量去改变逆变电源输出电压的幅值，从而达到调节输出无功的目的。有功均衡控制与无功均衡控制类似：由电力线通信获得有功基准 用作各逆变电源输出有功功率的给定信号，用本机的输出有功与其相比，获得误差信号，经过PI调节器后的调节量去改变逆变电源输出电压的频率（相位），从而达到调节输出有功的目的。

图6  逆变器并联控制系统框图

4  系统仿真与分析

图7  逆变器并联仿真框图

控制之后的波形如图8所示。由图中可看出，经过控制之后，环流已得到了很好的抑制，环流功率和环流渐趋向于零，基本上达到了负载均分，可靠的实现了并联运行。图8(a)、(b)中横坐标为0.1ms。

5  结  论

本文提出了一种新的逆变器并联控制策略，给出了电力线调制解调器的硬件设计以及软件设计图，在电力线通信实验的基础上根据2台单相3KVA的逆变器做了仿真实验，结果表明这种控制策略是可行的。

参考文献：

[1]T. Kawabata,et al, “Parallel Operation of Voltage Source Inverters”,IEEE Trans. Ind. Applicat,Vol.2,No.2,March/April,1998  pp.282-287

[2]Joachim Holtz , et al, “Multi-Inverter UPS System With Redundant Load Sharing Control”, IEEE Trans. Ind. Electronics, Vol.37 , No.6, December ,1990, pp.506-513

[3]Jiann-Fuh Chen, rt al , “Combination Voltage-controlled and Current-Conreplled PWM Inverters for UPS Parallel Operation”, IEEE Trans. Power Electronics, Vol.10, No.5, Sept. ,1995, pp.547-558

[4]T.Wu, et al , “A 3C strategy for multi-module inverters in parallel operation to achieve an equal current distribution”, IEEE PESC’98 ,1998,pp.186-192

本课题由国家自然科学基金（50007004）资助

附录：