賀道坤， 許 煒， 王 薇

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210046;2.澳門(mén)大學(xué)，澳門(mén)特別行政區(qū)999078;3.吉林大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

交流電源的供電方式經(jīng)由集中式供電向分布式供電的方向發(fā)展，分布式供電的主要技術(shù)難點(diǎn)就是模塊化電源的并聯(lián)。相對(duì)于單個(gè)逆變電源供電，采用多個(gè)逆變電源模塊并聯(lián)供電有許多優(yōu)點(diǎn)，最顯著的就是提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定冗余供電。

目前電源并聯(lián)技術(shù)廣泛采用的控制方法主要有［1］：集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無(wú)互聯(lián)線(xiàn)并聯(lián)控制。在這四種主要的控制方法中，無(wú)互聯(lián)線(xiàn)并聯(lián)控制是一種較為理想的控制方案。無(wú)互聯(lián)線(xiàn)逆變并聯(lián)采用電壓幅值和頻率下垂的控制，其控制的前提是保證各逆變電源模塊之間的頻率、相位和幅值保持基本相同，否則逆變電源之間會(huì)因相位幅值相差較大產(chǎn)生過(guò)大的環(huán)流，導(dǎo)致并聯(lián)失敗。由于逆變電源并聯(lián)的初始頻率和相位就是通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的，故鎖相環(huán)的好壞直接影響到逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的性能。鎖相環(huán)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)。模擬鎖相環(huán)都是以硬件方式實(shí)現(xiàn)鎖相功能的，有著較為復(fù)雜的硬件電路，且有一些難以解決的問(wèn)題，如直流零點(diǎn)漂移、必須初始校準(zhǔn)、器件飽和等。與模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)有很多優(yōu)點(diǎn)：精度高、收斂速度快、容易與控制方法結(jié)合。以此，對(duì)數(shù)字鎖相環(huán)控制方法和建模研究已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。本文采用電機(jī)專(zhuān)用控制數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電源無(wú)互聯(lián)線(xiàn)并聯(lián)的鎖相控制［2-3］。

1 傳統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)鎖相環(huán)

圖1所示為無(wú)互聯(lián)線(xiàn)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)。逆變電源1和逆變電源2分別通過(guò)開(kāi)關(guān)S1和S2連接到交流母線(xiàn)上，ZL為等效負(fù)載。S1、S2表示鎖相環(huán)控制的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行開(kāi)關(guān)。當(dāng)一臺(tái)逆變電源需要并聯(lián)接入系統(tǒng)時(shí)，首先檢測(cè)交流母線(xiàn)上的電壓，若交流母線(xiàn)沒(méi)有電壓存在，則逆變電源直接閉合開(kāi)關(guān)S1工作;若交流母線(xiàn)有電壓，則鎖相環(huán)工作，使逆變電源向交流母線(xiàn)鎖相，鎖相完成后閉合開(kāi)關(guān)使逆變電源并入系統(tǒng)運(yùn)行，鎖相環(huán)退出工作。

圖1 逆變電源并聯(lián)框圖

圖2所示為鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)。由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控震蕩器和分頻器組成。其基本的工作原理是鑒相器檢測(cè)交流母線(xiàn)上的電壓和單臺(tái)逆變器輸出電壓的相位差，輸出與相位差成比例的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通環(huán)路濾波器后輸出的電壓信號(hào)去控制壓控振蕩器，從而控制改變系統(tǒng)內(nèi)部的同步信號(hào)的頻率和相位，使逆變電源與交流母線(xiàn)上的電壓抑制［4］。壓控振蕩器實(shí)際的應(yīng)用就是逆變電源的逆變橋部分。

圖2 鎖相環(huán)控制框圖

2 數(shù)字鎖相環(huán)

2.1 鎖相的基本原理

在逆變電源并聯(lián)的數(shù)字化控制中將傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)改為數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），其控制框圖見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)字鎖相環(huán)控制框圖

在圖3所示的DPLL中只有鑒相器和壓控振蕩器兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中模擬鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器，只要通過(guò)圖所示的比例和比例積分計(jì)算就可得到與相位差成比例的電壓信號(hào)。限幅環(huán)節(jié)的作用就是為了避免相位跟蹤過(guò)程中輸出電壓頻率波動(dòng)范圍過(guò)大所加入的。

逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中單臺(tái)電源的輸出電壓應(yīng)在48～52 Hz連續(xù)可調(diào)，而要并入系統(tǒng)的電源模塊的頻率和交流母線(xiàn)的頻率很可能不一致，因此任一逆變電源在并機(jī)之前都要對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行相位和頻率的跟蹤;而并入系統(tǒng)的逆變電源相位同步的前提是頻率必須相等。因此DPLL的設(shè)計(jì)是先調(diào)整頻率一致，再調(diào)整相位，最終實(shí)現(xiàn)鎖相和并聯(lián)［5-6］。圖4為鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)模型。

圖4 鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)模型

在逆變電源并聯(lián)中，改變逆變電源輸出電壓的相位跟蹤交流母線(xiàn)的相位是很困難的，一般是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的頻率達(dá)到跟蹤母線(xiàn)相位的目的，所以在此逆變器等效為純積分環(huán)節(jié)。由圖4的環(huán)路模型得閉環(huán)傳遞函數(shù)：

式中：Kp為比例增益;τ為積分時(shí)間常數(shù)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)DSP控制器TMS320LF2407A，器件采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，降低供電電壓，減小控制器的損耗;指令周期縮短到25 ns，控制器實(shí)時(shí)控制能力較好;它集成了2.5 K的RAM、最小500 ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間和32 K字的閃存。片內(nèi)的兩個(gè)事件管理器，EVA用以實(shí)現(xiàn)逆變器的控制，EVB用來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的相位檢測(cè)。對(duì)整個(gè)逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)，鎖相環(huán)的輸入是逆變電源輸出電壓、電流與交流母線(xiàn)的相位差，輸出是參考正弦階梯波，控制圖示逆變電源開(kāi)關(guān)［7］，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

為減小逆變電源跟蹤交流母線(xiàn)電壓的相位差，環(huán)路濾波器采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

圖5 數(shù)字鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)的原理圖

EVB模塊的捕獲單元CAP4和CAP5口分別對(duì)交流母線(xiàn)電壓和逆變電源輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，得出逆變電源輸出電壓和交流母線(xiàn)的頻率和相位差，然后根據(jù)相位差值求得下一工頻周期中計(jì)時(shí)器的周期值，據(jù)此來(lái)改變逆變電源的輸出頻率來(lái)間接控制相位的跟隨，在圖5中所示過(guò)零比較單元，實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖6。

圖6 過(guò)零比較電路的實(shí)現(xiàn)

逆變電源輸出的電壓波形總有一定程度的畸變，電路的各種干擾信號(hào)使電壓的相位檢測(cè)精度有很大的誤差［8-9］。在圖6中電容C可以防止波形畸變誤觸發(fā)CAP口，也可以防止信號(hào)干擾，電容值的大小要影響比較器輸出信號(hào)的變化時(shí)間，因此會(huì)使捕獲口的捕獲精度存在一定的誤差［10-12］。在比較器后加一施密特反相器對(duì)其進(jìn)行整形，由實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)能達(dá)到滿(mǎn)意的效果。由于過(guò)零檢測(cè)電路不能在零點(diǎn)精確產(chǎn)生上升沿信號(hào)，總有一定的滯后，由于母線(xiàn)電壓和交流母線(xiàn)電壓采用相同的檢測(cè)電路，產(chǎn)生一樣的相移，對(duì)精度無(wú)影響。

2.3 數(shù)字鎖相環(huán)的鎖相實(shí)現(xiàn)

