面向通信行业应用的逆变电源实验教学平台研制

董德智,何 扬,王 伟,孙子尧,储家乐,朱云国

(铜陵学院 电气工程学院,安徽 铜陵 244000)

2020年3月,国家提出用信息基础设施为代表的新型基础设施建设(新基建)来引领和推动以智能化为标志的第四次工业革命,其中,以5G、物联网、工业互联网为代表的通信设备是信息基础设施的主要部分[1]。随着通信设备的日益增多,为保证其安全可靠运行,对逆变电源系统的性能提出了更高的要求[2]。

针对逆变电源理论教学不能满足工程实际要求的问题,诸多高校设计了逆变电源实时仿真[3-5]和综合实验[6-7]。此类实验可加深学生对所学知识的理解,但对逆变电源的工程应用却很少涉及。文献[8]分析了不间断电源系统(UPS)逆变器计算机控制,给出了逆变电路的软硬件设计和实验,但对逆变器实际应用所需的关键指标并未深入分析,如通信类非线性负载的电能质量等问题。

为了解决专业课程教学和工程实际相脱节的问题,促进专业实践教学的顺利开展,文中以实际工程应用为背景,设计了适用于通信设施负载的逆变电源教学平台,为学生从课程实验到工作中工程实践的顺利转换奠定了基础。

1 通信设备逆变电源关键技术指标

国家标准GB/T 14715-2017和通信行业标准YD/T 1095-2018明确规定了通信设备逆变电源的性能指标。根据行业标准,将逆变器性能指标分为动静态两个方面,如表1所示。

表1 通信设备逆变电源性能指标

输出电压精度定义为

(1)

式中:Ua为设计输出电压的有效值;Uo为逆变器的输出电压有效值。

由于通信设备以小型计算机、服务器及其外围设备为主,行业标准规定非线性负载下逆变器输出电压THD在3%以内。

电流峰值系数k是衡量逆变器对非线性负载驱动能力的一个重要参数,定义为逆变输出电流峰值Im与有效值Ir的百分比[9]

(2)

由于负载电流变化时,输出电压THD会发生改变,一般要求逆变器输出电流峰值系数k≥3。另外,为了保证逆变模式和旁路模式无缝切换,需要确保输出电压和电网电压同相位,对应到逆变输出电压应该有更高精度的频率跟踪能力,一般要求频率跟踪误差在±0.5 Hz以内。

负载调整率是逆变器动态性能的重要指标,在空载和满载之间切换时,输出电压恢复时间在20 ms以内。此外,在设计适用于通信设备的实际逆变电源系统时,还需考虑短路和过温等保护问题。

2 逆变电源教学平台硬件设计

2.1 逆变电源教学平台结构

逆变器硬件平台结构如图1所示,包括主电路和控制电路两部分。主电路由三相四线制半桥逆变器、输出LC滤波器、输出接触器TL、输出开关SWS和旁路晶闸管SCR组成,逆变器的直流电压由三相全控整流器提供。当市电正常时,系统通过整流器、逆变器向负载供电;如果逆变器出现长期过载或故障时,通过双向晶闸管形成旁路,由电网直接向负载供电[10]。控制电路主要由采样调理电路、DSP电路、IGBT驱动电路、上位机和辅助电源等组成。采样调理电路包括交流输出电压和电网电压采样、逆变输出电流采样、负载电流采样和散热器温度采样。

图1 逆变器硬件平台结构

2.2 主电路设计

逆变电源主电路实物如图2所示,系统额定功率为10 kW,母线电压为720 V,输出工频交流电压有效值220 V,逆变电路的开关器件选用英飞凌型号为FF100R12KS4的IGBT半桥模块,额定电流100 A,耐压1 200 V。LC滤波器的滤波电感L=1.2 mH,滤波电容C=230 μF,直流母线电容Cdc=4 700 μF。

图2 逆变电源主电路实物

2.3 控制电路设计

2.3.1 交流电压、电流采样电路设计

逆变器a相输出电压采样调理电路如图3(a)所示,与文献[8]的方法不同,为了避免共模电压对调理电路造成影响,经采样电阻R1～R4和差分电路调理输出电压信号,再通过偏置运算电路,将交流信号送至DSP的AD入口,差分电路和偏置电路用贴片式运算放大器OP07实现,逆变输出电压ua和A/D入口电压ua_sam之间的关系为

图3 电压、电流采样电路

(3)

b,c相电压采样与a相相同,为了确保调理电路的精度,选择精度为±0.5%的电阻元件。

电流采样包括电感电流采样和负载电流采样两种,以a相电感电流采样为例,采样调理电路如图3(b)所示,经精度为±0.45%的霍尔元件LA100-P/SP50和采样电阻,将交流电流信号转化为电压信号,再由调理电路将其调节至0～3 V的电压信号,送至DSP的A/D入口,取霍尔元件的电流变比kc=500∶1,电感电流ia和A/D入口电压的关系为

