三相ups並機系統的同步實現方法及同步控制裝置的製作方法
2023-04-27 21:40:01
專利名稱：三相ups並機系統的同步實現方法及同步控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及三相UPS (不間斷電源)並機同步實現的一種方法，具體是通過32位DSP TMS320F2812的控制，實現並機系統各UPS輸出電壓的頻率和相位的高精度同步。
背景技術：
隨著重要用電設備和用戶對高品質電源要求的不斷提高，UPS得到了廣泛的應用。全控型電力電子器件、高性能DSP和先進控制技術的發展，促進了 UPS向綠色化、數位化、智能化和冗餘並機等方向發展，並機運行可以使UPS供電系統方便擴容和實現冗餘，大大提高了系統的可靠性。而並機的關鍵技術是各臺UPS輸出電壓的頻率、相位的高精度同步。並機控制方法應用最多的是基於有功功率和無功功率方法，因為並機系統各UPS的輸出電壓的幅值差Λ V、相位差Δ爐與有功環流Ph、無功環流Qh都有關係。通過檢測QH、Pdt為已知量，就可以求得此時的輸出電壓幅值差AV，從而調節輸出電壓的幅值；同理可求得此時的輸出電壓的相位差Δ爐，調節輸出電壓的相位，實現有功功率和無功功率的均分，從而實現了 UPS的並聯均流控制。這種方法可靠性高，擴展容易，是一種比較完善的並機技術，但這種方法算法較為複雜，檢測精度要求很高。為此，本發明特提出一種較為簡易的三相UPS並機系統的同步實現方法，樣機實驗結果證明了這種方法的有效性和可靠性。
發明內容
本發明目的在基於TMS320F2812的並機控制的硬體電路基礎這上，提供三相UPS並機系統的同步實現方法及同步控制裝置，具體技術方案如下。三相UPS並機系統的同步實現方法，具體是:在並機系統中的各UPS均設有基於TMS320F2812的並機控制電路，通過DSP的CAPl 口(捕獲口 I)檢測旁路電壓信號上升沿，DSP的CAP2 口(捕獲口 2)檢測並機同步信號上升沿；對於多機並聯繫統中任意A、B兩機，在不同運行狀態下，通過DSP對同步信號進行分析和綜合，由DSP的TlPWM引腳發出PWM信號，調節每臺UPS輸出電壓的頻率與相位，從而實現各UPS的同步；所述不同運行狀態包括:①A開機、B未開，且無旁路電壓 』②A開機、B未開，有旁路電壓A、B機均開機，有旁路電壓；④A、B機均開機，無旁路電壓。進一步的，上述的三相UPS並機系統的同步實現方法中，同步信號的分析和綜合具體是:①A機開機、B機未開，且無旁路電壓請參見附圖2，開機初始化後，若同步線上無同步信號，DSP的TlPWM將發本機方波信號f；，當DSP的CAP2 口捕捉到tO時刻上升沿時，DSP的CAPl 口開始捕捉旁路電壓上升沿信號，同時CAP2 口開始捕捉tl時刻下降沿，當捕捉到後，又開始捕捉t2時刻上升沿，CAPl口如未捕捉到旁路電壓上升沿信號，則斷定無旁路電壓，停止CAPl 口的捕捉，同時TlPWM繼續發出同tO t2時刻一致的同步信號； ②A單機開機後、B機未開且有旁路電壓，該狀態包括兩種:
設同步信號頻率為ft，旁路電壓信號頻率為fp，狀態之一，A開機、B未開，有旁路，在t2時刻捕捉到tl』時刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信號在to時刻上升沿後，開始捕捉在tl時刻下降沿；同時CAPl 口捕捉旁路信號在tO』時刻的上升沿，捕捉到上升沿後，開始捕捉旁路信號在tl』時刻下降沿；若在TlPWM開始發送PWM信號到t2這段時間CAPl 口仍未捕捉到在tl』時刻下降沿，則可認為f；落後於fp，然後TlPWM在t2時刻後繼續發出同上一周期相同頻率的ft，同時CAPl 口繼續捕捉旁路信號在tl』時刻的下降沿，在t2 t3間捕捉到旁路在tl』下降沿，此時計算出fp的頻率，及tO』與t2之間的相位差ξ ；狀態之二，A開機、B未開，有旁路，在t2時刻前已捕捉到tl』時刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信號在to時刻上升沿後，開始捕捉在tl時刻的下降沿，同時CAPl 