1 引言

對(duì)電子設(shè)備而言，電源是電子設(shè)備的心臟，因而它必須具有高可靠性。隨著科技的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中兼顧可靠性與設(shè)備成本，在電源系統(tǒng)中引入了模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)負(fù)載功率的要求由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化電源模塊并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分布式電源系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)逆變模塊的并聯(lián)運(yùn)行是進(jìn)一步提高分布式電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和擴(kuò)大容量而需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。然而逆變電源的并聯(lián)不同于直流電源的并聯(lián)，逆變電源輸出的是時(shí)變的、交變的正弦波，并聯(lián)時(shí)需要同時(shí)控制輸出正弦波的幅值和相角，即同頻率、同相位、同幅值。本文著重介紹如何軟件鎖相實(shí)現(xiàn)同頻率、同相位，即同步。

2 同步的重要性

模塊間輸出的不同步會(huì)造成很大的環(huán)流，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，不妨設(shè)圖1所示的兩臺(tái)并聯(lián)供電的逆變電源為相同的容量。

圖1 兩臺(tái)逆變器并聯(lián)簡(jiǎn)化圖

圖1中v1，v2代表兩個(gè)逆變電源的輸出pwm波形的基波電壓;l1，c1，l2,c2分別代表2個(gè)逆變電源的輸出濾波器;z為公共負(fù)載;v0為負(fù)載兩端電壓;il1,il2,ic1,ic2分別為兩逆變電源中流經(jīng)濾波電感和濾波電容的電流;ir1,ir2分別為兩逆變電源流進(jìn)負(fù)載的電流。
根據(jù)圖1可列出以下方程:
(1)
當(dāng)c1=c2=c，l1=l2=l時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)化為:
(2)
由此可推出:
(3)
由以上3個(gè)方程可解得:
(4)
由式(4)可以看出，il1，il2由兩部分電流組成，后一部分為負(fù)載電流分量，前一部分為環(huán)流分量。負(fù)載電流分量總是平衡的(在輸出濾波器相同時(shí))，但環(huán)流分量的存在使各逆變器輸出的總電流不相同?？梢钥闯霏h(huán)流主要取決于各輸出電壓差和濾波電抗器的特性。由于l很小，即使幅值相同，輸出間很小的相位差也會(huì)引起很大的環(huán)流。如以兩臺(tái)逆變模塊的并聯(lián)為例。一般濾波器的濾波電感的感抗取值為3%的負(fù)載阻抗，因而，在額定電壓輸出為ue、額定負(fù)載電流為ie、
額定頻率為50hz時(shí)，由式(4)可得0.5度的相位差形成的環(huán)流為:

經(jīng)分析，要使并聯(lián)逆變器系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行各模塊輸出相位差須控制在0.1度以內(nèi)。

3 基于搶占與并發(fā)的鎖相控制方式

一個(gè)完整的逆變電源系統(tǒng)有一定數(shù)量的逆變模塊和靜態(tài)開(kāi)關(guān)組成。靜態(tài)開(kāi)關(guān)起著市電與逆變電之間的切換和保證市電與逆變電之間的主從外同步關(guān)系。系統(tǒng)一旦在靜態(tài)開(kāi)關(guān)停止工作時(shí)并聯(lián)得逆變模塊可以經(jīng)一種“搶占與并發(fā)”機(jī)制產(chǎn)生一個(gè)主同步信號(hào)，發(fā)出這個(gè)主同步信號(hào)的模塊即主模塊，其他并機(jī)模塊即跟蹤主同步信號(hào)而發(fā)本模塊的同步信號(hào)，形成一種既主從又平等的同步邏輯跟蹤關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模塊之間的內(nèi)同步控制。由圖2所示的并聯(lián)同步示意圖可得如下關(guān)系式:
由靜態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)同步信號(hào)時(shí): ssignal=/sstator
靜態(tài)開(kāi)關(guān)不發(fā)同步信號(hào)時(shí): ssignal=m1+m2+…mn
這種搶占與并發(fā)方式相結(jié)合的鎖相控制方式即使有某個(gè)模塊因?yàn)楣收蠐p壞不能輸出同步信號(hào)，