(4)

b,c相电感电流和a,b,c相负载电流采样电路与a相电感电流采样电路相同,调理电路的电阻精度选为±0.5%。

2.3.2 保护电路设计

在不同的自然环境和负载下,逆变电源的IGBT器件温度会发生变化,过高的温度将影响器件的性能和寿命,因此,需要实时采集IGBT器件的温度,并采取相应的保护措施。温度保护电路如图4所示,对逆变电路每一相桥臂连接KSD9700常闭型温控开关,并设定上限温度Tm=90 ℃,如果温度高于Tm,由LM339构成的比较电路会输出高电平,二极管D5将三路输出信号进行“或”运算,最终形成高电平过温信号OVER_TEMP,并送至DSP进行过温保护。

当负载过流或短路时,应及时完成保护功能。短路保护电路如图5所示,该电路主要由绝对值电路、比较电路和锁存电路三部分组成。首先,负载电流调理电路的输出信号经绝对值电路送至比较电路,与基准5 V信号比较,得到低电平的短路保护FAULT_SHORT信号,并被锁存器存储,同时驱动短路信号指示灯,只要负载发生短路,该信号将一直被锁存,并送至调理板的脉冲分配电路,以封锁IGBT器件,直至故障解除,系统复位为止。

PWM脉冲分配电路如图6所示,DSP生成每相上桥臂IGBT的脉冲信号PWM1、PWM2和PWM3,下桥臂的脉冲信号由3个反相器CD4049生成,同时每相桥臂的IGBT脉冲信号再通过CD4011芯片与短路信号FAULT_SHORT完成与非运算,进而实现逆变器短路的硬件保护功能,与非门的输出再与PWM脉冲使能信号PWM_EN做或非运算,PWM_EN信号由DSP产生,可以完成过温保护、开机等操作。

2.3.3 DSP控制电路

DSP是逆变电源控制电路的核心,DSP芯片选用TI公司TMS320F28377SZWT,其CPU主频200 MHz,经调理后的逆变输出信号送入DSP的AD转换通道。除此之外,DSP电路还包括IO口的锁存缓冲电路、电平转换电路、485通讯的接口电路等。

2.3.4 驱动电路

在驱动电路中,采用M57962L芯片将DSP输出的PWM信号光隔离后驱动逆变器的IGBT器件,驱动部分还包括死区产生电路、过流检测电路和驱动信号限幅电路。其中,死区产生电路主要用于设置死区,避免桥臂上、下开关管直通;过流检测电路用于检测IGBT的电流,进而产生器件的过流保护信号。

3 逆变电源控制系统和软件设计

3.1 逆变电源控制设计

逆变器常采用电压、电流双闭环的控制方法,其中,电流环由比例控制器构成,电压环由PI控制器构成[11]。但PI控制器仅能实现控制环路直流增益无穷大,而逆变输出为交流信号,无法实现控制系统无静差跟踪。此外,非线性负载下逆变器输出电流波形畸变严重,将畸变电流视为电压控制环路的干扰,PI控制器对不同频率干扰信号抑制能力有限,输出电压的电能质量很难提升,无法满足行业标准的要求。

由于谐振控制器能实现谐振频率下开环增益无穷大[12-13],为此,引入谐振控制算法,实现输出电压无差跟踪。利用谐波频率下的谐振控制器实现电压控制环路对谐波电流干扰信号的抑制。因为三相四线制逆变器每相独立,可各相单独控制,图7为某一相逆变器采用PI+多谐振控制器构建输出电压控制的电压电流双环控制系统结构。

图7 某相逆变器控制系统结构

PI控制器实现电压控制环路的带宽调整和输出电压直流偏置的控制,多谐振控制确保电压环路基波频率电压无差跟踪和谐波频率电流干扰的抑制。电压控制环路控制器的传递函数表示为

(5)

式中:kp,ki为PI控制器的比例增益和积分增益;krn为第n次谐波频率的谐振控制器增益;n为正整数;ωc为谐振控制器的截止频率。

引入谐振控制后电压控制环路的开环传递函数为

(6)

式中:R为负载等效电阻;r为滤波电感和器件的等效电阻,0.5 Ω;kcp为电流环路比例增益。取电流内环比例控制器增益kcp=0.6、电压控制环路带宽为500 Hz,PI控制器转折频率40 Hz,得到kp=1.2,ki=290。

非线性负载下,谐波分量以2～7次为主,选择基波频率和2～7次谐波频率的谐振控制器,以7次谐振控制器设计为例,根据控制系统的稳定性和7次基波频率下的增益,选择k的取值范围。式(7)为PI控制器+7次基波频率的谐振控制电压开环传递函数

(7)

