基于SPI通信的大功率逆变器并联系统、同步方法及在线切换方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于spi通信的大功率逆变器并联系统、同步方法及在线切换方法。

背景技术：

大功率逆变器并联系统在高速列车和汽车加速碰撞试验等领域具有广泛的应用，为了提高系统的冗余度和输出功率，通常需将多台逆变器并联应用，当一台逆变器出现故障时，其它逆变器应当能够正常运行，为系统持续提供电能。逆变器并联的关键在于所有逆变器必须同步运行，否则会在逆变器之间产生较大的环流，降低系统输出功率，增加系统损耗，环流还会使部分逆变器承受过大的电流应力，严重时损坏设备。

随着电力电子技术的发展，已有较多文献研究了并联逆变器的同步方案，在硬件上，可通过在逆变器输出接口串联电感来抑制逆变器环流，但电感体积大，成本高昂，且会增加系统线路的损耗和压降。采用电压频率外特性下垂算法也可实现逆变器的同步控制，其特点是安装维护简单，扩展方便，但对于大功率应用场合，逆变器频率和功率迅速变化，通常没有稳态工作点，因此无法分离出有功功率和无功功率来引入下垂算法。也有文献通过载波同步的方法来减少并联逆变器的环流，但在大功率并联逆变器的一些极限工况下，瞬时电流可能超过器件的极限范围，这需要逆变器的同步精度控制在us级以内，现有的载波同步方法难以满足如此高精度同步要求。另一方面，考虑到系统的冗余性，当单台逆变器出现故障时，系统应当继续运行，现有的同步方法难以实现并联逆变器主从机的平滑切换。

技术实现要素：

本发明的目的是针对大功率并联逆变器同步控制和系统冗余运行问题，提供一种基于spi通信的大功率逆变器并联系统、同步方法及在线切换方法，实现并联逆变器高精度同步，当单台逆变器发生故障时系统能够不间断运行。

为实现上述目的，本发明所设计的基于spi通信的大功率逆变器并联系统，包括上位机和n台并联逆变器，n台所述逆变器包括一台主机和n-1台从机，且每台逆变器具有唯一且固定的序号，每台逆变器包括控制单元和主电路单元；所述上位机与每台逆变器的控制单元之间通过标准rs422通信线相连接，逆变器的主电路单元的pwm脉冲信号输入接口与控制单元的pwm脉冲信号输出接口相连接，并联逆变器的控制单元两两之间通过spi通信相连接，并联逆变器控制单元的每组逻辑信号接口与另一台逆变器控制单元的逻辑信号接口相连接。

进一步地，每组所述逻辑信号接口包括六路二进制逻辑信号接口，其中三路为输出接口，作用是输出三个逻辑信号：pwm使能输出信号pwmenout_x、pwm脉冲装载输出信号pwmstrobeout_x、逆变器故障输出信号faultout_x；另外三路为输入接口，作用是接收三个逻辑信号：pwm使能输入信号pwmenin_x、pwm脉冲装载输入信号pwmstrobein_x、逆变器故障输入信号faultin_x，其中，x为逻辑信号的序列号，范围为1～n-1。

还提供一种上述所述基于spi通信的大功率逆变器并联系统同步方法如下：

步骤1：在每个调制波周期，上位机通过rs422通信向所有逆变器控制单元发送一个数据帧，数据帧包含电压指令和pwm脉冲使能指令；上位机每发送一次数据帧，逆变器控制单元将自身的状态数据发送给上位机；

步骤2：所有逆变器控制单元接收到上位机的数据帧后，将pwm使能指令和电压指令缓存；所有逆变器的控制单元根据电压指令执行调制算法，生成pwm调制波和pwm脉冲信号并缓存；主机控制单元通过spi通信将其生成的pwm脉冲信号发送给从机控制单元，从机控制单元每次接收到主机控制单元发送的pwm脉冲信息就向主机控制单元发送一个响应信息，从机控制单元接收到pwm脉冲信号后将其缓存，此时从机控制单元自身生成的pwm脉冲信号被覆盖；