口開始捕捉旁路信號在tO』時刻的上升沿，捕捉到上升沿後，開始捕捉旁路信號在tl』的下降沿；若在TlPWM開始發送PWM信號到t2這段時間CAPl 口已經捕捉到在tl』時刻下降沿，則可認為f；超前旁路信號頻率fp，此時計算出fp的頻率，及to與tO』之間的相位差ξ ；③A機、B機均開機，有旁路電壓A機、B機均開機並初始化後，B機的CAP2 口捕捉到下降沿信號，可確認同步線上有其它機發出的同步信 號；當B機的CAP2 口捕捉到tO時刻下降沿時，B機的TlPWM發出高電平，同時B機的CAP2 口開始捕捉tl時刻上升沿，當捕捉到後，B機TlPWM發出低電平，當B機再次捕捉到下降沿時，同時反轉電平，若干周期後A機的TlPWM 口與B機的TlPWM各自發出的信號已同步；此時，B機可以根據「A單機正常後有旁路電壓」中的運行方法開始處理B機的CAPl 口和CAP2 口的捕捉信號；此時，A機或B機中只要有一臺有旁路信號，各自的CAPl 口將會捕捉到相同的旁路信號，結合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信號，依據「A單機正常後有旁路電壓」的運行方法，作相同的處理；④A機、B機均開機，且無旁路電壓設在tO時刻前有旁路電壓，頻率為50Hz ;在tO t2間斷開旁路電壓，A機、B機在tO t2內，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路電壓下降沿，此時A機B機可同時認為並機系統中已無旁路電壓，在t2時刻後，各自的TlPWM發出50Hz的同步信號，在t4時刻後再次發出50Hz的同步信號，若干個周期後，發出的同步信號變為本機同步信號50Hz。本發明還提供實現上述方法的三相UPS並機系統的同步控制裝置，包括基於TMS320F2812的並機控制電路，所述並機控制電路包括前置處理電路、主控電路和並機通信接口電路；前置處理電路實現對直流母線電流、電壓，及三相電壓和旁路電壓信號進行電流/電壓轉換、降壓和整流處理，得到O 5V的直流電壓信號，輸入到主控電路中的DSP內部A/D轉換器；主控電路主要功能是:對前置處理電路得到的電壓和電流信號的採樣和檢測，實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節，並實現旁路/逆變的邏輯控制；並機通信接口電路用於同步信號、旁路/逆變的控制信號、逆變器狀態信號、旁路A相電壓追蹤信號的發送/接收。進一步的，所述主控電路由32位DSP TMS320F2812及外圍電路組成，DSP通過內部A/D轉換器實現對前置處理電路得到的電壓和電流信號的檢測，然後通過DSP的PWM 口來實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節；DSP通過GPIO 口與並機通信接口電路連接，實現旁路/逆變的邏輯檢測和開關量的控制。與現有技術相比，本發明有益的效果為:通過這種在不同運行狀態下同步實現的方法，可以實現各臺UPS輸出電壓頻率和相位高精度同步，能將UPS環流值抑制在輸出總電流的3%以內，可實現10臺單機功率等級為10KVA 500KVA的UPS並機。
圖1是基於TMS320F2812的UPS並機控制系統硬體結構示意圖。圖2是TlPWM和同步線信號示意圖(A機開機、B機未開，無旁路)。圖3是T1PWM、同步和旁路信號示意圖(A開機、B未開，有旁路，在t2時刻前未捕捉到tl』時刻的下降沿)。圖4是T1PWM、同步和旁路信號示意圖(A開機、B未開，有旁路，在t2時刻前已捕捉到tl』時刻的下降沿)。
具體實施方式
