专利名称：三相ups并机系统的同步实现方法及同步控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及三相UPS (不间断电源)并机同步实现的一种方法，具体是通过32位DSP TMS320F2812的控制，实现并机系统各UPS输出电压的频率和相位的高精度同步。
背景技术：
随着重要用电设备和用户对高品质电源要求的不断提高，UPS得到了广泛的应用。全控型电力电子器件、高性能DSP和先进控制技术的发展，促进了 UPS向绿色化、数字化、智能化和冗余并机等方向发展，并机运行可以使UPS供电系统方便扩容和实现冗余，大大提高了系统的可靠性。而并机的关键技术是各台UPS输出电压的频率、相位的高精度同步。并机控制方法应用最多的是基于有功功率和无功功率方法，因为并机系统各UPS的输出电压的幅值差Λ V、相位差Δ炉与有功环流Ph、无功环流Qh都有关系。通过检测QH、Pdt为已知量，就可以求得此时的输出电压幅值差AV，从而调节输出电压的幅值；同理可求得此时的输出电压的相位差Δ炉，调节输出电压的相位，实现有功功率和无功功率的均分，从而实现了 UPS的并联均流控制。这种方法可靠性高，扩展容易，是一种比较完善的并机技术，但这种方法算法较为复杂，检测精度要求很高。为此，本发明特提出一种较为简易的三相UPS并机系统的同步实现方法，样机实验结果证明了这种方法的有效性和可靠性。
发明内容
本发明目的在基于TMS320F2812的并机控制的硬件电路基础这上，提供三相UPS并机系统的同步实现方法及同步控制装置，具体技术方案如下。三相UPS并机系统的同步实现方法，具体是:在并机系统中的各UPS均设有基于TMS320F2812的并机控制电路，通过DSP的CAPl 口(捕获口 I)检测旁路电压信号上升沿，DSP的CAP2 口(捕获口 2)检测并机同步信号上升沿；对于多机并联系统中任意A、B两机，在不同运行状态下，通过DSP对同步信号进行分析和综合，由DSP的TlPWM引脚发出PWM信号，调节每台UPS输出电压的频率与相位，从而实现各UPS的同步；所述不同运行状态包括:①A开机、B未开，且无旁路电压 ’②A开机、B未开，有旁路电压A、B机均开机，有旁路电压；④A、B机均开机，无旁路电压。进一步的，上述的三相UPS并机系统的同步实现方法中，同步信号的分析和综合具体是:①A机开机、B机未开，且无旁路电压请参见附图2，开机初始化后，若同步线上无同步信号，DSP的TlPWM将发本机方波信号f；，当DSP的CAP2 口捕捉到tO时刻上升沿时，DSP的CAPl 口开始捕捉旁路电压上升沿信号，同时CAP2 口开始捕捉tl时刻下降沿，当捕捉到后，又开始捕捉t2时刻上升沿，CAPl口如未捕捉到旁路电压上升沿信号，则断定无旁路电压，停止CAPl 口的捕捉，同时TlPWM继续发出同tO t2时刻一致的同步信号； ②A单机开机后、B机未开且有旁路电压，该状态包括两种:
设同步信号频率为ft，旁路电压信号频率为fp，状态之一，A开机、B未开，有旁路，在t2时刻捕捉到tl’时刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信号在to时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻下降沿；同时CAPl 口捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’时刻下降沿；若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口仍未捕捉到在tl’时刻下降沿，则可认为f；落后于fp，然后TlPWM在t2时刻后继续发出同上一周期相同频率的ft，同时CAPl 口继续捕捉旁路信号在tl’时刻的下降沿，在t2 t3间捕捉到旁路在tl’下降沿，此时计算出fp的频率，及tO’与t2之间的相位差ξ ；状态之二，A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前已捕捉到tl’时刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信号在to时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻的下降沿，同时CAPl 