1 引言
在对交流供电质量有特殊要求的用电设备系统中,可采用电网供电(或主供电)与逆变电供电(或备用电)的双供电方式供电,在主供电系统发生故障时,及时准确可靠地把逆变电(备用电)投上,保证用电设备安全可靠运行。如计算机或计算机网络的供电系统、通信或信号设备的供电系统、电力监控设备的供电系统等用电设备或系统, 要求双供电电源之间能“无缝”切换(即“0”切换)。现有的交流旁路或静态开关,仅具有一般的切换功能,切换时间在数ms甚至10ms以上;不具备逆变电频率、相位的自动跟踪调节功能,不能实现双供电电源系统间的“无缝”切换。同时, 现有的切换装置或静态开关不具有对双供电电源信息处理和与计算机通讯及管理功能,不能对多个逆变模块进行远程监控和信息处理,也不具独立单元结构,通用和兼容性差。
2 系统原理
本系统采用了DSP和CAN(控制局域网)总线技术,由一片DSP(数字信号处理器)和一片89C52单片机及CAN总线控制芯片和外围电路构成双CPU系统。其中DSP作为切换装置静态开关的主控芯片, 完成市电与逆变电间的同步及切换控制。通过CAN总线与各功率逆变模块进行双向通讯，DSP内部的比较单元通过CAN总线向各功率逆变模块输出频率和相位与市电相同的矩形波，DSP内部的捕捉单元接收来自市电和逆变电过零检测信号，DSP内置的A/D(模／数)转换市电和逆变电模拟信号，DSP还输出一个市电或逆变电接通或断开信号与驱动市电或逆变电切换的开关箱驱动电路相连接;
上述DSP外围通过总线隔离电路与以89C52为主控芯片的单片机构成的下位机监控部分相连接，下位机监控部分设置有CAN控制器和CAN接口芯片，其与DSP之间通过CAN总线进行双向通讯;与上位机则通过RS-232口或MODEM及电话线实现本地或远程计算机通信。本系统下位机可对底层功率逆变模块进行监控。本系统核心部分是静态开关的同步及切换控制。
上述基于DSP和CAN总线的结构,为双供电系统实现高精度、高性能同步和切换控制奠定硬件了基础。
2.1 硬件原理
(1) 双供电系统结构如图1所示。
图1 双供电系统结构框图
(2)切换系统硬件框图如图2所示。
图2 切换系统硬件框图
(3) 硬件特点
针对双供电源系统间的“无缝”双向自动切换要求,本系统选用了性价比高、功能强大的美国TI公司生产的TMS320LF2407A为静态开关的主控芯片,以支持双供电电源逆变电与电网电实现高精度频率、相位同步控制和参数检测计算及切换等控制软件。
(4) 软件特点
完成逆变电与市电相位和频率的同步跟踪、检测以及根据检测的结果通过系统内嵌的智能切换决策控制器驱动开关箱决定负载由哪路电源供电等智能控制。采用了以下控制策略:
·内嵌了一个小型智能切换决策系统,完成系统复杂逻辑控制及快速数据处理, 对各功能程序模块运行进行协调、管理,实现双供电电源的高精度同步和双向“无缝”切换;
·采用了基于控制优先级抢夺调度机制,各功能模块被编成不同优先级函数,在内嵌的小型智能切换决策平台上运行和管理;
· 采用了“步进式修正同步跟踪”和对供电“电源波形预处理”的控制策略,实现切换控制的高精度、高平稳和高准确性;
测试结果证明，把上述控制策略用于复杂底层控制系统, 取得了理想的控制效果,实测市电与逆变电之间切换时间≤2.4mS,达到国外同类产品先进水平。
2.2 控制功能实现
考虑到静态开关对逆变模块的兼容性，设置了同步脉冲捕获电路。由静态开关发出的同步脉冲经反向驱动送至光隔，光隔的输出再送入逆变控制主芯片的捕获口。其 CAN总线收发信号经光电隔离器隔离后送至CAN总线收发器82C250，82C250是驱动CAN控制器和物理总线的接口，提供对总线的差动发送和接收。该电路具有极高的可靠性,最高通信速率可达1Mbps。
在本系统中，静态开关的主控芯片DSP可对电网电和逆变电的大小、相位和频率按预置参数进行监测; 市电供电时,逆变电处于热等待,且其输出与静态开关发出的同步信号,保持严格的相位同步关系;静态开关通过控制同步信号来控制逆变模块的输出相位。为了保证系统的高精确和高平稳性,采用了“步进式修正同步跟踪”控制策略,即静态开关根据当前逆变电与市电(主供电)之间的相位差大小，朝着减小相位差的方向以合适的步长(相位差不同,修正步长也不同)逐步修正处于热等待状态的逆变电同步信号的频率和相位，逆变电则不断跟踪DSP片内的比较单元产生的同步信号，最终使得二者高精度同步,达到切换时间≤2.4ms的高控制切换精度。
双供电系统的参数测量及计算由静态开关的主控芯片DSP完成。利用DSP的高速采集能力，对由A/D转换器采样和量化后的电压,电流等数据直接进行高采样密度的积分运算，再经过校正计算后，得出系统需要的各种参数。
另外,为了能够及时并准确的判断供电电源质量是否合格，静态开关的DSP对电源进行合理的滤波，以及对电压及频率进行高精度的检测，实现及时切换到合适的一路电源对负载供电。
2.3 系统切换控制软件流程图
系统切换控制软件流程如图3所示。
3 试验结果
下面采用带软驱的5-2-395型示波器随机测试到的双供电系统间多种情况下的同步和切换波形，如图4～图9。
图3 软件流程框图
图4 市电供电,市电低于最低设置时切换到逆变电时的波形
图5 逆变电供电,市电从低于最低设置恢复到正常范围时的切换波形
图6 市电供电，市电高于最高设置时从市电切换到逆变电的波形
图7 逆变电供电,市电从高于最高设置恢复到正常范围时的切换波形
图8 市电供电，市电突然掉电,系统切换到逆变电时的波形;
切换时间=1.9ms
图9 逆变电供电逆变突然电掉电,系统切换到市电时的切换波形,
切换时间=1.7ms
4 结束语
本系统已成功用于5kVA～50kVA逆变电为备用电的双供电电源系统。硬件为积木式结，十分灵活,可以根据用户的不同要求搭成不同的配置;可广泛用于不同的功率范围、不同的应用场合、以及不同的主供电模式。