基于CPLD的大功率逆变电源并联控制器

载电压的有效值相量。 在 理 想 情 况 下 ， 假 设 ｒ１＝ ｒ２＝ ｒ ， Ｌ１＝ Ｌ２＝Ｌ ， 当 耦 合 系 数 Ｋ＝
台 逆 变 电 源 输 出 线 路 的 电 阻 ； ｗ 表 示 逆 变 电 源 的 角 频 率 ； Ｌ１、
１ 时， M I I U U I
Ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＰＬＤ
ＤＯＮＧ Ｙａｎ－ｊｕｎ， ＷＵ Ｘｉａｏ－ｈｕａ， ＺＨＡＯ Ｗｅｉ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｂｉｎ， ＹＵＥ Ｘｕｅ－ｌｉａｎｇ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ ’ａｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００７２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ ： Ｔｈｅ ｒｅａｓ ｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｈａｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ ａｎｄ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｓ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓ ｅｄ． Ｐ ａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ＣＰ ＬＤ （ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ） ａｎｄ ｔｗｏ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗｅｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅｓ ； ｐａｒａｌｌｅｌ； ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ； ＣＰ ＬＤ
多台逆变电源并联运行不仅可以扩大电源的容量， 而且 可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性， 比单台大功率 逆变电源具有更多的优点。然而逆变电源并联工作相对于直 流电源并联要复杂得多， 需要解决负载均衡、同步等关键技 术。 多台逆变电源投入运行时， 相互间的频率、 相位、 瞬时电压 幅值必须达到一致或小于容许误差， 功率的分配包括有功和 无功功率的平均分配， 即均流包括有功和无功两部分。 当控制 不当时， 整个供电系统容易出现功率输出不均衡， 以至于在任 意两台逆变电源之间形成较大的环流， 过大的环流使逆变电 源的开关功率器件的负担加重， 发散的环流将使得电源并联 论文通过分析环流产生原 系统崩溃， 导致对负载供电的中断。 因及其危害， 应用控制与保护相结合的策略， 对环流进行有效 抑制。 理想状况下当并联运行的逆变电源输出电压的瞬时幅 值、 频率以及相位一致时逆变电源电压差为零。 在实际逆变电 源并联系统中， 由于电路参数的差异， 负载的经常变化或者控 制系统的固有特性等原因， 逆变电源输出电压的瞬时值往往 不可能完全相等， 从而产生压差， 形成环流。瞬时电压幅值有 差异时会出现环流， 部分逆变单元吸收无功功率， 另一部分输 出无功功率； 存在相差时， 逆变单元之间会出现较大的环流， 主要为有功环流， 相差太大时有可能使逆变器工作在整流状 态。 只有并联运行逆变电源输出瞬时电压幅值、 频率和相位相 一致或在容许误差范围内， 才能有效地消除环流， 保证并联逆 变 电 源 的 正 常 运 行 及 负 载 的 正 常 工 作 ［２］ 。
２ 抑制环流的方法
环 流 的 抑 制 分 为 主 动 消 除 和 被 动 抑 制 。主 动 消 除 是 从 环 流产生的根本入手， 通过逆变电源控制部分的反馈调节， 如采 用 相 位 自 动 跟 踪 技 术 ［３］使 逆 变 电 源 输 出 的 瞬 时 电 压 幅 值 、 频率 和相位与基准值相一致， 电压差为零， 消除环流。被动抑制是 考虑在逆变电源并联系统中引入均衡电感来抑制环流或者切 断两台逆变器之间的并联关系。现以两台逆变电源为例进行 分 析 ， 引 入 均 衡 电 感 后 系 统 模 型 如 图 １（ａ） 所 示 。 Ｌ１ 和 Ｌ２ 为 绕 在 铁 心 柱 上 的 一 个 线 圈 中 间 引 出 一 个 中 心 抽 头 ， 这 样 Ｌ１ 和 Ｌ２ 可以看作两个耦合系数为 １ 的全耦合电感， 其等效电路图如 环流是由于两逆变电源之间存在压差而引起的， 图 １（ｂ） 所 示 。 可 以 将 环 流 ＩＨ 定 义 为 不 经 过 负 载 而 在 两 逆 变 电 源 之 间 流 动 的 电 流 。 由 图 １（ｂ） 分 析 可 知 ：
ｒ ２ 分别表示两 分 别 表 示 两 台 逆 变 电 源 电 压 的 有 效 值 相 量 ； ｒ １、 Ｌ２ 分 别 表 示 线 圈 Ⅰ 和 线 圈 Ⅱ 的 自 感 ； Ｍ 表 示 两 线 圈 之 间 的 互 ・ ・ 感 ； Ｉ Ｈ 表 示 两 台 逆 变 电 源 之 间 环 流 的 有 效 值 相 量 ； ＵＲ 表 示 负