主机控制单元检测pwm使能指令，若pwm使能指令为0，表示系统待机，此时主机控制单元将所有pwmenout_x信号设置为0并发送给从机控制单元，若pwm使能指令为1表示逆变器开始工作，主机控制单元将pwmenout_x信号设置为1发送给从机控制单元；

步骤3：主机控制单元将pwm调制波与pwm载波进行实时比较，当pwm调制波与pwm载波大小关系发生变化时，主机控制单元立即将逻辑信号pwmstrobeout_x取反；

与此同时，如果pwm脉冲使能指令为1，那么主机控制单元经过延时后加载缓存的pwm脉冲信号，并将其发送给主电路单元；如果pwm脉冲使能指令为0，系统保持待机状态；

步骤4：从机控制单元实时检测与主机控制单元相连接的pwmenin_x信号接口和pwmstrobein_x信号接口；

当主机控制单元发送过来的pwmenin_x信号为0，从机保持待机状态；当主机控制单元发送过来的pwmenin_x信号为1，逆变器开始工作；当主机传输过来的pwmstrobein_x信号发生变化时，从机控制单元立即加载缓存的pwm脉冲信号，并将其发送给主电路单元。

进一步地，所述步骤1中，状态数据包含了逆变器的序号、当前工作状态、详细故障信息和主从机身份。

还提供一种如上述所述基于spi通信的大功率逆变器并联系统在线切换方法如下：

步骤1：主机控制单元在发送完pwm脉冲信号后，检测从机控制单元的响应信息；若未检测到响应信息，主机控制单元向该从机控制单元重新发送k次pwm脉冲信号，若从机控制单元仍无响应，表示该从机离线；

主机控制单元将发送给离线从机的pwmenout_x信号和pwmstrobeout_x信号设置为0，使离线从机退出并联系统，同时，主机控制单元向所有从机控制单元发送队列更新指令，从机控制单元接收到队列更新信指令后将队列中离线从机的故障标志位设置为1；

步骤2：若主机控制单元接收到的一个faultin_x信号为1，表示对应从机发生故障，主机控制单元将发送给故障从机的pwmenout_x信号和pwmstrobeout_x信号设置为0，使故障从机退出并联系统；同时，主机控制单元向所有从机控制单元发送队列更新指令，从机控制单元接收到队列更新指令后，将队列中故障从机的故障标志位设置为1；

步骤3：若主机自身出现故障但未离线，主机控制单元从队列中选取最靠近队头且故障标志位为0的从机作为新的主机，然后向所有从机控制单元发送主机更新指令；被选中的从机控制单元接收到主机更新指令后自动成为主机，并开始向其余从机发送pwm脉冲信息，其余从机控制单元接收到主机更新指令后开始接收新的主机的pwm脉冲信息，并发送响应信息；同时，所有逆变器控制单元将原故障主机的故障标志位更新为1，新主机将发送给原故障主机的pwmenout_x信号和pemstrobeout_x设置为0，使故障逆变器退出并联系统，新的主从关系建立；

步骤4：所有从机控制单元检测主机发送的pwm脉冲信息，若检测到pwm脉冲信息，表明主机工作正常，否则表明主机已离线，从机向所有逆变器发送主机离线信息；

步骤5：逆变器控制单元接收到主机离线信息后，所有无故障的逆变器控制单元均向其它逆变器控制单元发送自身健康信息，而故障逆变器不发送自身的健康信息；所有逆变器控制单元接收到健康信息后，重新按照逆变器序号升序建立逆变器信息队列，该队列中所有逆变器均为无故障且在线的逆变器，由于逆变器控制单元接收到的健康信息相同，因此重新建立的队列也相同；

队列建立完成后，队首的逆变器自动成为新的主机，新的主机控制单元首先向所有队列中的从机控制单元发送一个主机更新指令，所有从机控制单元接收到主机更新指令后开始接收主机的pwm脉冲信息并回复响应信息，新的主从关系建立完成，主机控制单元将发送给不在队列中的逆变器的pwmenout_x和pwmstrobe_x信号设置为0，使这些逆变器退出并联系统。