口开始捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’的下降沿；若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口已经捕捉到在tl’时刻下降沿，则可认为f；超前旁路信号频率fp，此时计算出fp的频率，及to与tO’之间的相位差ξ ；③A机、B机均开机，有旁路电压A机、B机均开机并初始化后，B机的CAP2 口捕捉到下降沿信号，可确认同步线上有其它机发出的同步信 号；当B机的CAP2 口捕捉到tO时刻下降沿时，B机的TlPWM发出高电平，同时B机的CAP2 口开始捕捉tl时刻上升沿，当捕捉到后，B机TlPWM发出低电平，当B机再次捕捉到下降沿时，同时反转电平，若干周期后A机的TlPWM 口与B机的TlPWM各自发出的信号已同步；此时，B机可以根据“A单机正常后有旁路电压”中的运行方法开始处理B机的CAPl 口和CAP2 口的捕捉信号；此时，A机或B机中只要有一台有旁路信号，各自的CAPl 口将会捕捉到相同的旁路信号，结合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信号，依据“A单机正常后有旁路电压”的运行方法，作相同的处理；④A机、B机均开机，且无旁路电压设在tO时刻前有旁路电压，频率为50Hz ;在tO t2间断开旁路电压，A机、B机在tO t2内，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路电压下降沿，此时A机B机可同时认为并机系统中已无旁路电压，在t2时刻后，各自的TlPWM发出50Hz的同步信号，在t4时刻后再次发出50Hz的同步信号，若干个周期后，发出的同步信号变为本机同步信号50Hz。本发明还提供实现上述方法的三相UPS并机系统的同步控制装置，包括基于TMS320F2812的并机控制电路，所述并机控制电路包括前置处理电路、主控电路和并机通信接口电路；前置处理电路实现对直流母线电流、电压，及三相电压和旁路电压信号进行电流/电压转换、降压和整流处理，得到O 5V的直流电压信号，输入到主控电路中的DSP内部A/D转换器；主控电路主要功能是:对前置处理电路得到的电压和电流信号的采样和检测，实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节，并实现旁路/逆变的逻辑控制；并机通信接口电路用于同步信号、旁路/逆变的控制信号、逆变器状态信号、旁路A相电压追踪信号的发送/接收。进一步的，所述主控电路由32位DSP TMS320F2812及外围电路组成，DSP通过内部A/D转换器实现对前置处理电路得到的电压和电流信号的检测，然后通过DSP的PWM 口来实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节；DSP通过GPIO 口与并机通信接口电路连接，实现旁路/逆变的逻辑检测和开关量的控制。与现有技术相比，本发明有益的效果为:通过这种在不同运行状态下同步实现的方法，可以实现各台UPS输出电压频率和相位高精度同步，能将UPS环流值抑制在输出总电流的3%以内，可实现10台单机功率等级为10KVA 500KVA的UPS并机。
图1是基于TMS320F2812的UPS并机控制系统硬件结构示意图。图2是TlPWM和同步线信号示意图(A机开机、B机未开，无旁路)。图3是T1PWM、同步和旁路信号示意图(A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前未捕捉到tl’时刻的下降沿)。图4是T1PWM、同步和旁路信号示意图(A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前已捕捉到tl’时刻的下降沿)。
具体实施方式
