基于數(shù)字變頻器的船用靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)

劉正海 何健 楊峰權(quán)等

摘 要：為了滿足高新技術(shù)設(shè)備對供電質(zhì)量的苛刻要求，介紹了一套基于數(shù)字變頻器的靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)。包括兩路數(shù)字變頻器，同步鎖相電路和靜態(tài)切換開關(guān)模塊。兩路數(shù)字變頻器經(jīng)過同步鎖相后得到同頻率、同幅值、同相位的兩路電源。數(shù)字變頻器改進了SVPWM算法，采用精確的v/f控制和數(shù)字濾波器；同步鎖相電路實現(xiàn)了一種充分隔離的數(shù)字鎖相機制；靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)采用DSP芯片控制。經(jīng)過大量的實驗表明，系統(tǒng)能夠在8ms內(nèi)完成切換工作，達到了敏感負載對不間斷供電的要求。此套系統(tǒng)有望應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字變頻器 同步鎖相 靜態(tài)開關(guān) 系統(tǒng)

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0061-03

The System of Static Transfer Switch for Ship Based on DSP

Liu Zhenghai1 He Jian2 Yang Fengquan1 Chen Haitao1 Zhu Yihua1 Yang Jiawei1 Deng Liwei1

（1.Haishen machinery & electric general works（Xiangshan，china），Ningbo Zhejiang，315718；2.Suzhou Xinya technology co.，LTD，Suzhou Jiangsu，215400，China）

Abstract：In order to meet severe requirements of high and new-tech equipment for power quality， this paper introduces a system of static transfer switch（STS） based on the digital frequency converter（DFC）. It mainly contains two way of DFC， synchronous phase-lock and STS.Two powers generates the same frequency，amplitude and phase waveform by means of synchronous phase-lock. DFC improves the algorithm of SVPWM and adopts pinpoint control of v/f and digital filter； synchronous phase-lock is fully isolated；STS uses the chip of DSP. Abundant experiments show that it can finish switching within 8ms and it can be up to requirement of sensitive load.It is expected to be used in ship power system.

Key Words：Digital Frequency Converter；Synchronous Phase-Lock；Static Switch；System

隨著高新技術(shù)設(shè)備的迅猛發(fā)展，對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求也越來越苛刻[1-3]。傳統(tǒng)變頻器存在以下不足：可靠性不高，一旦故障就會使整個供電系統(tǒng)癱瘓，維修周期直接影響負載設(shè)備的運行；原有SVPWM算法保證快速生成控制脈沖時忽略低占空比時逆變的穩(wěn)定性；不具備相位檢測及相位同步功能；輸出穩(wěn)定性不夠好，v/f控制精度不高?，F(xiàn)有的雙電源切換僅具有一般的轉(zhuǎn)換功能，很少能夠達到雙供電電源之間的“無縫”快速切換。若能實現(xiàn)“無縫”快速切換，則可以保障計算機系統(tǒng)或其他電子電力設(shè)備在停電后繼續(xù)工作以給用戶一定時間進行停電對應(yīng)，從而使得用戶不會因停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)。為了對供電系統(tǒng)進行綜合治理，越來越多的國內(nèi)外專家學(xué)者開始關(guān)注并研究雙電源供電系統(tǒng)[4]。靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)屬于一種高新技術(shù)設(shè)備[5-6]，采用電力電子相關(guān)方面的技術(shù)，可以滿足高新技術(shù)設(shè)備對供電系統(tǒng)提出的嚴格要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

如圖1所示，此套系統(tǒng)主要包括主用數(shù)字變頻器和備用數(shù)字變頻器，同步鎖相電路和靜態(tài)切換開關(guān)模塊。兩路變頻器經(jīng)過同步鎖相后得到同頻率、同幅值、同相位的兩路電源。在主用變頻器正常情況下，負載由主用變頻器供電；當(dāng)主用變頻器出現(xiàn)故障時，負載自動快速切換至備用變頻器。