进一步地，所述步骤5中，健康信息包含了逆变器序列号和故障标志位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明基于spi通信的大功率逆变器并联系统及同步方法，并联逆变器的pwm脉冲信息与脉冲切换均由主机控制，主机仅需通过适当的延时补偿即可实现并联逆变器的高精度同步，同步精度可达到ns级；该同步方法容易实现，极大地提高了系统的可靠性；

2、本发明还提供了一种主从机的在线切换方法，当部分逆变器出现故障时，可实现主机与从机的平滑切换，保障系统持续运行，进一步提高了系统的可靠性；故障的切换仅由逆变器的控制单元完成，上位机不参考主从机的重新构建，因此程序上更容易实现，并且具有很好的适应性。

附图说明

图1为本发明基于spi通信的大功率逆变器并联系统结构框图；

图2为图1中主电路单元一种拓扑结构图；

图3为图1的同步方法流程图；

图4为图1的主从机在线切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示基于spi通信的大功率逆变器并联系统，包括上位机和n台并联逆变器，n台逆变器包括一台主机和n-1台从机，且每台逆变器具有唯一且固定的序号。每台逆变器包括控制单元和主电路单元，其中，逆变器的主电路单元拓扑结构在此不予限定，例如常用的拓扑结构有两电平拓扑结构、钳位二极管三电平拓扑结构或极联h桥拓扑结构等；如图2所示为钳位二极管三电平拓扑结构，主电路单元包含两个支撑电容c1和c2，四个钳位二极管ad1、ad2、bd1、bd2，八个功率器件at1、at2、at3、at4、bt1、bt2、bt3、bt4；支撑电容c1的一端为直流输入端口正极，另一端与支撑电容c2相连，支撑电容c2的一端与支撑电容c1相连，另一端为直流输入端口的负极，功率器件at1、at2、at3、at4依次按照发射极-集电极相连的形式串联，功率器件at1的集电极与直流输入端口正极相连接，功率器件at4的发射极与直流输入端口负极相连，钳位二极管ad1的阴极与功率器件at1和at2的连接点相连；钳位二极管ad1的阳极与钳位二极管ad2的阴极相连，钳位二极管ad2的阳极与功率器件at3和at4的连接点相连，钳位二极管ad1和ad2的连接点与支撑电容c1和c2的连接点相连，功率器件bt1、bt2、bt3、bt4依次按照发射极-集电极相连的形式串联，功率器件bt1的集电极与直流输入端口正极相连接，功率器件bt4的发射极与直流输入端口负极相连，钳位二极管bd1的阴极与功率器件bt1和bt2的连接点相连，钳位二极管bd1的阳极与钳位二极管bd2的阴极相连，箝位二极管bd2的阳极与功率器件bt3和bt4的连接点相连，钳位二极管bd1和bd2的连接点与支撑电容c1和c2的连接点相连，功率器件at2和at3的连接点为交流输出端口正极，功率器件bt2和bt3连接点为交流输出端口负极。

再次如图1所示，上位机包括n组标准rs422通信接口；逆变器的主电路单元包括pwm脉冲信号输入接口；逆变器的控制单元包括pwm脉冲信号输出接口、一组标准rs422通信接口、n-1组标准spi通信接口和n-1组逻辑信号接口，其中，每组逻辑信号接口包括六路二进制逻辑信号接口，其中三路为输出接口，作用是输出三个逻辑信号：pwm使能输出信号pwmenout_x、pwm脉冲装载输出信号pwmstrobeout_x、逆变器故障输出信号faultout_x；另外三路为输入接口，作用是接收三个逻辑信号：pwm使能输入信号pwmenin_x、pwm脉冲装载输入信号pwmstrobein_x、逆变器故障输入信号faultin_x，其中，x为逻辑信号的序列号，范围为1～n-1。

