刘章龙　赵徐成　许　华　杨　阳

(1.空军勤务学院航空四站系　徐州　221000)(2.空军济南四站厂　济南　250000)



基于异步变频调制算法的UPS数字输出锁相技术*

刘章龙1赵徐成1许华2杨阳1

(1.空军勤务学院航空四站系徐州221000)(2.空军济南四站厂济南250000)

为了提高UPS系统中逆变与市电锁相输出的效率和稳定性,减少UPS逆变/市电输出切换对系统和负载用电设备的冲击、加快切换速度。提出了针对变频器应用的异步调制数字变频算法,设计了基于DSP的数字化逆变锁相控制算法。实现了基于异步变频调制算法的UPS数字逆变锁相技术。设计了逆变/市电锁相控制验证程序,实验结果表明设计的UPS数字逆变锁相技术可以实现高效、可靠、高精度的锁相,逆变脉宽波形输出稳定。

异步变频调制;不间断电源;锁相技术;数字信号处

Class NumberTN79

1　引言

逆变电源在实现应用中要求具有市电与逆变能进行锁相输出的能力。在UPS的典型应用中,为了提高UPS系统中逆变与市电锁相输出的效率和稳定性,减少UPS逆变/市电输出切换对系统和负载用电设备的冲击、加快切换速度,UPS系统都必须提供逆变与市电锁相输出的能力。传统的模拟控制都是通过锁相环(PLL)来实现逆变与市电锁相输出[1]的目的的,随着数字逆变控制策略与方法的不断发展,使得数字逆变锁相技术有多种形式。与其它基于DSP的数字化逆变锁相控制算法[2]不同,本文介绍了一种数字异步变频调制算法,在此基础上对逆变输出进行变频、移相控制,提出了一种新型UPS数字逆变锁相技术。相对于其它的数字锁相算法,该算法具有锁相高效、可靠、算法精度高、输出波形稳定等优点。

2　字逆变异步变频调制算法

脉宽调制技术中,采用同步调制可确保波形严格对称,输出波形中不存在偶次谐波,只存在奇次谐波。但当输出信号频率fr发生变化时,在同频调制下则需要使载波信号频率fc成正比同步变化以保持载波比N(fc/fr)恒定。但在实际应用中受定点微处理器最小频率分辨的限制,fc发生连续变化时,变频调速完全同步调制不可能实现。异步调制虽然输出谐波含量大于同步调制,但在变频调频应用时,当fr发生变化时,fc可保持不变,所以异步调制算法更简单、效率更高。而且当载波比N大于一定的数值时,由于输出脉冲不对称性影响的变小,此时异步调制输出波形与同步调制相同[3]。基于上述原因,提出基于DSP实现的数字逆变异步变频调制算法。

2.1算法的推导

单极性正弦脉宽调制(SPWM)技术示意图,如图1所示。其中载波频率为fc,调制信号频率为fr,载波比N=fc/fr。由于是异步调制,可将fc定为常数(即不随fr的变化而变化),因此可将fc作为逆变控制系统的采样频率fs,即fs=fc[4]。

图1　单极性SPWM示意图

以采样频率fc离散化调制信号可得:

可知进行至第k步时,调制信号的正弦相位Φ(k)=2π(fr/fc)k。

图2　n位相位指针示意图

为了能以指令的方式表达相位Φ(k),因此建立一个n位相位指针Index,调制信号的正弦相位指针Index在每个采样周期的增量为一个单位的步进值Step,如图2所示,指针的相位分辨率为2π/2n,再建立一个大小为2m(m≤n)的正弦表(相位分辨率为2π/2m)来进一步离散化Φ(k),即可得第k步调制信号的正弦值在正弦表中的指针值为

2.2DSP算法实现

在50Hz市电工作状态下,以32位定点DSP微控制器作为算法的实现对象,算法各参数见表1。

表1　DSP算法程序参数表

该异步逆变变频调制算法结合一些智能控制算法[5]即可很方便地应用于UPS输出数字锁相控制中。

3　基于异步变频调制算法UPS输出数字锁相技术

根据上节推导的数字逆变异步变频调制算法,提出以DSP微控制器来实现的新型UPS输出数字锁相控制技术。采用TI公司最新的TM320F2812 DSP微控制器来实现该技术,控制器有32位定点,因此相位指针需取32位无符号整型变量[6],其相位分辨率为