考虑到实际电网频率可能会小范围改变,选择谐振控制器截止频率ωc=4 rad·s-1[14-15]。再根据谐振频率下电压环路的相位裕度PM>0,确定各谐振控制器的增益,图8为由式(7)得到逆变器满载下,PI+7次谐振控制的电压控制开环传递函数奈奎斯特图,随着kr7的增大,控制环路的相位裕度逐渐下降,当kr7=30时,系统相位裕度为25°。

图8 不同kr7时PI+7次谐振控制器电压控制环路奈奎斯特图

同理,可分别计算其他频率的谐振控制器增益为kr1=110、kr2=1 020、kr3=98、kr4=95、kr5=90、kr6=75,图9为额定负载下,基于上述参数的多谐振控制器下电压控制环路开环波特图,可以看出各谐振频率下的相位裕度在20°以上,且谐振频率处增益较高,能实现对交流信号无差跟踪和负载电流谐波干扰的抑制。此外,各谐振控制器能够灵活设计,学生可随意选择,在实验中验证控制器的作用和谐波抑制效果。

图9 PI+多谐振控制电压开环传递函数波特图

3.2 逆变电源系统软件设计

逆变电源系统主程序包括DSP初始化、启动控制单元、运行控制单元、停机单元等。其中,初始化程序主要完成系统时钟、AD采样时钟、GPIO口、中断向量等设置,以及其他外设单元定义。为减小功耗,没有用到的外设时钟应禁止,没有用到的GPIO口设置为输入,软件流程和文献[8]所介绍的类似。

逆变电源的启动时序:首先打开旁路晶闸管,此时电网通过旁路晶闸管向负载供电,系统工作在旁路状态;其次使能IGBT驱动,1 s延时后进入软启动程序,控制环路开始工作,电压控制环路指令由0开始逐渐增加至电网电压,电流指令限幅值从0开始逐渐增加至稳态值;软启动完成后,置标志位,并使系统切换为逆变器供电模式。

中断程序是逆变电源系统软件的核心,主要完成检测信号的AD转换、控制算法和PWM信号产生等,中断周期为100 us,采样频率和开关频率设置为10 kHz,采用SPWM调制方式,每个开关周期加载一次比较值。

4 实验验证

根据前述所设计的控制算法和软件流程编制软件,并将程序代码下载至DSP,再结合表1所示逆变电源的性能指标,开展启动和动静态实验,由于三相四线制逆变器每相独立,文中仅分析其中某一相电路实验结果。

4.1 启动实验

逆变器启动前,负载由电网经旁路晶闸管供电,当逆变系统自检成功后,进入启动阶段,输出电压指令幅值逐渐上升至电网电压。待逆变器启动结束后,要将电网供电模式切换到逆变供电模式,为了实现模式切换过程中负载供电不中断,会存在旁路和逆变同时供电阶段,因此,系统运行时,需要对电网电压锁相,使逆变电压指令相位为电网电压相位,确保逆变输出电压完全跟踪电网电压,避免电网供电到逆变供电切换时出现电流过冲。图10(a)为逆变器空载启动时输出电压和电感电流波形,8.5 s后启动完成。图10(b)为逆变电源启动结束后,输出电压和电网电压波形,可以看出,逆变电压和电网电压相位相同,幅值基本一致,此后关闭SCR驱动,系统进入逆变供电模式。

图10 启动实验

4.2 静态实验

静态实验分为纯阻性负载和非线性负载两种工况。对于纯阻性负载,图11(a)和(b)为空载和10 kW 满载时某一相输出电压uo和电流io波形,实测输出电压THD为0.9%,电压有效值为219.5 V,满足指标要求。对于非线性负载,学生可以自行设计不同频率的谐振控制器,以补偿不同频率的电压谐波。图11(c)和(d)是非线性半载和满载时,叠加到7次谐波频率下谐振控制器的实验波形,半载和满载的输出电压THD分别为2.5%和3.1%,输出电压有效值为220.4 V和219.7 V,负载电流峰值系数分别为3.4和3.1,各项性能指标均满足相关标准的要求。

图11 静态实验

4.3 动态实验

图12为逆变器空载和满载之间的切换波形,可以发现,负载切换时,逆变输出电压超调量小于5%,动态调节时间在15 ms以内,控制系统具有较好的动静态性能。此外,学生也可以根据动态实验结果,进一步优化电流控制环路和电压控制环路控制器的参数。

图12 动态实验

5 结束语

文中面向工程实际,设计了通信设备逆变电源系统实践教学平台。首先根据国家和行业标准规范,详细剖析了通信设备供电电源的性能指标,完成了逆变电源的硬件电路设计;再针对若干关键性能指标,提出了对应的控制算法,分析了控制系统的软件设计;最后针对性能指标,详细介绍了平台的实验步骤、方法和实验结果。所设计的实践教学平台不仅能加深电气工程及相关专业学生对逆变电路基本理论的理解,还能让他们深刻认识电力电子技术课程的工程应用,增强工程意识,并开阔眼界,为将来从事相关工作奠定基础。