DSP控制器構(gòu)成的大功率UPS并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、引言

　　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個通用定時(shí)器，可輸出3路比較/PWM脈沖;3個全比較單元，可輸出3對帶死區(qū)控制的比較/PWM脈沖;3個單比較單元，可輸出3路比較/PWM脈沖;4個捕獲引腳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

　　　　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，會造成供電的中斷，另一方面也可能會因兩個電壓源之間的環(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。

　　對于并聯(lián)系統(tǒng)UPS的鎖相可采用兩級鎖相結(jié)構(gòu)，其中，一級鎖相環(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。二級鎖相環(huán)又稱內(nèi)同步，是指基于各臺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UPS間的同步。兩級鎖相環(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。每級鎖相環(huán)包括相位誤差檢測、調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，以下分別介紹各級鎖相環(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，將該方波信號送到每臺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，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，在方波信號發(fā)生相應(yīng)跳變時(shí)進(jìn)入捕獲2中斷中對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

　　圖2

　　其DSP同步算法如下圖3所示：

　　圖3

　　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)的兩級鎖相可以很好地解決并聯(lián)系統(tǒng)UPS與市電間、各臺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。