董德智,何 揚(yáng),王 偉,孫子堯,儲(chǔ)家樂,朱云國

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院,安徽 銅陵 244000)

2020年3月,國家提出用信息基礎(chǔ)設(shè)施為代表的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(新基建)來引領(lǐng)和推動(dòng)以智能化為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命,其中,以5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信設(shè)備是信息基礎(chǔ)設(shè)施的主要部分[1]。隨著通信設(shè)備的日益增多,為保證其安全可靠運(yùn)行,對(duì)逆變電源系統(tǒng)的性能提出了更高的要求[2]。

針對(duì)逆變電源理論教學(xué)不能滿足工程實(shí)際要求的問題,諸多高校設(shè)計(jì)了逆變電源實(shí)時(shí)仿真[3-5]和綜合實(shí)驗(yàn)[6-7]。此類實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,但對(duì)逆變電源的工程應(yīng)用卻很少涉及。文獻(xiàn)[8]分析了不間斷電源系統(tǒng)(UPS)逆變器計(jì)算機(jī)控制,給出了逆變電路的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn),但對(duì)逆變器實(shí)際應(yīng)用所需的關(guān)鍵指標(biāo)并未深入分析,如通信類非線性負(fù)載的電能質(zhì)量等問題。

為了解決專業(yè)課程教學(xué)和工程實(shí)際相脫節(jié)的問題,促進(jìn)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的順利開展,文中以實(shí)際工程應(yīng)用為背景,設(shè)計(jì)了適用于通信設(shè)施負(fù)載的逆變電源教學(xué)平臺(tái),為學(xué)生從課程實(shí)驗(yàn)到工作中工程實(shí)踐的順利轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

1 通信設(shè)備逆變電源關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14715-2017和通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1095-2018明確規(guī)定了通信設(shè)備逆變電源的性能指標(biāo)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將逆變器性能指標(biāo)分為動(dòng)靜態(tài)兩個(gè)方面,如表1所示。

表1 通信設(shè)備逆變電源性能指標(biāo)

輸出電壓精度定義為

(1)

式中:Ua為設(shè)計(jì)輸出電壓的有效值;Uo為逆變器的輸出電壓有效值。

由于通信設(shè)備以小型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及其外圍設(shè)備為主,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非線性負(fù)載下逆變器輸出電壓THD在3%以內(nèi)。

電流峰值系數(shù)k是衡量逆變器對(duì)非線性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的一個(gè)重要參數(shù),定義為逆變輸出電流峰值Im與有效值Ir的百分比[9]

(2)

由于負(fù)載電流變化時(shí),輸出電壓THD會(huì)發(fā)生改變,一般要求逆變器輸出電流峰值系數(shù)k≥3。另外,為了保證逆變模式和旁路模式無縫切換,需要確保輸出電壓和電網(wǎng)電壓同相位,對(duì)應(yīng)到逆變輸出電壓應(yīng)該有更高精度的頻率跟蹤能力,一般要求頻率跟蹤誤差在±0.5 Hz以內(nèi)。

負(fù)載調(diào)整率是逆變器動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo),在空載和滿載之間切換時(shí),輸出電壓恢復(fù)時(shí)間在20 ms以內(nèi)。此外,在設(shè)計(jì)適用于通信設(shè)備的實(shí)際逆變電源系統(tǒng)時(shí),還需考慮短路和過溫等保護(hù)問題。

2 逆變電源教學(xué)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 逆變電源教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

逆變器硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括主電路和控制電路兩部分。主電路由三相四線制半橋逆變器、輸出LC濾波器、輸出接觸器TL、輸出開關(guān)SWS和旁路晶閘管SCR組成,逆變器的直流電壓由三相全控整流器提供。當(dāng)市電正常時(shí),系統(tǒng)通過整流器、逆變器向負(fù)載供電;如果逆變器出現(xiàn)長期過載或故障時(shí),通過雙向晶閘管形成旁路,由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電[10]?？刂齐娐分饕刹蓸诱{(diào)理電路、DSP電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、上位機(jī)和輔助電源等組成。采樣調(diào)理電路包括交流輸出電壓和電網(wǎng)電壓采樣、逆變輸出電流采樣、負(fù)載電流采樣和散熱器溫度采樣。

圖1 逆變器硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 主電路設(shè)計(jì)

逆變電源主電路實(shí)物如圖2所示,系統(tǒng)額定功率為10 kW,母線電壓為720 V,輸出工頻交流電壓有效值220 V,逆變電路的開關(guān)器件選用英飛凌型號(hào)為FF100R12KS4的IGBT半橋模塊,額定電流100 A,耐壓1 200 V。LC濾波器的濾波電感L=1.2 mH,濾波電容C=230 μF,直流母線電容Cdc=4 700 μF。