以下从本领域技术人员的角度结合附图本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。请参见附图1，图1是UPS并机控制系统硬件结构示意图。同步实现的方法是建立在此硬件电路的基础上。硬件包括主控电路、前置处理电路和并机通信接口电路。主控电路由32位DSP TMS320F2812及外围系统组成，主要实现对电压电流等多路信号采样和PWM波的输出，利用DSP内部A/D转换器实现对这些信号的检测，然后通过DSP的PWM 口来实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节；通过GPIO 口(通用输入输出口)来实现旁路/逆变的逻辑检测和控制(开关量)。前置处理电路作用是通过对直流母线电流、电压，三相电压和旁路电压进行电流/电压转换、降压和整流等处理，得到O 5V的直流电压信号，使DSP的AD采样电路精确地采样所需数据。各UPS通过并机通信线交换信息，通信线包括了同步、旁路/逆变的控制、逆变器状态、旁路A相电压追踪等信号的发送/接收等，为了防止干扰，各信号的发送/接收都采用了光电隔离器。DSP的第106引脚CAPl 口检测旁路电压信号上升沿，第107引脚CAP2 口检测同步信号上升沿，第102脚TlPWM发出PWM信号，通过逆变器控制电路来调节UPS输出电压的频率与相位的同步。以多机并联系统中的任意A、B两机为例，在各机处于不同的状态下，对同步的实现的方法如下:(I)A机开机、B机未开，且无旁路电压请参见附图2，TlPWM和同步信号示意图(A机开机、B机未开，无旁路)。开机初始化后，在20ms内，如果CAPl 口没有捕捉到旁路电压上升沿信号，可确认无旁路电压；CAP2 口没有捕捉到上升沿信号，可确认同步线上无同步信号。这时，TlPWM发出频率为50Hz，占空比一定的本机方波信号f,。同时，CAP2 口上可捕捉到同频同相的方波信号。tO t2时为TlPWM发出的第一个周期信号，当CAP2 口捕捉到tO时刻上升沿时，CAPl口开始捕捉旁路电压上升沿信号，同时CAP2 口开始捕捉tl时刻下降沿，当捕捉到tl时刻下降沿后，又开始捕捉t2时刻上升沿，当捕捉到后，CAPl 口如果仍然未捕捉到旁路电压上升沿信号，则可断定无旁路电压，停止CAPl 口的捕捉，同时TlPWM继续发出同tO t2 —致的同步信号。可以定义:在TlPWM发送新的周期信号在IOms时刻开始，DSP可检测得到负载电流、输出电压等，配合50Hz的本机频率，经过运算可得出逆变器主控电路的控制信号。(2) A单机开机后、B机未开且有旁路电压同步信号与旁路电压信号的相位差、频率会有多种情况，对应每一情况会有不同的处理方法，每次处理完一次情况后，开始新的情况判断及处理，周而复始。设同步信号频率为ft，旁路电压信号频率为fp。①情况1:请参见附图3，T1PWM、同步和旁路信号示意图(A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前未捕捉到tl’时刻下降沿)。
CAP2 口捕捉到同步信号在tO时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻下降沿，同时CAPl 口开始捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’时刻的下降沿。若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口仍未捕捉到在tl’时刻下降沿，则为f；落后于旁路信号频率fp，则TlPWM在t2时刻后继续发出同上一周期相同频率的ft，同时CAPl 口继续捕捉旁路信号在tl’时刻的下降沿，在t2 t3间捕捉到旁路在tl’时刻下降沿，此时可计算出fp的频率，及tO’与t2之间的相位差ξ。当fp-f；>0.0lHz时，则在t4时刻后，TlPWM发出f/ =fr+0.0lHz,占空比一定的同步信号；当0〈fp-fr ≤ 0.0lHz 时，若 ξ>0.01Ηζ，在 t4 时亥Ij 以后，TlPWM 发出f； ’ =f； +0.0lHz的同步信号(与上一周期相同);若0< ξ〈0.01Hz，在t4时刻后，TlPWM发出fr’’=fr的同步信号。当f；-fp>0.0lHz时，则在t4时刻后，TlPWM发出f/ =fr-0.0lHz,占空比一定的同
步信号；当0〈fr-fp ≤ 0.0lHz 时，若 ξ>0.01Ηζ，在 t4 时亥Ij 以后，TlPWM 发出f； ’ =f； -0.0lHz的同步信号(与上一周期相同);若0< ξ〈0.01Hz，在t4时刻后，TlPWM发出fr’’=fr的同步信号。②情况2:请参见附图4，T1PWM、同步和旁路信号示意图(A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前已捕捉到tl’时刻下降沿)。