以下從本領域技術人員的角度結合附圖本發明的實施作進一步說明，但本發明的實施和保護不限於此。請參見附圖1，圖1是UPS並機控制系統硬體結構示意圖。同步實現的方法是建立在此硬體電路的基礎上。硬體包括主控電路、前置處理電路和並機通信接口電路。主控電路由32位DSP TMS320F2812及外圍系統組成，主要實現對電壓電流等多路信號採樣和PWM波的輸出，利用DSP內部A/D轉換器實現對這些信號的檢測，然後通過DSP的PWM 口來實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節；通過GPIO 口(通用輸入輸出口)來實現旁路/逆變的邏輯檢測和控制(開關量)。前置處理電路作用是通過對直流母線電流、電壓，三相電壓和旁路電壓進行電流/電壓轉換、降壓和整流等處理，得到O 5V的直流電壓信號，使DSP的AD採樣電路精確地採樣所需數據。各UPS通過並機通信線交換信息，通信線包括了同步、旁路/逆變的控制、逆變器狀態、旁路A相電壓追蹤等信號的發送/接收等，為了防止幹擾，各信號的發送/接收都採用了光電隔離器。DSP的第106引腳CAPl 口檢測旁路電壓信號上升沿，第107引腳CAP2 口檢測同步信號上升沿，第102腳TlPWM發出PWM信號，通過逆變器控制電路來調節UPS輸出電壓的頻率與相位的同步。以多機並聯繫統中的任意A、B兩機為例，在各機處於不同的狀態下，對同步的實現的方法如下:(I)A機開機、B機未開，且無旁路電壓請參見附圖2，TlPWM和同步信號示意圖(A機開機、B機未開，無旁路)。開機初始化後，在20ms內，如果CAPl 口沒有捕捉到旁路電壓上升沿信號，可確認無旁路電壓；CAP2 口沒有捕捉到上升沿信號，可確認同步線上無同步信號。這時，TlPWM發出頻率為50Hz，佔空比一定的本機方波信號f,。同時，CAP2 口上可捕捉到同頻同相的方波信號。tO t2時為TlPWM發出的第一個周期信號，當CAP2 口捕捉到tO時刻上升沿時，CAPl口開始捕捉旁路電壓上升沿信號，同時CAP2 口開始捕捉tl時刻下降沿，當捕捉到tl時刻下降沿後，又開始捕捉t2時刻上升沿，當捕捉到後，CAPl 口如果仍然未捕捉到旁路電壓上升沿信號，則可斷定無旁路電壓，停止CAPl 口的捕捉，同時TlPWM繼續發出同tO t2 —致的同步信號。可以定義:在TlPWM發送新的周期信號在IOms時刻開始，DSP可檢測得到負載電流、輸出電壓等，配合50Hz的本機頻率，經過運算可得出逆變器主控電路的控制信號。(2) A單機開機後、B機未開且有旁路電壓同步信號與旁路電壓信號的相位差、頻率會有多種情況，對應每一情況會有不同的處理方法，每次處理完一次情況後，開始新的情況判斷及處理，周而復始。設同步信號頻率為ft，旁路電壓信號頻率為fp。①情況1:請參見附圖3，T1PWM、同步和旁路信號示意圖(A開機、B未開，有旁路，在t2時刻前未捕捉到tl』時刻下降沿)。
CAP2 口捕捉到同步信號在tO時刻上升沿後，開始捕捉在tl時刻下降沿，同時CAPl 口開始捕捉旁路信號在tO』時刻的上升沿，捕捉到上升沿後，開始捕捉旁路信號在tl』時刻的下降沿。若在TlPWM開始發送PWM信號到t2這段時間CAPl 口仍未捕捉到在tl』時刻下降沿，則為f；落後於旁路信號頻率fp，則TlPWM在t2時刻後繼續發出同上一周期相同頻率的ft，同時CAPl 口繼續捕捉旁路信號在tl』時刻的下降沿，在t2 t3間捕捉到旁路在tl』時刻下降沿，此時可計算出fp的頻率，及tO』與t2之間的相位差ξ。當fp-f；>0.0lHz時，則在t4時刻後，TlPWM發出f/ =fr+0.0lHz,佔空比一定的同步信號；當0〈fp-fr ≤ 0.0lHz 時，若 ξ>0.01Ηζ，在 t4 時亥Ij 以後，TlPWM 發出f； 』 =f； +0.0lHz的同步信號(與上一周期相同);若00.0lHz時，則在t4時刻後，TlPWM發出f/ =fr-0.0lHz,佔空比一定的同