2π/232=1.5×10-9rad

该相位精度可完全满足正弦逆变锁相控制算法。对于不间断电源(UPS),要做到逆变/市电锁相输出,则要求逆变电源的输出频率与市电同相,使正弦逆变电源与市电同频同相输出。由2.1节中算法的推导过程可知,在采用异步变频调制算法进行逆变/锁市电相输出控制时,算法中的步进值Step决定了逆变输出的频率,变量指针Index即决定了当前逆变输出的相位。此时,取定时器T2(频率为2.5MHz)为捕获时基,利用DSP微控制器的两个捕获端口对市电与逆变输出的过零点进行相位捕获,得到市电的频率[7]。根据相位捕获所得的市电频率,通过逆变异步市制的步进值Step与市电电压频率f市电和调制载波频率fs关系式[8]即可算得步进值Step,实现逆变与市电的同频输出,关系式为

Step=232×(f市电/fs)

捕获逆变过零点的同时记录下当前逆变PWM周期的相位指针Index值,以确定系统输出的相位滞后情况。在市电过零相位值捕获中,增减Index的值使得其向逆变过零相位值趋近[9],实现市电与逆变同相输出。

UPS逆变/市电锁相控制框图如图3所示,DSP的市电、逆变过零捕获程序流程图如图4所示。

图3　UPS逆变/市电锁相控制框

4　实验

根据本控制技术,设计了一个单相交流110V(即逆变输出电压为110V,市电输入电压为220V)的闭环输出逆变程序进行数字逆变锁相控制程序验证实验,得出了技术实现的实验波形图[10]。

市电、逆变电压的过零检测实验波形如图5所示。Ch1、Ch2波形分别为市电输入电压波形和过零检测输出波形。该检测输出脉冲送入DSP进行过零相位捕获。

图4　DSP逆变、市电过零捕获程序流程图

图5　市电、逆变电压过零检测图

逆变输出锁相跟踪市电实验的过程动态波形如图6所示。Ch1、Ch2分别为市电输入电压波形和逆变输出电压波形。受UPS的缓起动特性影响,实验中Ch2的电压按照一定速率是从0V缓慢增加至110V输出[11]。

锁相稳定后的市电、逆变电压波形如图7所示。Ch1、Ch2分别为市电输入电压波形和逆变输出电压波形。由相位检测值[12]可知,本次实验中市电与逆变相位差不到0.8°。而且,在随后的几次试验中二者的相差比这个值还要小。

图6　逆变锁相跟踪市电过程波形图

图7　锁相稳定后的市电、逆变电压波形图

5　结语

本文提出并推导了一种数字异步变频调制算法,通过算法对UPS系统逆变输出进行变频/移相控制,在此基础上提出的一种新型UPS数字逆变/市电锁相技术。通过实验表明,提出的新型UPS数字逆变锁相技术控制算法简单,精简了UPS整体系统的软件设计,可以实现高效、可靠、高精度的锁相,逆变脉宽波形输出稳定。该技术对解决UPS逆变/市电锁相输出控制具有重要意义。

[1] 夏向阳,彭振江.基于TMS320F2812的光伏并网系统新型锁相技术[J].电源技术,2013(7):1180-1183.

XIA Xiangyang, PENG Zhenjiang. A novel technology of software phase-locked for solar grid-connection system based on TMS320F2812[J]. Chinese Journal of Power Sources,2013(7):1180-1183.

[2] 王宝诚,伞国成,郭小强,等.分布式发电系统电网同步锁相技术[J].中国电机工程学报,2013,33(1):50-55.

WANG Baocheng, SAN Guocheng, GUO Xiaoqiang, et al. Grid Synchronization and PLL for Distributed Power Generation Systems[J]. Proceedings of the CSEE,2013,33(1):50-55.

[3] 陈增禄,赵乾坤,史强强,等.一种电网电压过零点精确锁相方法的研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(8):65-70.

CHEN Zenglu, ZHAO Qiankun, SHI Qiangqiang, et al. Study on precise phase lock techniques used for grid voltage zero-crossing[J]. Power System Protection and Control,2014,42(8):65-70.

[4] 李玲,谢利理,脱秀林,等.光伏并网系统中的数字锁相环[J].电源技术,2010,34(8):845-847.