2 數(shù)字變頻器設(shè)計

2.1 數(shù)字變頻器結(jié)構(gòu)原理

如圖2所示，為本系統(tǒng)的數(shù)字變頻器原理框圖。每個部分的功能說明如下：（1）直流濾波部分主要為直流EMI濾波器。（2）充電控制部分：主要包括預(yù)充電電阻，直流電容和直流繼電器。（3）控制電源部分：為一單路輸入，六路輸出電源。（4）數(shù)字控制部分：主要由DSP為核心的電路板。（5）驅(qū)動部分：主要由驅(qū)動模塊為核心的電路板。（6）功率模塊：IGBT模塊。（7）交流濾波部分：交流電抗器，電容器，交流濾波器。（8）功能控制部分：包括顯示電路板，控制開關(guān)，調(diào)節(jié)電位器等。

直流電壓經(jīng)直流濾波部分、預(yù)充電部分，穩(wěn)定后進入IGBT模塊的輸入端；控制電源部分為直流濾波部分和數(shù)字控制部分提供電源；數(shù)字控制部分產(chǎn)生控制脈沖，由驅(qū)動部分進行信號放大，控制IGBT模塊實現(xiàn)換能，IGBT模塊輸出經(jīng)過交流濾波后得到數(shù)字變頻器的最終輸出。

控制軟件設(shè)計：通過中斷方式實現(xiàn)其系統(tǒng)主要功能，其中包括頻率ADC模塊、保護模塊、PI調(diào)節(jié)模塊、開關(guān)控制模塊、風(fēng)機控制模塊等。

2.2 數(shù)字變頻器工作流程

如圖3所示，為數(shù)字變頻器工作流程。數(shù)字變頻器上電后，進入初始化并檢測運行狀態(tài)，啟動數(shù)字變頻器后，開啟SVPWM算法，在更新比較寄存器的值時判斷該值的大小，當(dāng)該值小于某一特定值時，把該特定值賦給比較寄存器，該特定值限制IGBT控制脈沖的最小占空比在3%～5%之間，本實驗證明限制控制脈沖的最小占空比能有效提高輸出穩(wěn)定性。本實施例中特定值為100，Ta、Tb、Tc有以下規(guī)則：

（1）

式中Ta，Tb，Tc為比較寄存器的值。

電位器給定線性分壓，經(jīng)ADC數(shù)據(jù)處理得到給定電壓值，對三相輸出電壓進行采樣經(jīng)ADC數(shù)據(jù)處理得到反饋電壓值，經(jīng)系統(tǒng)的快速數(shù)字濾波器處理，本實施例中數(shù)字濾波器編程算法如下：

（2）

式中UN（OUT）為本次濾波輸出，UN-1為上一次濾波輸出，UN為本次采樣值，3為濾波基數(shù)。數(shù)字濾波器的輸出再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計算得到調(diào)制比用以調(diào)節(jié)控制脈沖，達到線性v/f精確調(diào)節(jié)和反饋穩(wěn)定輸出的目的。

3 同步鎖相模塊

3.1 同步分析

兩臺數(shù)字變頻器并聯(lián)運行的電路模型如圖4所示.

兩路電源功率偏差為：

式（3）和式（4）中，U0為負載電壓，U1和U2分別為兩路電源輸出電壓?？芍?，兩路電源的有功功率差主要取決于輸出電壓相位差，無功功率主要取決于輸出電壓幅值差。所以，保證兩路電源的無功功率和有功功率一致，就能確保輸出電壓幅值和相位一致。