步信號；當0〈fr-fp ≤ 0.0lHz 時，若 ξ>0.01Ηζ，在 t4 時亥Ij 以後，TlPWM 發出f； 』 =f； -0.0lHz的同步信號(與上一周期相同);若00.0lHz時，則在t2時刻後，TlPWM即發出f/ =fr+0.0lHz,佔空比一定的同步信號；當00.0lHz時，則在t2時刻後，TlPWM即發出f/ =fr-0.0lHz,佔空比一定的同步信號；當0<fr-fp ( 0.0lHz時，調節方法同情況I。(3) A機、B機均開機，有旁路電壓A機、B機均開機並初始化後，B機的CAP2 口捕捉到下降沿信號，可確認同步線上有其它機發出的同步信號，可參照附圖2。圖中A機的CAP2 口捕捉到的同步信號同樣會在B機中被B機的CAP2 口同時捕捉至IJ，當B機的CAP2 口捕捉到tO時刻下降沿時，B機的TlPWM發出高電平，同時B機的CAP2口開始捕捉tl時刻上升沿，當捕捉到後，B機TlPWM發出低電平，當B機再次捕捉到下降沿時，同時反轉電平，幾個周期後A機的TIPWM 口與B機的TIPWM各自發出的信號已同步。此時，B機可以根據「A單機正常後有旁路電壓」中的方法開始處理B機的CAPl 口和CAP2 口的捕捉信號。此時，A機或B機中只要有一臺有旁路信號，各自的CAPl 口將會捕捉到相同的旁路信號，結合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信號，依據「A單機正常後有旁路電壓」的方法，可作相同的處理。(4) A機、B機均開機，且無旁路電壓設在tO時刻前有旁路電壓，頻率為50Hz。在tO t2間斷開旁路電壓，A機、B機在tO t2內，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路電壓下降沿，此時A機B機可同時認為並機系統中已無旁路電壓，在t2時刻後，各自的TlPWM發出50Hz的同步信號，在t4時刻後再次發出50Hz的同步信號。幾個周期後，發出的同步信號變為本機同步信號50Hz。通過這種在不同運行狀態下同步實現的方法，可以實現各臺UPS輸出電壓的頻率和相位高精度同步，能將環流值控制在輸出總電流的3%以內，可實現10臺單機功率為10KVA 500KVA 的 UP·S 並機。
權利要求
1.三相UPS並機系統的同步實現方法，其特徵是:在並機系統中的各UPS均設有基於TMS320F2812的並機控制電路，通過DSP的CAPl 口檢測旁路電壓信號上升沿，DSP的CAP2口檢測並機同步信號上升沿；對於多機並聯繫統中任意A、B兩機，在不同運行狀態下，通過DSP對同步信號進行分析和綜合，由DSP的TlPWM引腳發出PWM信號，調節每臺UPS輸出電壓的頻率與相位，從而實現各UPS的同步；所述不同運行狀態包括:①A開機、B未開，且無旁路電壓 』②A開機、B未開，有旁路電壓A、B機均開機，有旁路電壓A、B機均開機，無旁路電壓。
2.根據權利要求1所述的三相UPS並機系統的同步實現方法，其特徵在於所述的同步信號的分析和綜合具體包括: ①A機開機、B機未開，且無旁路電壓 開機初始化後，若同步線上無同步信號，DSP的TlPWM引腳將發本機方波信號f；，當DSP的CAP2 口捕捉到tO時刻上升沿時，DSP的CAPl 口開始捕捉旁路電壓上升沿信號，同時CAP2口開始捕捉tl時刻下降沿，當捕捉到後，又開始捕捉t2時刻上升沿，CAPl 口如未捕捉到旁路電壓上升沿信號，則斷定無旁路電壓，停止CAPl 口的捕捉，同時TlPWM繼續發出同tO t2時刻一致的同步信號； ②A單機開機後、B機未開且有旁路電壓，該狀態包括兩種: 設同步信號頻率為ft，旁路電壓信號頻率為fp， 狀態之一，A開機、B未開，有旁路，在t2時刻捕捉到tl』時刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信號在tO時刻上升沿後，開始捕捉在tl時刻下降沿；同時CAPl 口捕捉旁路信號在tO』時刻的上升沿，捕捉到上升沿後，開始捕捉旁路信號在tl』時刻下降沿；若在TlPWM開始發送PWM信號到t2這段時間CAPl 口仍未捕捉到在tl』時刻下降沿，則可認為f；落後於fp，然後TlPWM在t2時刻後繼續發出同上一周期相同頻率的ft，同時CAPl 口繼續捕捉旁路信號在tl』時刻的下降沿，在t2 t3間捕捉到旁路在tl』下降沿，此時計算出fp的頻率，及tO』與t2之間的相位 差ξ ； 狀態之二，A開機、B未開，有旁路，在t2時刻前已捕捉到tl』時刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信號在tO時刻上升沿後，開始捕捉在tl時刻的下降沿，同時CAPl 