ｗｅｒｅ ｒｅｓ ｅａｒｃｈｅｄ．
Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗａｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｕｓ ｅ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｉｒｃｒａｆｔ ｐｏｗｅｒ ｓ ｕｐｐｌｙ ｓ ｙｓ ｔｅｍ ｓ ｕｃｃｅｓ ｓ ｆｕｌｌｙ，
同步范围即允许相差。在相差允许范围内两台逆变电源可以 并联， 相差大于允许范围时作为不同步处理， 两台逆变电源不 允许并联。 实际情况中相差在并联允许范围附近的波动， 以及 并联运行的频繁转换。如图 ３ 所示在相位阀值电路后级引入 延 时 电 路 是 很 有 必 要 的 ， 在 ２００ ｍｓ（１０ 个 周 期 ） 内 相 差 都 不 在
U −U ∆U = = 2 r + 4 jω L 2 r + 4 jω L
功率信号的产生， 需要对两台逆变电源的相差和压差进行实 时检测， 判断是否在允许范围内， 通过逻辑控制部分产生功率 触发信号实现两逆变电源的并联控制。
３．１ 相差与压差检测
相 位 同 步 检 测 原 理 如 图 ３， 在 相 位 阀 值 电 路 中 设 置 一 个
 à Á à ÅÆÅ Ä Á  Âà Á Â Ä Ã Ä Á Â Ä ÄÁ àÁ à Äà ÄÂ
工 装 设 备
输出总电流不相等。
图１ 逆变器并联模型等效电路
分量总是平衡的， 但是环流分量的存在使得两台逆变电源的 频率和相位都处于一个动 实际情况中， 瞬时电压幅值、
态稳定的过程， 同一时刻下， 三者都不可能完全相等， 或多或 用主动消除与被动抑制相结合的方式， 在压差较小环流较弱 的情况下， 均衡电感的引入简便有效地抑制了环流对整个系 统的危害。在压差较大同时逆变电源的反馈控制环节不能作 出及时响应的情况下， 会产生较强的环流， 均衡电感已不足以
ｒ＜＜ｗＬ＜＜ＲＬ 。 在 忽 略 线 路 电 阻 ｒ 的 情 况 下 ， 式 （４） 可 化 简 为 ： U +U U = 2 （５）
由 式 （６） 可 以 看 出 ， 两 台 逆 变 电 源 输 出 电 流 由 两 部 分 组 成， 一部分为负载电流分量， 另一部分为环流分量； 负载电流
２００６．４ Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．４
１ 逆变电源并联工作需解决的关键技术
逆变电源的并联比一般的直流电源的并联要复杂得多， 最重要的就是要保证各台逆变电源的输出功率分配均匀， 即 达 到 均 流 的 要 求 。 因 此 ， 必 须 满 足 以 下 三 个 条 件 ［１］ ： （１） 并 联 运 行 的 各 台 逆 变 电 源 的 输 出 电 压 的 瞬 时 幅 值 相 等 ； （２） 并 联 运 行 的 各 台 逆 变 电 源 的 输 出 电 压 的 频 率 相 等 ； （３） 并 联 运 行 的 各 台 逆变电源的输出电压的相位一致。
工
装
设
备
基于 ＣＰ ＬＤ 的大功率逆变电源并联控制器
董延军， 吴小华， 赵 炜， 张晓斌， 岳学良
（ 西 北 工 业 大 学 ， 陕 西 西 安 ７１００７２）
摘 要 ： 详 细 介 绍 了 逆 变 电 源 并 联 工 作 产 生 环 流 的 原 因 ， 并 提 出 了 抑 制 环 流 的 方 法 ， 对 基 于 ＣＰ ＬＤ（ 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 ） 的 大 功 率 逆 变 电 源 并 联 控 制 保 护 技 术 进 行 了 深 入 的 研 究 。该 逆 变 电 源 并 联 控 制 技 术 已 成 功 地 运 用 于 飞 机 电 源 系 统 中 ， 实现了两台逆变电源的并联工作。 关 键 词 ： 逆 变 电 源 ； 并 联 ； 环 流 ； ＣＰ ＬＤ 中 图 分 类 号 ： ＴＭ ９１９ 文献标识码： Ａ 文 章 编 号 ： １００２－ ０８７ Ｘ（２００７）０４－ ０３２９－Ｎｏ．４
U −U I = r + jω ( L + M ) U −U I = + r jω ( L + M ) （１） = − ( ω ) U I R j M Á U = U − I j ω ( − M ) U −U I = + + ω (L + L + 2M ) r r j I = I + I ・・ ・ ・ Ｉ ２ 分 别 表 示 两 台 逆 变 电 源 电 流 的 有 效 值 相 量 ； Ｕ１、 Ｕ２ 式 中 ： Ｉ １、
所以系统的设计采 少都会存在差异， 不可避免地会产生环流。
Ｆｉｇ．１ Ｅｑｕｉｖａ ｌｅ ｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｐａ ｒａ ｌｌｅ ｌ ｉｎｖｅ ｒｔｅ ｒ ｍｏｄｅ ｌｓ
抑制环流对系统的影响， 为了保证负载的正常工作， 考虑切断
不正常逆变电源的电压输出， 待正常后再重新投入。 结合理论 分析， 两台逆变电源并联原理图如图 ２ 所示， 两组反相并联晶 闸管作为两逆变器输出的控制与保护器件。通过对电压同相 触发、 电流同相触发和功率触发三种触发方式进行比较后， 晶
闸管的触发信号采用功率触发方式即触发信号取决于功率， 只有逆变电源电压和负载电流均为正或均为负时才产生触发 信号， 这样可以避免在感性负载情况下， 电压同相触发由于电 流的滞后而出现一台逆变电源停止供电时的短路情况， 以及