上位机与每台逆变器的控制单元之间通过标准rs422通信线相连接，逆变器的主电路单元的pwm脉冲信号输入接口与控制单元的pwm脉冲信号输出接口相连接，并联逆变器的控制单元两两之间通过spi通信相连接，并联逆变器控制单元的每组逻辑信号接口与另一台逆变器控制单元的逻辑信号接口相连接。例如第一台逆变器的pwmenout_1信号接口、pwmstrobeout_1信号接口、faultout_1信号接口分别与第二台逆变器的pwmenin_1信号接口、pwmstrobein_1信号接口和faultin_1信号接口相连接，与此相对应的，第一台逆变器的pwmenin_1信号接口、pwmstrobein_1信号接口和faultin_1信号接口分别与第二台逆变器的pwmenout_1信号接口、pwmstrobeout_1信号接口和faultout_1信号接口相连接。

本发明基于spi通信的大功率逆变器并联系统的工作原理如下：

上位机用于控制整个并联系统，并联系统上电开机时，上位机与所有逆变器的控制单元之间的rs422通信开启。上位机下达指令，将n台逆变器中的一台设置为主机，其余n-1台逆变器设置为从机。

所述逆变器的控制单元的逻辑信号作用分别为：

pwmenout_x为pwm脉冲使能输出信号，该信号由主机发送给所有从机，从机通过pwmenin_x信号接口被动接收，从机的pwmenout_x信号接口始终输出0；并联逆变器待机时，主机pwmenout_x为0，并联逆变器工作时，主机pwmenout_x为1；

pwmstrobeout_x为pwm脉冲装载信号，该信号由主机发送给所有从机，从机通过pwmstrobein_x信号接口被动接收，从机的pwmstrobeout_x始终输出0；

faultout_x为逆变器故障输出信号，逆变器正常无故障时，faultout_x为0，反之为1；每台逆变器控制单元均将自身的faultout_x信号通过逻辑信号输出接口发送给其它所有逆变器，同时每台逆变器控制单元通过faultin_x信号接口接收其它逆变器的faultout_x信号。因此，当任意一台逆变器发生故障时，其余的n-1台逆变器控制单元的与故障逆变器控制单元相连接的faultin_x信号接口将接收到一个1。

如图3所示基于spi通信的大功率逆变器并联系统同步方法如下：

步骤1：在每个调制波周期，上位机通过rs422通信向所有逆变器控制单元发送一个数据帧，数据帧包含电压指令和pwm脉冲使能指令；上位机每发送一次数据帧，逆变器控制单元将自身的状态数据发送给上位机，状态数据包含了逆变器的序号、当前工作状态、详细故障信息和主从机身份；

步骤2：所有逆变器控制单元接收到上位机的数据帧后，将pwm使能指令和电压指令缓存；所有逆变器的控制单元根据电压指令执行调制算法，生成pwm调制波和pwm脉冲信号并缓存；主机控制单元通过spi通信将其生成的pwm脉冲信号发送给从机控制单元，从机控制单元每次接收到主机控制单元发送的pwm脉冲信息就向主机控制单元发送一个响应信息，从机控制单元接收到pwm脉冲信号后将其缓存，此时从机控制单元自身生成的pwm脉冲信号被覆盖；

主机控制单元检测pwm使能指令，若pwm使能指令为0，表示系统待机，此时主机控制单元将所有pwmenout_x信号设置为0并发送给从机控制单元，若pwm使能指令为1表示逆变器开始工作，主机控制单元将pwmenout_x信号设置为1发送给从机控制单元；

步骤3：主机控制单元将pwm调制波与pwm载波进行实时比较，当pwm调制波与pwm载波大小关系发生变化时，主机控制单元立即将逻辑信号pwmstrobeout_x取反；

与此同时，如果pwm脉冲使能指令为1，那么主机控制单元经过一段延时后加载缓存的pwm脉冲信号，并将其发送给主电路单元，延时的目的是补偿逻辑信号pwmstrobeout_x的传输延迟，提高同步精度(延时的长度与硬件相关，通常为ns级，在此不予限定)；如果pwm脉冲使能指令为0，系统保持待机状态；

步骤4：从机控制单元实时检测与主机控制单元相连接的pwmenin_x信号接口和pwmstrobein_x信号接口；

当主机控制单元发送过来的pwmenin_x信号为0，从机保持待机状态；当主机控制单元发送过来的pwmenin_x信号为1，逆变器开始工作；当主机传输过来的pwmstrobein_x信号发生变化时，从机控制单元立即加载缓存的pwm脉冲信号，并将其发送给主电路单元。