圖2 逆變電源主電路實(shí)物

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

2.3.1 交流電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)

逆變器a相輸出電壓采樣調(diào)理電路如圖3(a)所示,與文獻(xiàn)[8]的方法不同,為了避免共模電壓對(duì)調(diào)理電路造成影響,經(jīng)采樣電阻R1～R4和差分電路調(diào)理輸出電壓信號(hào),再通過偏置運(yùn)算電路,將交流信號(hào)送至DSP的AD入口,差分電路和偏置電路用貼片式運(yùn)算放大器OP07實(shí)現(xiàn),逆變輸出電壓ua和A/D入口電壓ua_sam之間的關(guān)系為

圖3 電壓、電流采樣電路

(3)

b,c相電壓采樣與a相相同,為了確保調(diào)理電路的精度,選擇精度為±0.5%的電阻元件。

電流采樣包括電感電流采樣和負(fù)載電流采樣兩種,以a相電感電流采樣為例,采樣調(diào)理電路如圖3(b)所示,經(jīng)精度為±0.45%的霍爾元件LA100-P/SP50和采樣電阻,將交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),再由調(diào)理電路將其調(diào)節(jié)至0～3 V的電壓信號(hào),送至DSP的A/D入口,取霍爾元件的電流變比kc=500∶1,電感電流ia和A/D入口電壓的關(guān)系為

(4)

b,c相電感電流和a,b,c相負(fù)載電流采樣電路與a相電感電流采樣電路相同,調(diào)理電路的電阻精度選為±0.5%。

2.3.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在不同的自然環(huán)境和負(fù)載下,逆變電源的IGBT器件溫度會(huì)發(fā)生變化,過高的溫度將影響器件的性能和壽命,因此,需要實(shí)時(shí)采集IGBT器件的溫度,并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。溫度保護(hù)電路如圖4所示,對(duì)逆變電路每一相橋臂連接KSD9700常閉型溫控開關(guān),并設(shè)定上限溫度Tm=90 ℃,如果溫度高于Tm,由LM339構(gòu)成的比較電路會(huì)輸出高電平,二極管D5將三路輸出信號(hào)進(jìn)行“或”運(yùn)算,最終形成高電平過溫信號(hào)OVER_TEMP,并送至DSP進(jìn)行過溫保護(hù)。

當(dāng)負(fù)載過流或短路時(shí),應(yīng)及時(shí)完成保護(hù)功能。短路保護(hù)電路如圖5所示,該電路主要由絕對(duì)值電路、比較電路和鎖存電路三部分組成。首先,負(fù)載電流調(diào)理電路的輸出信號(hào)經(jīng)絕對(duì)值電路送至比較電路,與基準(zhǔn)5 V信號(hào)比較,得到低電平的短路保護(hù)FAULT_SHORT信號(hào),并被鎖存器存儲(chǔ),同時(shí)驅(qū)動(dòng)短路信號(hào)指示燈,只要負(fù)載發(fā)生短路,該信號(hào)將一直被鎖存,并送至調(diào)理板的脈沖分配電路,以封鎖IGBT器件,直至故障解除,系統(tǒng)復(fù)位為止。

PWM脈沖分配電路如圖6所示,DSP生成每相上橋臂IGBT的脈沖信號(hào)PWM1、PWM2和PWM3,下橋臂的脈沖信號(hào)由3個(gè)反相器CD4049生成,同時(shí)每相橋臂的IGBT脈沖信號(hào)再通過CD4011芯片與短路信號(hào)FAULT_SHORT完成與非運(yùn)算,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器短路的硬件保護(hù)功能,與非門的輸出再與PWM脈沖使能信號(hào)PWM_EN做或非運(yùn)算,PWM_EN信號(hào)由DSP產(chǎn)生,可以完成過溫保護(hù)、開機(jī)等操作。

2.3.3 DSP控制電路

DSP是逆變電源控制電路的核心,DSP芯片選用TI公司TMS320F28377SZWT,其CPU主頻200 MHz,經(jīng)調(diào)理后的逆變輸出信號(hào)送入DSP的AD轉(zhuǎn)換通道。除此之外,DSP電路還包括IO口的鎖存緩沖電路、電平轉(zhuǎn)換電路、485通訊的接口電路等。

2.3.4 驅(qū)動(dòng)電路

在驅(qū)動(dòng)電路中,采用M57962L芯片將DSP輸出的PWM信號(hào)光隔離后驅(qū)動(dòng)逆變器的IGBT器件,驅(qū)動(dòng)部分還包括死區(qū)產(chǎn)生電路、過流檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)限幅電路。其中,死區(qū)產(chǎn)生電路主要用于設(shè)置死區(qū),避免橋臂上、下開關(guān)管直通;過流檢測(cè)電路用于檢測(cè)IGBT的電流,進(jìn)而產(chǎn)生器件的過流保護(hù)信號(hào)。