口開始捕捉旁路信號在tO』時刻的上升沿，捕捉到上升沿後，開始捕捉旁路信號在tl』的下降沿；若在TlPWM開始發送PWM信號到t2這段時間CAPl 口已經捕捉到在tl』時刻下降沿，則可認為f；超前旁路信號頻率fp，此時計算出fp的頻率，及to與tO』之間的相位差ξ ； ③A機、B機均開機，有旁路電壓 A機、B機均開機並初始化後，B機的CAP2 口捕捉到下降沿信號，可確認同步線上有其它機發出的同步信號； 當B機的CAP2 口捕捉到tO時刻下降沿時，B機的TlPWM發出高電平，同時B機的CAP2口開始捕捉tl時刻上升沿，當捕捉到後，B機TlPWM發出低電平，當B機再次捕捉到下降沿時，同時反轉電平，若干周期後A機的TlPWM 口與B機的TlPWM各自發出的信號已同步；此時，B機可以根據「A單機正常後有旁路電壓」中的運行方法開始處理B機的CAPl 口和CAP2口的捕捉信號；此時，A機或B機中只要有一臺有旁路信號，各自的CAPl 口將會捕捉到相同的旁路信號，結合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信號，依據「A單機正常後有旁路電壓」的運行方法，作相同的處理；④A機、B機均開機，且無旁路電壓 設在tO時刻前有旁路電壓，頻率為50Hz ;在tO t2間斷開旁路電壓，A機、B機在tO t2內，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路電壓下降沿，此時A機B機可同時認為並機系統中已無旁路電壓，在t2時刻後，各自的TlPWM發出50Hz的同步信號，在t4時刻後再次發出50Hz的同步信號，若干個周期後，發出的同步信號變為本機同步信號50Hz。
3.實現權利要求1所述方法的三相UPS並機系統的同步控制裝置，其特徵在於包括基於TMS320F2812的並機控制電路，所述並機控制電路包括前置處理電路、主控電路和並機通信接口電路； 前置處理電路實現對直流母線電流、電壓，及三相電壓和旁路電壓信號進行電流/電壓轉換、降壓和整流處理，得到O 5V的直流電壓信號，輸入到主控電路中的DSP內部A/D轉換器；主控電路主要功能是:對前置處理電路得到的電壓和電流信號的採樣和檢測，實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節，並實現旁路/逆變的邏輯控制；並機通信接口電路用於同步信號、旁路/逆變的控制信號、逆變器狀態信號、旁路A相電壓追蹤信號的發送/接收。
4.根據權利要求3所述的三相UPS並機系統的同步控制裝置，其特徵在於主控電路由32位DSP TMS320F2812及外圍電路組成，DSP通過內部A/D轉換器實現對前置處理電路得到的電壓和電流信號的檢測，然後通過DSP的PWM 口來實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節；DSP通過GPIO 口與並機通信接口電路連接，實現旁路/逆變的邏輯檢測和開關量 的控制。
全文摘要
本發明公開了三相UPS並機系統的同步實現方法及同步控制裝置。同步控制裝置包括前置處理電路、主控電路和並機通信接口電路；同步實現方法中，主控電路對前置處理電路得到的電壓和電流信號的採樣和檢測，實現對UPS逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值的調節，並實現旁路/逆變的邏輯控制；並機通信接口電路用於同步信號、旁路/逆變的控制信號、逆變器狀態信號、旁路A相電壓追蹤信號的發送/接收。本發明根據UPS的各種不同運行狀態，通過DSP對同步信號進行分析和綜合，發出PWM控制信號，控制並機系統中各UPS輸出電壓頻率與相位，從而實現各臺UPS輸出電壓頻率和相位高精度同步。
文檔編號G05B19/042GK103217918SQ20131015787
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月28日 優先權日2013年4月28日
發明者廖慧, 張波 申請人:華南理工大學