圖2 并聯(lián)同步示意圖

也不影響并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行，有效克服主從控制與分散邏輯控制的缺陷,從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余控制系統(tǒng)的鎖相控制。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用ti公司tms320lf2407a作為核心芯片。通過(guò)設(shè)置硬件定時(shí)器來(lái)完成同步信號(hào)的檢測(cè)和同步脈沖的發(fā)送:t1工作與定時(shí)比較方式，用于模塊發(fā)送同步脈沖(50hz);t2用于同步信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)也作為同步中斷服務(wù)程序的定時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)上述搶占與并發(fā)的同步跟蹤策略，本系統(tǒng)設(shè)定三種工作模態(tài)。
(1) 工作模態(tài)1:模態(tài)1主要完成逆變模塊同步控制過(guò)程的初始化，首先檢測(cè)同步母線上有無(wú)同步信號(hào)，若有則精確地檢測(cè)出該同步信號(hào)的周期及啟動(dòng)定時(shí)器t1,若沒(méi)有則啟動(dòng)定時(shí)器t1。
(2) 工作模態(tài)2:模態(tài)2中根據(jù)同步過(guò)程中的同步信號(hào)發(fā)送spwm調(diào)制脈沖的起始值和spwm調(diào)制重定位鎖相控制，并由檢測(cè)到的同步信號(hào)周期與t2的定時(shí)周期的誤差，對(duì)t2的定時(shí)周期進(jìn)行修正，改變本模塊發(fā)送同步脈沖的相位。
(3) 工作模態(tài)3:當(dāng)同步中斷程序進(jìn)入工作模態(tài)3時(shí)，

圖3 同步跟蹤示意圖

圖4 spwm調(diào)制重定位示意圖

表明模塊發(fā)送的同步脈沖與同步母線上的同步信號(hào)已保持一致而不需對(duì)本模塊同步脈沖發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，其他處理工作與模態(tài)2基本類似。
圖3表明:每個(gè)模塊工作開(kāi)始，偵聽(tīng)并聯(lián)同步信號(hào)線上是否有同步脈沖的上升沿，如果檢測(cè)到上升沿，立即重置定時(shí)器t1，并使對(duì)應(yīng)定時(shí)器t1的i/o口立即發(fā)送同步信號(hào)到同步并聯(lián)線上，同步信號(hào)作或運(yùn)算;如果在一段時(shí)間t1內(nèi)一直為低或高，表明同步線上無(wú)同步信號(hào)，則立即發(fā)送本模塊的同步信號(hào);各模塊在發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)經(jīng)過(guò)t2時(shí)間后開(kāi)始偵聽(tīng)下一個(gè)同步信號(hào)的上升沿，正常情況下時(shí)間t3后，檢測(cè)到上升沿則再發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，與此同時(shí)，通過(guò)另外一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器精確記下每個(gè)同步信號(hào)的間隔t4時(shí)間，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男拚?，從而達(dá)到各模塊完全同步地發(fā)送同樣的同步脈沖，形成同步信號(hào)。
根據(jù)這一公共的同步信號(hào)，一旦檢測(cè)到同步信號(hào)的上升沿，就重新置位調(diào)制波和載波，也就是將調(diào)制波和載波的起始點(diǎn)綁定在同步信號(hào)的上升沿處，從而實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)逆變模塊交流輸出的精確同步(如圖4所示)。

5 結(jié)論
“搶占并發(fā)”相結(jié)合的鎖相控制策略，很好地解決了并聯(lián)逆變模塊之間同步控制的問(wèn)題。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,這種鎖相控制方法可以達(dá)到相當(dāng)高的同步精度,實(shí)測(cè)相差小于0.0162o(相對(duì)900ns/20ms周波而言),為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)載均分奠定了前提條件。

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作者簡(jiǎn)介

池從偉(1978-) 男 現(xiàn)為武漢理工大學(xué)碩士研究生。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，電力電子與電氣傳動(dòng)。