3 逆變電源控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)

3.1 逆變電源控制設(shè)計(jì)

逆變器常采用電壓、電流雙閉環(huán)的控制方法,其中,電流環(huán)由比例控制器構(gòu)成,電壓環(huán)由PI控制器構(gòu)成[11]。但PI控制器僅能實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路直流增益無窮大,而逆變輸出為交流信號(hào),無法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)無靜差跟蹤。此外,非線性負(fù)載下逆變器輸出電流波形畸變嚴(yán)重,將畸變電流視為電壓控制環(huán)路的干擾,PI控制器對(duì)不同頻率干擾信號(hào)抑制能力有限,輸出電壓的電能質(zhì)量很難提升,無法滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由于諧振控制器能實(shí)現(xiàn)諧振頻率下開環(huán)增益無窮大[12-13],為此,引入諧振控制算法,實(shí)現(xiàn)輸出電壓無差跟蹤。利用諧波頻率下的諧振控制器實(shí)現(xiàn)電壓控制環(huán)路對(duì)諧波電流干擾信號(hào)的抑制。因?yàn)槿嗨木€制逆變器每相獨(dú)立,可各相單獨(dú)控制,圖7為某一相逆變器采用PI+多諧振控制器構(gòu)建輸出電壓控制的電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖7 某相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PI控制器實(shí)現(xiàn)電壓控制環(huán)路的帶寬調(diào)整和輸出電壓直流偏置的控制,多諧振控制確保電壓環(huán)路基波頻率電壓無差跟蹤和諧波頻率電流干擾的抑制。電壓控制環(huán)路控制器的傳遞函數(shù)表示為

(5)

式中:kp,ki為PI控制器的比例增益和積分增益;krn為第n次諧波頻率的諧振控制器增益;n為正整數(shù);ωc為諧振控制器的截止頻率。

引入諧振控制后電壓控制環(huán)路的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(6)

式中:R為負(fù)載等效電阻;r為濾波電感和器件的等效電阻,0.5 Ω;kcp為電流環(huán)路比例增益。取電流內(nèi)環(huán)比例控制器增益kcp=0.6、電壓控制環(huán)路帶寬為500 Hz,PI控制器轉(zhuǎn)折頻率40 Hz,得到kp=1.2,ki=290。

非線性負(fù)載下,諧波分量以2～7次為主,選擇基波頻率和2～7次諧波頻率的諧振控制器,以7次諧振控制器設(shè)計(jì)為例,根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和7次基波頻率下的增益,選擇k的取值范圍。式(7)為PI控制器+7次基波頻率的諧振控制電壓開環(huán)傳遞函數(shù)

(7)

考慮到實(shí)際電網(wǎng)頻率可能會(huì)小范圍改變,選擇諧振控制器截止頻率ωc=4 rad·s-1[14-15]。再根據(jù)諧振頻率下電壓環(huán)路的相位裕度PM>0,確定各諧振控制器的增益,圖8為由式(7)得到逆變器滿載下,PI+7次諧振控制的電壓控制開環(huán)傳遞函數(shù)奈奎斯特圖,隨著kr7的增大,控制環(huán)路的相位裕度逐漸下降,當(dāng)kr7=30時(shí),系統(tǒng)相位裕度為25°。

圖8 不同kr7時(shí)PI+7次諧振控制器電壓控制環(huán)路奈奎斯特圖

同理,可分別計(jì)算其他頻率的諧振控制器增益為kr1=110、kr2=1 020、kr3=98、kr4=95、kr5=90、kr6=75,圖9為額定負(fù)載下,基于上述參數(shù)的多諧振控制器下電壓控制環(huán)路開環(huán)波特圖,可以看出各諧振頻率下的相位裕度在20°以上,且諧振頻率處增益較高,能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)無差跟蹤和負(fù)載電流諧波干擾的抑制。此外,各諧振控制器能夠靈活設(shè)計(jì),學(xué)生可隨意選擇,在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證控制器的作用和諧波抑制效果。

圖9 PI+多諧振控制電壓開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖

3.2 逆變電源系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

逆變電源系統(tǒng)主程序包括DSP初始化、啟動(dòng)控制單元、運(yùn)行控制單元、停機(jī)單元等。其中,初始化程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、AD采樣時(shí)鐘、GPIO口、中斷向量等設(shè)置,以及其他外設(shè)單元定義。為減小功耗,沒有用到的外設(shè)時(shí)鐘應(yīng)禁止,沒有用到的GPIO口設(shè)置為輸入,軟件流程和文獻(xiàn)[8]所介紹的類似。