本实施例中，spi通信速率为7mbps，载波周期为500us。在每个载波周期内，上位机下发一次电压指令和pwm脉冲使能指令，同时主机控制单元向从机控制单元发送一次pwm脉冲信息。脉冲同步精度可控制在500ns以内。

当并联逆变器系统发生故障时，需实现主从机的平滑切换。故障包括在线故障和离线故障。在线故障指逆变器通信正常，但因软件或硬件故障无法继续工作。离线故障是指逆变器与系统的通信中断，无法与其它逆变器实现同步。

当逆变器出现故障时，为实现系统的重构，所有逆变器控制单元按照逆变器序号进行升序排列建立一个逆变器信息队列，其中逆变器序号是唯一且固定的。逆变器信息队列中包含了每台逆变器的序号及对应的故障标志位。若对应逆变器的faultin_x信号为0且该逆变器在线，则将队列中相应的逆变器故障标志位设置为0。若对应逆变器的faultin_x信号为1或者该逆变器离线，则将队列中相对应逆变器的故障标志位设置为1。

当逆变器故障时，基于spi通信的大功率逆变器并联系统在线切换方法，如图4所示，其步骤如下：

步骤1：主机控制单元在发送完pwm脉冲信号后，检测从机控制单元的响应信息；若未检测到响应信息，主机控制单元向该从机控制单元重新发送k次pwm脉冲信号，若从机控制单元仍无响应，表示该从机离线；

主机控制单元将发送给离线从机的pwmenout_x信号和pwmstrobeout_x信号设置为0，使离线从机退出并联系统，同时，主机控制单元向所有从机控制单元发送队列更新指令，从机控制单元接收到队列更新信指令后将队列中离线从机的故障标志位设置为1；

步骤2：若主机控制单元接收到的一个faultin_x信号为1，表示对应从机发生故障，主机控制单元将发送给故障从机的pwmenout_x信号和pwmstrobeout_x信号设置为0，使故障从机退出并联系统；同时，主机控制单元向所有从机控制单元发送队列更新指令，从机控制单元接收到队列更新指令后，将队列中故障从机的故障标志位设置为1；

步骤3：若主机自身出现故障但未离线，主机控制单元从队列中选取最靠近队头且故障标志位为0的从机作为新的主机，然后向所有从机控制单元发送主机更新指令；被选中的从机控制单元接收到主机更新指令后自动成为主机，并开始向其余从机发送pwm脉冲信息，其余从机控制单元接收到主机更新指令后开始接收新的主机的pwm脉冲信息，并发送响应信息；同时，所有逆变器控制单元将原故障主机的故障标志位更新为1，新主机将发送给原故障主机的pwmenout_x信号和pemstrobeout_x设置为0，使故障逆变器退出并联系统，新的主从关系建立；

步骤4：所有从机控制单元检测主机发送的pwm脉冲信息，若检测到pwm脉冲信息，表明主机工作正常，否则表明主机已离线，从机向所有逆变器发送主机离线信息；

步骤5：逆变器控制单元接收到主机离线信息后，所有无故障的逆变器控制单元均向其它逆变器控制单元发送自身健康信息，健康信息包含了逆变器序列号和故障标志位，而故障逆变器不发送自身的健康信息；所有逆变器控制单元接收到健康信息后，重新按照逆变器序号升序建立逆变器信息队列，该队列中所有逆变器均为无故障且在线的逆变器，由于逆变器控制单元接收到的健康信息相同，因此重新建立的队列也相同；

队列建立完成后，队首的逆变器自动成为新的主机，新的主机控制单元首先向所有队列中的从机控制单元发送一个主机更新指令，所有从机控制单元接收到主机更新指令后开始接收主机的pwm脉冲信息并回复响应信息，新的主从关系建立完成。主机控制单元将发送给不在队列中的逆变器的pwmenout_x和pwmstrobe_x信号设置为0，使这些逆变器退出并联系统。

以上仅为详细说明本发明所作的举例，并非对本发明的限定，凡采用等同替换和等效变换而形成的方案，均在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细说明的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。