基于控制器構(gòu)成大功率并聯(lián)型UPS同步控制方案

1.引言

隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和Internet的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代信息設(shè)備對(duì)不間斷電源(UPS)供電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，不間斷電源(UPS)的可靠性越來越備受關(guān)注，不間斷電源(UPS)并聯(lián)供電系統(tǒng)逐步成為首位;如何保證UPS并聯(lián)系統(tǒng)在電網(wǎng)惡劣的條件穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是UPS廠家需要考慮的問題。本文介紹一種基于TI公司的TMS320C240 DSP控制器構(gòu)成的大功率并聯(lián)型UPS同步控制方案。與電網(wǎng)的同步、并聯(lián)系統(tǒng)中各臺(tái)UPS間的同步，成為并聯(lián)UPS系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。UPS并聯(lián)系統(tǒng)中的核心部分是精度很高的鎖相環(huán)，模擬鎖相環(huán)是一門成熟的技術(shù)，以它獨(dú)特的優(yōu)良性能在許多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。但隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，UPS的全數(shù)字化控制是大勢(shì)所趨，因此，鎖相環(huán)也逐漸過渡為數(shù)字化，數(shù)字DSP控制鎖相環(huán)相對(duì)于模擬鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)起來更方便，同時(shí)用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)，還可以結(jié)合系統(tǒng)的其他功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，節(jié)省成本。

2、TMS320C240 DSP控制器介紹

TMS320C240是美國(guó)TI公司專為數(shù)字電機(jī)控制運(yùn)用而推出的一種16位定點(diǎn)運(yùn)算的DSP，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種理想的解決方案。它具備以下的主要性能：3個(gè)通用定時(shí)器，可輸出3路比較/PWM脈沖;3個(gè)全比較單元，可輸出3對(duì)帶死區(qū)控制的比較/PWM脈沖;3個(gè)單比較單元，可輸出3路比較/PWM脈沖;4個(gè)捕獲引腳CAP，用于高速I/O管理;兩組各8路10位10微妙的A/D轉(zhuǎn)換器;看門狗定時(shí)器和定時(shí)中斷定時(shí)器;片內(nèi)ROM或Flash存儲(chǔ)器等。

3、并聯(lián)系統(tǒng)UPS的同步控制方案

1)、UPS的鎖相控制原理

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2)、并聯(lián)UPS系統(tǒng)同步鎖相的實(shí)現(xiàn)

并聯(lián)系統(tǒng)UPS在市電與逆變切換時(shí)，若在切換的瞬間二者的輸出波形不一致,會(huì)造成供電的中斷，另一方面也可能會(huì)因兩個(gè)電壓源之間的環(huán)流過大而損壞UPS。為確保UPS系統(tǒng)市電與逆變的切換時(shí)不存在環(huán)流，需保證市電波形與逆變波形保持相位接近;因此需要一種裝置用來檢測(cè)市電的相位變化，并用于控制逆變器輸出電壓的相位和頻率,使逆變器與市電保持同步運(yùn)行。

對(duì)于并聯(lián)系統(tǒng)UPS的鎖相可采用兩級(jí)鎖相結(jié)構(gòu)，其中，一級(jí)鎖相環(huán)又稱外同步，是指并聯(lián)系統(tǒng)各UPS跟蹤市電相位和頻率并進(jìn)行相互間的相位同步控制，即實(shí)現(xiàn)UPS與旁路市電的同步。二級(jí)鎖相環(huán)又稱內(nèi)同步，是指基于各臺(tái)UPS輸出電壓的頻率及相位跟蹤和同步控制，它實(shí)現(xiàn)各臺(tái)UPS間的同步。兩級(jí)鎖相環(huán)都采用了PI調(diào)節(jié)器，其中，內(nèi)同步速度較快，精度很高(±10μs以內(nèi))，它確保了UPS之間的并聯(lián)環(huán)流可達(dá)到最小。外同步的PI調(diào)節(jié)器速度較慢，它確保了旁路和逆變器之間的平滑切換。每級(jí)鎖相環(huán)包括相位誤差檢測(cè)、調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，以下分別介紹各級(jí)鎖相環(huán)是如何實(shí)現(xiàn)的。

并聯(lián)系統(tǒng)中的鎖相框圖為：

外同步：兩臺(tái)UPS的輸入即市電經(jīng)比較器電路整形為方波，經(jīng)過同步母線綜合后，將該方波信號(hào)送到每臺(tái)UPS的DSP的捕獲單元CAP1引腳，設(shè)置上升沿或下降沿捕獲，則在方波信號(hào)發(fā)生相應(yīng)跳變時(shí)進(jìn)入捕獲1中斷讀取計(jì)數(shù)器T2CNT的值作為PI調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，通過與設(shè)定值相比較即可得相位差，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算形成調(diào)節(jié)量，用于改變T2PR的值，從而使逆變輸出跟蹤市電基準(zhǔn)。

內(nèi)同步：T2計(jì)數(shù)器作為UPS正弦輸出的相位和頻率基準(zhǔn)，為保證所有UPS之間同步，所有UPS都利用T2CNT發(fā)生一個(gè)方波，方波經(jīng)同步母線綜合后，送到所有UPS的CAP2端口，在方波信號(hào)發(fā)生相應(yīng)跳變時(shí)進(jìn)入捕獲2中斷中對(duì)T2CNT清零，保證內(nèi)同步的給定是同步的。

在正弦中點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的中斷中讀取T2CNT值作為反饋量，與T2PR/2相比較，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后得到的調(diào)節(jié)量用于改變T1PR的值，使逆變輸出正弦波和T2計(jì)數(shù)器同步，從而逆變輸出保持同步。

鎖相的軟件算法如下圖1、圖2：

圖1

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 圖2

其DSP同步算法如下圖3所示：

圖3

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4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1)、UPS與市電網(wǎng)的同步鎖相：下圖4是UPS在市電狀態(tài)下，UPS逆變輸出波形與市電波形的同步鎖相，通過DSP的控制可以保證鎖相精度在20微秒。

圖4

2)、UPS與發(fā)電機(jī)的同步鎖相：下圖是UPS在發(fā)電機(jī)供電情況下，逆變輸出與發(fā)電機(jī)波形的同步鎖相情況，下圖表明采用上述同步控制算法，可以很好保證UPS與發(fā)電機(jī)的匹配。

圖5

4、結(jié)束語

通過DSP實(shí)現(xiàn)的兩級(jí)鎖相可以很好地解決并聯(lián)系統(tǒng)UPS與市電間、各臺(tái)UPS相互間同步控制的問題。通過大量的實(shí)驗(yàn)說明了這種鎖相控制方法可以達(dá)到較好的同步精度，無論市電如何變化，異常到正常，正常到異常以及頻率在范圍內(nèi)突變等各種情況下，各UPS逆變輸出波形間的相差小于50us，為并聯(lián)系統(tǒng)UPS間較好地實(shí)現(xiàn)均流做好了充分的準(zhǔn)備。