逆變電源的啟動(dòng)時(shí)序:首先打開旁路晶閘管,此時(shí)電網(wǎng)通過旁路晶閘管向負(fù)載供電,系統(tǒng)工作在旁路狀態(tài);其次使能IGBT驅(qū)動(dòng),1 s延時(shí)后進(jìn)入軟啟動(dòng)程序,控制環(huán)路開始工作,電壓控制環(huán)路指令由0開始逐漸增加至電網(wǎng)電壓,電流指令限幅值從0開始逐漸增加至穩(wěn)態(tài)值;軟啟動(dòng)完成后,置標(biāo)志位,并使系統(tǒng)切換為逆變器供電模式。

中斷程序是逆變電源系統(tǒng)軟件的核心,主要完成檢測(cè)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換、控制算法和PWM信號(hào)產(chǎn)生等,中斷周期為100 us,采樣頻率和開關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz,采用SPWM調(diào)制方式,每個(gè)開關(guān)周期加載一次比較值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前述所設(shè)計(jì)的控制算法和軟件流程編制軟件,并將程序代碼下載至DSP,再結(jié)合表1所示逆變電源的性能指標(biāo),開展啟動(dòng)和動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn),由于三相四線制逆變器每相獨(dú)立,文中僅分析其中某一相電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

逆變器啟動(dòng)前,負(fù)載由電網(wǎng)經(jīng)旁路晶閘管供電,當(dāng)逆變系統(tǒng)自檢成功后,進(jìn)入啟動(dòng)階段,輸出電壓指令幅值逐漸上升至電網(wǎng)電壓。待逆變器啟動(dòng)結(jié)束后,要將電網(wǎng)供電模式切換到逆變供電模式,為了實(shí)現(xiàn)模式切換過程中負(fù)載供電不中斷,會(huì)存在旁路和逆變同時(shí)供電階段,因此,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),需要對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相,使逆變電壓指令相位為電網(wǎng)電壓相位,確保逆變輸出電壓完全跟蹤電網(wǎng)電壓,避免電網(wǎng)供電到逆變供電切換時(shí)出現(xiàn)電流過沖。圖10(a)為逆變器空載啟動(dòng)時(shí)輸出電壓和電感電流波形,8.5 s后啟動(dòng)完成。圖10(b)為逆變電源啟動(dòng)結(jié)束后,輸出電壓和電網(wǎng)電壓波形,可以看出,逆變電壓和電網(wǎng)電壓相位相同,幅值基本一致,此后關(guān)閉SCR驅(qū)動(dòng),系統(tǒng)進(jìn)入逆變供電模式。

圖10 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

4.2 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)分為純阻性負(fù)載和非線性負(fù)載兩種工況。對(duì)于純阻性負(fù)載,圖11(a)和(b)為空載和10 kW 滿載時(shí)某一相輸出電壓uo和電流io波形,實(shí)測(cè)輸出電壓THD為0.9%,電壓有效值為219.5 V,滿足指標(biāo)要求。對(duì)于非線性負(fù)載,學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)不同頻率的諧振控制器,以補(bǔ)償不同頻率的電壓諧波。圖11(c)和(d)是非線性半載和滿載時(shí),疊加到7次諧波頻率下諧振控制器的實(shí)驗(yàn)波形,半載和滿載的輸出電壓THD分別為2.5%和3.1%,輸出電壓有效值為220.4 V和219.7 V,負(fù)載電流峰值系數(shù)分別為3.4和3.1,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖11 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

4.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖12為逆變器空載和滿載之間的切換波形,可以發(fā)現(xiàn),負(fù)載切換時(shí),逆變輸出電壓超調(diào)量小于5%,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間在15 ms以內(nèi),控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。此外,學(xué)生也可以根據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步優(yōu)化電流控制環(huán)路和電壓控制環(huán)路控制器的參數(shù)。

圖12 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語

文中面向工程實(shí)際,設(shè)計(jì)了通信設(shè)備逆變電源系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。首先根據(jù)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,詳細(xì)剖析了通信設(shè)備供電電源的性能指標(biāo),完成了逆變電源的硬件電路設(shè)計(jì);再針對(duì)若干關(guān)鍵性能指標(biāo),提出了對(duì)應(yīng)的控制算法,分析了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì);最后針對(duì)性能指標(biāo),詳細(xì)介紹了平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)步驟、方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)不僅能加深電氣工程及相關(guān)專業(yè)學(xué)生對(duì)逆變電路基本理論的理解,還能讓他們深刻認(rèn)識(shí)電力電子技術(shù)課程的工程應(yīng)用,增強(qiáng)工程意識(shí),并開闊眼界,為將來從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。