3.2 充分隔離的數(shù)字鎖相機制

如圖5所示，當(dāng)兩個相位檢測端的相位信號都為低電平時，Q2、Q3不導(dǎo)通，上拉電阻R5、R9導(dǎo)致U1的6引腳和10引腳為低電平，由于D2、D3的阻斷隔離及下拉電阻R15，相位同步線的電位為低電平，U1的8引腳和12引腳為高電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為高電平；當(dāng)相位檢測端1的相位信號為高電平相位檢測端2的相位信號為低電平時，Q2導(dǎo)通Q3不導(dǎo)通，由于Q2發(fā)射極接地，U1的6引腳為高電平，D2導(dǎo)通，U1的10引腳為低電平，D3阻斷隔離，因此相位同步線的電位為高電平，U1的8引腳和12引腳為低電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為低電平；同理當(dāng)相位檢測端1的相位信號為低電平相位檢測端2的相位信號為高電平時，同步輸出端1和同步輸出端2為低電平；當(dāng)兩個相位檢測端的相位信號都為高電平時，Q2、Q3都導(dǎo)通，由于Q2、Q3發(fā)射極接地，U1的6引腳和10引腳為高電平，D2、D3都導(dǎo)通，相位同步線的電位為高電平，U1的8引腳和12引腳為低電平，因此同步輸出端1和同步輸出端2為低電平，由于D2、D3的隔離作用，當(dāng)主用數(shù)字變頻器和備用數(shù)字變頻器中任意一臺故障，另一臺都能檢測到相位同步線上的正確電位信號。

4 靜態(tài)切換開關(guān)模塊

如圖6所示，靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)包括兩路不間斷數(shù)字變頻器輸入檢測電路、DSP系統(tǒng)控制電路、數(shù)字觸發(fā)電路、LC橋式諧振輔助換流電路等；所述數(shù)字變頻器輸入檢測信號經(jīng)處理后得到的采樣信號送入DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊，DSP控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的信號作出相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析，以便偵測出主用數(shù)字變頻器出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，然后第一時間觸發(fā)數(shù)字信號，該信號控制LC橋式諧振換流電路中相應(yīng)的晶閘管門極，使得主用數(shù)字變頻器首先換流到LC橋式諧振輔助旁路，然后再由LC橋式諧振輔助旁路換流到備用數(shù)字變頻器。由于切換過程時間較短，因此可以認為兩路電源電壓以及負載電流近似不變，其間DSP芯片作出相應(yīng)的狀態(tài)報警顯示以及與外部通信。

5 實驗結(jié)果

圖7所示為經(jīng)相應(yīng)捕獲中斷同步相位后得到的方波信號。通道1通道2為兩路數(shù)字變頻器輸出正弦波對應(yīng)的50HZ方波，此時相位同步。

如圖8所示，當(dāng)靜態(tài)切換開關(guān)控制系統(tǒng)檢測到主用數(shù)字變頻器出現(xiàn)故障時，由主用數(shù)字變頻器切換至備用數(shù)字變頻器時的捕獲波形。由波形可以看出切換時間大約需要8ms，切換過后由備用變頻器供電，輸出恢復(fù)至正常電壓。

6 結(jié)語

經(jīng)過大量地實驗表明，此套靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)能夠在8 ms內(nèi)完成切換過程，達到了預(yù)期的效果。由于切換過程時間較短，因此可以認為兩路電源電壓以及負載電流近似不變，實現(xiàn)了“無縫”快速切換，從而滿足高新技術(shù)設(shè)備對供電質(zhì)量的苛刻要求。此套系統(tǒng)有望應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 付學(xué)謙，陳皓勇，劉國特，等.分布式電源電能質(zhì)量綜合評估方法[J].中國電機工程學(xué)報，2014（25）：4270-4276.

[2] 蔣瑋，陳武，胡仁杰，等.基于超級電容器儲能的微網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器[J].電力自動化設(shè)備，2014，34（1）：85-90.

[3] 張逸，林焱，吳丹岳，等.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015（2）：138-147.

[4] 丁興群.雙電源自動切換裝置的選用策略[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（5）：113.

[5] Hossein Mokhtari，M. Reza Iravani.Effect of Source Phase Difference on Static Transfer Switch Performance[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22（2）：1125-1131.

[6] 汪全濤，姚蜀軍，韓民曉，等.雙路供電固體靜態(tài)切換開關(guān)控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（5）：67-70.