圖7所示為逆變電源的鎖相基本示意圖。DSP初始化設(shè)定CAP4和CAP5為捕獲功能口，內(nèi)部計(jì)數(shù)器T3作為這兩個(gè)口的時(shí)基，并定義捕獲口上升沿觸發(fā)，設(shè)定T3為 CPU時(shí)鐘頻率的1/32，為1.25 MHz，相位的檢測(cè)精度為0.057 6°。圖7中鎖相環(huán)時(shí)間T3隨交流母線(xiàn)電壓信號(hào)的同步計(jì)數(shù)。在t1時(shí)刻檢測(cè)到交流母線(xiàn)上升沿跳變，此時(shí)將T3清零并開(kāi)始計(jì)數(shù);在t2時(shí)刻檢測(cè)到逆變電源輸出電壓的上升沿跳變此時(shí)把T3的計(jì)數(shù)值送入捕獲口對(duì)應(yīng)的寄存器cc4中，在t5時(shí)刻檢測(cè)到交流母線(xiàn)電壓的上升沿跳變，此時(shí)把計(jì)數(shù)器T3對(duì)應(yīng)的值送入到捕獲口CAP5對(duì)應(yīng)的捕獲堆棧寄存器

圖7 數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的鎖相原理

在設(shè)計(jì)時(shí)逆變電源的頻率是通過(guò)改變定時(shí)器T1的周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而逆變器的PWM調(diào)制波與定時(shí)器的周期值也有關(guān)，所以為了實(shí)現(xiàn)相位的快速跟隨，又不影響逆變器的輸出性能，盡量保證逆變器的輸出頻率在48～52 Hz，以保證逆變器的輸出特性良好。根據(jù)θ值的大小對(duì)應(yīng)逆變器的輸出的下一周期的頻率應(yīng)滿(mǎn)足一定的規(guī)律。計(jì)算的θ在180°～0.5°則認(rèn)為逆變電源的輸出電壓相位超前交流母線(xiàn)電壓;若計(jì)算得θ值在359.5°～180°則認(rèn)為逆變電源輸出電壓的相位差滯后交流母線(xiàn)的電壓相位;若算得θ的絕對(duì)值小于0.5°則逆變電源可安全投入交流母線(xiàn)運(yùn)行［15］。

圖8所示為鎖相環(huán)程序流程圖。在本設(shè)計(jì)所做的無(wú)互聯(lián)線(xiàn)逆變電源并聯(lián)的鎖相環(huán)完成鎖相任務(wù)后，退出系統(tǒng)，之后的相位調(diào)節(jié)靠功率下垂的特性來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在系統(tǒng)中鎖相環(huán)所占用的資源有限。cc5中［13-14］。

交流母線(xiàn)電壓的相位差與逆變電源輸出電壓的相位差角度為

圖8 逆變電源的鎖相程序流程圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上的分析與設(shè)計(jì)，首先基于Matlab環(huán)境下的Simulink仿真環(huán)境對(duì)鎖相環(huán)進(jìn)行了仿真［4］，額定交流輸入電壓設(shè)定為200 V，額定交流輸出電壓為200 V，系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定為20 kHz，仿真結(jié)果如圖9（a）所示，在仿真時(shí)，為清晰觀察逆變電源的鎖相功能，特把逆變電源1的輸出電壓縮小了50%，在圖中可見(jiàn)逆變電源輸出電壓很好地跟蹤交流母線(xiàn)電壓相位。由上述仿真的思想，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的由TMS320LF2407A控制的逆變電源，鎖相的實(shí)現(xiàn)由2.2節(jié)和2.3節(jié)所述的基本原理實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9（b），由圖可見(jiàn)逆變電源輸出電壓已經(jīng)跟蹤了交流母線(xiàn)電壓，波形運(yùn)行穩(wěn)定后，待相位差小于一定值后發(fā)出并聯(lián)信號(hào)，屏蔽掉捕獲中斷程序，之后接通并聯(lián)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并聯(lián)，鎖相環(huán)退出，完成鎖相［16］。

圖9 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于DSP/TMS320LF2407A的數(shù)字鎖相環(huán)，用于無(wú)互聯(lián)線(xiàn)逆變電源并聯(lián)的鎖相，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方案能夠可靠地完成逆變電源電壓與交流母線(xiàn)電壓的相位跟蹤，保證逆變電源并聯(lián)時(shí)相位的精度。數(shù)字鎖相環(huán)的精度越來(lái)越高，受其它信號(hào)的影響較模擬信號(hào)小，可解決過(guò)零檢測(cè)鑒相存在的問(wèn)題，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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