基于CAN总线的逆变电源分布式并联控制

柳彬 蔡凯 孙朝晖 徐正喜

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

交流稳定电源使用的逆变电源，除了要求具有比较好的输出性能指标外，还要求具有比较高的可靠性。以两台或多台逆变电源并联组成供电系统，共同分担电网负荷，是提高电网容量的一种有效途径[1,2]。采用分布式并联控制技术的逆变电源，每台逆变电源在并联系统中作用等同，各自独立工作，依靠互联线进行信息交换或综合，对自身的输出电压幅值、频率和相位进行调节，最终实现负载均分。

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，其最大特点是对通信数据进行编码，其优点是网内的节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节点同时接收相同的数据，因此非常适用于逆变电源分布式并联系统[3]。

本文提出了一种基于 CAN总线的逆变电源分布式并联控制方案，采用该方案的并联系统中的各逆变电源通过 CAN总线与其他逆变电源进行信息交换，具有速度快、可靠性高、扩展性好、抗干扰性强等优点，系统性能优良。

1 逆变电源并联等效模型

逆变电源并联运行理想状况是并联的逆变电源输出特性完全一致，对交流电源来说，即输出电压的幅值相同，频率和相位一致。实际上，由于器件参数的分散性，这一点是很难做到的。由于各逆变电源输出特性的差异，形成了并联系统中的环流。环流是并联系统难以正常运行的关键所在。逆变电源的并联特性分析可以从两台逆变电源并联等效模型得到，如图1所示。

图1 两台逆变电源并联等效模型

其中 r1、r2为逆变电源输出等效电阻，L1、L2、C1、C2分别为滤波电感和滤波电容，U1、U2为逆变桥臂输出的电压，Z为负载（可为阻性、容性、感性或非线性等）。设 L1=L2=L，C1=C2=C，r1=r2=r。U1和U2输出为SPWM波，电感电流i1和i2为逆变电源的输出。

由图1可以得出：

一般情况下r＜＜Z，可得：

则并联系统中环流为：

通过该并联环流的表达式我们可以得到如下结论：环流ίH的相位、幅值大小由两台逆变电源的电压矢量差、等效输出阻抗r+jωL确定，与负载Z无关。在实际电路系统中，由于r+jωL仅仅为线路阻抗，值非常小，当两台并联的电源输出电压存在矢量差˙时，将在并联电源的输出端形成较大的电流，该电流流通在并联电源之间，形成环流。进一步地，当ωL＞＞r时，电压幅值差主要造成了电源之间的无功环流，相位差主要造成了电源之间的有功环流。

2 逆变电源分布式并联控制

逆变电源的并联控制方式主要包括三大类，即：集中控制方式、主从控制方式和分布式控制方式[1,2]。这些控制方式都是通过某一特定逻辑单元或各并联模块之间相互传递均分负荷信息，在确知总的负载信息或某一并联综合信息的前提下对逆变电源的输出进行调节，实现并联系统的稳定运行。

逆变电源分布式并联控制方式，相对于集中控制方式，由于没有集中控制单元，更易实现扩展和冗余；相对于主从控制方式，由于分布式控制方式中每台逆变电源地位的均等性，其中任何一台失效都不会影响到并联系统的正常运行，大大提高了并联系统的可靠性。一种逆变电源分布式并联控制原理如图2所示。

图2 逆变电源分布式并联控制框图

图2表示了逆变电源分布式并联控制系统中某一台逆变电源的并联控制过程。逆变电源在获取了并联系统中其它逆变电源的有功功率和无功功率信息后，和本机计算得到的功率信息一起进行综合，得到并联系统中每台逆变电源应输出的有功功率和无功功率指令。通过功率调节器，将功率差转化为逆变电源输出的幅值和相位（频率）的变化量，叠加到逆变电源的指令上，从而影响逆变电源的输出，最终使得各台逆变电源的有功功率和无功功率实现均分。图2中采用了有功功率闭环调节电压相位（频率），无功功率闭环调节电压幅值的控制方式。

3 基于CAN总线通讯的信息交换方式

逆变电源分布式并联控制系统中，逆变电源之间的信息交换可以通过多种方式进行，可以是脉宽方式进行逻辑综合或者是模拟信号方式求均值，也可以通过通讯方式进行。本文提出了一种基于 CAN总线通讯的并联信息交换方式，与其它通信总线相比，CAN总线具有多主运行和分散仲裁以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可以在各节点之间实现自由通信。

并联系统中的各逆变电源将各自的并联信息用数字形式，采用总线广播方式发送到 CAN总线上，每台逆变电源均能接收到其它单元的并联信息，包括功率、设备状态、开关量以及通讯正常指示等信息，然后将接收到的功率信息进行综合，解耦出本机输出的电压调节量和相位调节量，进行并联控制。图3显示了基于CAN总线的逆变电源分布式并联控制框图。

图3 基于CAN总线的逆变电源分布式并联控制框图

图4 CAN总线接口电路

CAN总线收发器采用 PHILIPS公司的总线接口芯片PCA82C250，接口电路图如图4所示。

4 试验结果

由两台三相逆变电源组成分布式并联系统，在此基础上进行了试验验证。逆变电源并联控制CAN总线每一个基波周期（20 ms）发送和接收一次数据，CAN总线通讯波特率选择250 kbps。两机并联条件下CAN总线波形如图5所示。

两机并联时分别由两台设备发送到总线的两个数据帧如图6所示。试验中数据帧为标准帧格式，其中数据段为8个字节64位，数据帧还包括ID段、控制段和CRC段等，共108位，因此每帧长度为1/250 k×108=432 μs。两机并联输出电压和电流波形如图7所示，输出电压为380V 50 Hz，输出总电流为260 A，两机各承担130 A电流，其中环流iH不大于30 A，并联系统性能优良。

图5 两机并联CAN总线波形

图6 CAN总线波形展开图

图7 两机并联输出电压和电流波形

5 结论

以两台或多台逆变电源组成供电系统，并联冗余运行，共同分担电网负荷，在提高电网容量的同时也提高了供电系统的可靠性。

本文提出的基于 CAN总线的逆变电源分布式并联控制方案，解决了分布式并联系统中各并联单元之间的信息交换问题。CAN总线协议具有速度快、可靠性高、扩展性好、抗干扰性强等优点，并且很容易嵌入到逆变电源数字控制系统中。该控制方案可以扩展到多台逆变电源组成的并联系统中，扩容简便，可移植性强，具有很好的工程应用前景。

[1]陈宏, 胡育文. 逆变电源并联技术[J]. 电工技术学报, 2002, 17(5)： 55～59.

[2]李杰, 王武等. UPS逆变电源的并联控制技术综述[J]. 通信电源技术, 2005(8)： 7～10.

[3]王晓寰, 张纯江等. 现场总线控制的单相逆变电源并联系统[J]. 电工技术学报, 2007(10)： 109～112.

[4]段善旭, 康勇, 陈坚. UPS模块化电源系统并联控制策略分析[J]. 电工技术杂志, 2004, 26(1)： 46～50.

[5]段善旭, 刘邦银等. 基于分散逻辑的 UPS逆变电源并联控制技术[J]. 电力电子技术, 2004(2)： 56～58.