CAP2 口捕捉到同步信号在tO时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻下降沿，同时CAPl 口开始捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’时刻的下降沿。若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口已经捕捉到在tl’下降沿，则可认为f；超前旁路信号频率fp，此时可计算出fp的频率，及tO与tO’时刻之间的相位差ξ。当fp-f；>0.0lHz时，则在t2时刻后，TlPWM即发出f/ =fr+0.0lHz,占空比一定的同步信号；当0<fp-fr ( 0.0lHz时，调节方法同情况I ；当f；-fp>0.0lHz时，则在t2时刻后，TlPWM即发出f/ =fr-0.0lHz,占空比一定的同步信号；当0<fr-fp ( 0.0lHz时，调节方法同情况I。(3) A机、B机均开机，有旁路电压A机、B机均开机并初始化后，B机的CAP2 口捕捉到下降沿信号，可确认同步线上有其它机发出的同步信号，可参照附图2。图中A机的CAP2 口捕捉到的同步信号同样会在B机中被B机的CAP2 口同时捕捉至IJ，当B机的CAP2 口捕捉到tO时刻下降沿时，B机的TlPWM发出高电平，同时B机的CAP2口开始捕捉tl时刻上升沿，当捕捉到后，B机TlPWM发出低电平，当B机再次捕捉到下降沿时，同时反转电平，几个周期后A机的TIPWM 口与B机的TIPWM各自发出的信号已同步。此时，B机可以根据“A单机正常后有旁路电压”中的方法开始处理B机的CAPl 口和CAP2 口的捕捉信号。此时，A机或B机中只要有一台有旁路信号，各自的CAPl 口将会捕捉到相同的旁路信号，结合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信号，依据“A单机正常后有旁路电压”的方法，可作相同的处理。(4) A机、B机均开机，且无旁路电压设在tO时刻前有旁路电压，频率为50Hz。在tO t2间断开旁路电压，A机、B机在tO t2内，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路电压下降沿，此时A机B机可同时认为并机系统中已无旁路电压，在t2时刻后，各自的TlPWM发出50Hz的同步信号，在t4时刻后再次发出50Hz的同步信号。几个周期后，发出的同步信号变为本机同步信号50Hz。通过这种在不同运行状态下同步实现的方法，可以实现各台UPS输出电压的频率和相位高精度同步，能将环流值控制在输出总电流的3%以内，可实现10台单机功率为10KVA 500KVA 的 UP·S 并机。
权利要求
1.三相UPS并机系统的同步实现方法，其特征是:在并机系统中的各UPS均设有基于TMS320F2812的并机控制电路，通过DSP的CAPl 口检测旁路电压信号上升沿，DSP的CAP2口检测并机同步信号上升沿；对于多机并联系统中任意A、B两机，在不同运行状态下，通过DSP对同步信号进行分析和综合，由DSP的TlPWM引脚发出PWM信号，调节每台UPS输出电压的频率与相位，从而实现各UPS的同步；所述不同运行状态包括:①A开机、B未开，且无旁路电压 ’②A开机、B未开，有旁路电压A、B机均开机，有旁路电压A、B机均开机，无旁路电压。
2.根据权利要求1所述的三相UPS并机系统的同步实现方法，其特征在于所述的同步信号的分析和综合具体包括: ①A机开机、B机未开，且无旁路电压 开机初始化后，若同步线上无同步信号，DSP的TlPWM引脚将发本机方波信号f；，当DSP的CAP2 口捕捉到tO时刻上升沿时，DSP的CAPl 口开始捕捉旁路电压上升沿信号，同时CAP2口开始捕捉tl时刻下降沿，当捕捉到后，又开始捕捉t2时刻上升沿，CAPl 口如未捕捉到旁路电压上升沿信号，则断定无旁路电压，停止CAPl 口的捕捉，同时TlPWM继续发出同tO t2时刻一致的同步信号； ②A单机开机后、B机未开且有旁路电压，该状态包括两种: 设同步信号频率为ft，旁路电压信号频率为fp， 状态之一，A开机、B未开，有旁路，在t2时刻捕捉到tl’时刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信号在tO时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻下降沿；同时CAPl 口捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’时刻下降沿；若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口仍未捕捉到在tl’时刻下降沿，则可认为f；落后于fp，然后TlPWM在t2时刻后继续发出同上一周期相同频率的ft，同时CAPl 口继续捕捉旁路信号在tl’时刻的下降沿，在t2 t3间捕捉到旁路在tl’下降沿，此时计算出fp的频率，及tO’与t2之间的相位 差ξ ； 状态之二，A开机、B未开，有旁路，在t2时刻前已捕捉到tl’时刻下降沿，CAP2 口捕捉到同步信号在tO时刻上升沿后，开始捕捉在tl时刻的下降沿，同时CAPl 口开始捕捉旁路信号在tO’时刻的上升沿，捕捉到上升沿后，开始捕捉旁路信号在tl’的下降沿；若在TlPWM开始发送PWM信号到t2这段时间CAPl 口已经捕捉到在tl’时刻下降沿，则可认为f；超前旁路信号频率fp，此时计算出fp的频率，及to与tO’之间的相位差ξ ； ③A机、B机均开机，有旁路电压 A机、B机均开机并初始化后，B机的CAP2 口捕捉到下降沿信号，可确认同步线上有其它机发出的同步信号； 当B机的CAP2 口捕捉到tO时刻下降沿时，B机的TlPWM发出高电平，同时B机的CAP2口开始捕捉tl时刻上升沿，当捕捉到后，B机TlPWM发出低电平，当B机再次捕捉到下降沿时，同时反转电平，若干周期后A机的TlPWM 口与B机的TlPWM各自发出的信号已同步；此时，B机可以根据“A单机正常后有旁路电压”中的运行方法开始处理B机的CAPl 口和CAP2口的捕捉信号；此时，A机或B机中只要有一台有旁路信号，各自的CAPl 口将会捕捉到相同的旁路信号，结合各自的CAP2 口捕捉到的相同的同步信号，依据“A单机正常后有旁路电压”的运行方法，作相同的处理；④A机、B机均开机，且无旁路电压 设在tO时刻前有旁路电压，频率为50Hz ;在tO t2间断开旁路电压，A机、B机在tO t2内，各自的CAPl 口都捕捉不到旁路电压下降沿，此时A机B机可同时认为并机系统中已无旁路电压，在t2时刻后，各自的TlPWM发出50Hz的同步信号，在t4时刻后再次发出50Hz的同步信号，若干个周期后，发出的同步信号变为本机同步信号50Hz。
3.实现权利要求1所述方法的三相UPS并机系统的同步控制装置，其特征在于包括基于TMS320F2812的并机控制电路，所述并机控制电路包括前置处理电路、主控电路和并机通信接口电路； 前置处理电路实现对直流母线电流、电压，及三相电压和旁路电压信号进行电流/电压转换、降压和整流处理，得到O 5V的直流电压信号，输入到主控电路中的DSP内部A/D转换器；主控电路主要功能是:对前置处理电路得到的电压和电流信号的采样和检测，实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节，并实现旁路/逆变的逻辑控制；并机通信接口电路用于同步信号、旁路/逆变的控制信号、逆变器状态信号、旁路A相电压追踪信号的发送/接收。
4.根据权利要求3所述的三相UPS并机系统的同步控制装置，其特征在于主控电路由32位DSP TMS320F2812及外围电路组成，DSP通过内部A/D转换器实现对前置处理电路得到的电压和电流信号的检测，然后通过DSP的PWM 口来实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节；DSP通过GPIO 口与并机通信接口电路连接，实现旁路/逆变的逻辑检测和开关量 的控制。
全文摘要
本发明公开了三相UPS并机系统的同步实现方法及同步控制装置。同步控制装置包括前置处理电路、主控电路和并机通信接口电路；同步实现方法中，主控电路对前置处理电路得到的电压和电流信号的采样和检测，实现对UPS逆变器输出电压相位、频率和幅值的调节，并实现旁路/逆变的逻辑控制；并机通信接口电路用于同步信号、旁路/逆变的控制信号、逆变器状态信号、旁路A相电压追踪信号的发送/接收。本发明根据UPS的各种不同运行状态，通过DSP对同步信号进行分析和综合，发出PWM控制信号，控制并机系统中各UPS输出电压频率与相位，从而实现各台UPS输出电压频率和相位高精度同步。
文档编号G05B19/042GK103217918SQ20131015787
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者廖慧, 张波 申请人:华南理工大学