LI Ling, XIE Lili, TUO Xiulin, et al. DPLL based on DSP applied to solar grid-connection system[J]. Chinese Journal of Power Sources,2010,34(8):845-847.

[5] 张雅静,张国旭.基于DSP的全数字UPS逆变器锁相控制技术[J].机床与液压,2014(23):89-90.

ZHANG Yajing, ZHNAG Guoxu. Phase-Lock technology of full digital UPS based on DSP[J]. Machine Tool & Hydraulics,2014(23):89-90.

[6] 许军,郑绍陆,唐传鋆,等.基于DSP的1 kW单相光伏并网锁相技术的研究[J].电子器件,2014(3):552-555.

XU Jun, ZHEAG Shaolu, TANG Chuanjun, et al. Research on 1 kW Single-Phase Photovoltaic Grid-Connected Phase-Locked Technology Based on DSP[J]. Chinese Journal of Electron Devices,2014(3):552-555.

[7] 钟景桂,丘水生.基于TMS320F2812的UPS高精度锁相技术[J].计算机工程与应用,2008,44(25):86-87.

ZHONG Jinggui, QIU Shuisheng. High precision phase-lock technology for UPS based on TMS320F2812[J]. Computer Engineering and Applications,2008,44(25):86-87.

[8] 马茜,戴瑜兴,易龙强.基于DSP的光伏并网发电系统软件锁相技术[J].电力自动化设备,2010,30(2):99-102.

MA Qian, DAN Yuxing, YI Longqiang. Software PLL of grid-connected PV power generation system based on DSP[J]. Electric Power Automation Equipmen,2010,30(2):99-102.

[9] 刘普,芦开平,石伟.基于DSP2812软件锁相技术的研究[J].电源技术,2013,37(6):1034-1035.

LIU Pu, LU Kaiping, SHI Wei. Research of software phase locked loop based on DSP 2812[J]. Chinese Journal of Power Sources,2013,37(6): 1034-1035.

[10] 郭晓瑞,郭吉丰,龙英文.三相频率自适应闭环锁相技术[J].电力自动化设备,2013,33(2):81-86.

GUO Xiaorui, GUO Jifeng, LONG Yingwen. Digital frequency-adaptive PLL technique for three-phase grid-connected inverter[J]. Electric Power Automation Equipmen,2013,33(2):81-86.

[11] 高峰,朱苹苹,易茜,等.基于多波长数字锁相检测的光学拓扑成像方法[J].天津大学学报,2013(2):162-167.

GAO Feng, ZU Pingping, YI Qian, et al. Methodology on Optical Topographic Mapping Based on Multi-Wavelength Lock-in Detection[J]. Journal of Tianjin University,2013(2):162-167.

[12] 杜佳玮,杨鹏,史旺旺.考虑频率变化的基于DFT单相数字锁相环的椭圆拟合方法[J].电力系统保护与控制,2015(10):85-90.

DU Jiawei, YANG Peng, SHI Wangwang. A novel single-phase digital phase-locked loop based on DFT considering frequency variation[J]. Power System Protection and Control,2015(10):85-90.

Digital Output Phase Locked Technology for UPS Based on Asynchronous Frequency Conversion Modulation Algorithm

LIU Zhanglong1ZHAO Xucheng1XU Hua2YANG Yang1

(1. Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou221000) (2. Manufactory of Sizhan, Jinan Air Force, Jinan250000)

In order to improve the efficiency and stability of inverter power and AC phase locked output in UPS system and reduce the impact of inverter/AC output switching on UPS system and load, and speed up the switching speed. An asynchronous modulation digital frequency conversion algorithm for frequency converter is proposed and a digital inverter phase locked control algorithm based on DSP is designed. A new digital inverter phase locked technology for UPS based on asynchronous frequency conversion modulation algorithm is realized. The experiment result shows that the design of the UPS digital inverter phase locked technology can achieve high efficiency, reliability, high precision of phase locked, and the inverter pulse width output is stable.

asynchronous frequency conversion modulation, UPS, phase locked, DSP

2016年4月11日,

2016年5月12日

刘章龙,男,硕士研究生,研究方向:航空四站保障技术与信息化。赵徐成,男,教授,研究方向:航空地面电源保障装备。

TN79

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.006