基于CPLD逆變器并聯(lián)載波同步的分析與設(shè)計

白雪飛，胡國文

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城224000)

基于CPLD逆變器并聯(lián)載波同步的分析與設(shè)計

白雪飛，胡國文

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城224000)

采用數(shù)字控制的多臺逆變器并聯(lián)時，由于各自載波不同步會形成高頻環(huán)流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和增加損耗。給出了一種基于CPLD實現(xiàn)載波同步的方法，結(jié)合DPLL技術(shù)能夠使從機在一個開關(guān)周期里跟蹤主機同步信號，克服了傳統(tǒng)載波同步方法效率低、抗干擾性差等缺點。在兩臺50 kW逆變器并聯(lián)實驗平臺上進行實驗驗證，結(jié)果表明該載波同步方法動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。

逆變器并聯(lián)；載波同步；DPLL；CPLD；穩(wěn)定性

多模塊并聯(lián)實現(xiàn)大容量電源系統(tǒng)是當(dāng)今電源技術(shù)的發(fā)展方向。多模塊并聯(lián)各模塊功率開關(guān)管的電流應(yīng)力降低，從根本上保證了可靠性[1]。對于逆變器并聯(lián)，各模塊輸出電壓幅值相等、頻率一致、相位同步，并且盡可能減小模塊內(nèi)部的環(huán)流。

對于采用數(shù)字控制的多臺逆變器，載波由內(nèi)部PWM模塊產(chǎn)生，由于上電時間等隨機問題，會造成各逆變器載波不同步。逆變器并聯(lián)時，載波不同步會引起高頻環(huán)流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和增加系統(tǒng)損耗[2]。目前，傳統(tǒng)載波同步是通過DSP或通訊來實現(xiàn)[3]，采用DSP實現(xiàn)是用主機同步信號直接觸發(fā)從機PWM，由于同步信號一般為高頻信號，所以該方法抗干擾性差；通訊方式會引入通訊延時，降低了控制的精度。本文基于CPLD給出一種新型載波同步方法，其內(nèi)部嵌入了DPLL[4]，提高了系統(tǒng)抗干擾性，且能夠在一個開關(guān)周期使從機跟蹤主機同步信號。此外，本文根據(jù)開關(guān)頻率動態(tài)修改載波同步參數(shù)，增加載波同步的范圍。

圖1 逆變器并聯(lián)載波同步原理圖

1 載波同步原理分析

以3臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)為例，圖1給出了載波同步原理圖。

載波同步讓從機跟蹤主機發(fā)出的同步信號，使從機和主機的載波相位一致，從而消除載波不同步帶來的高頻環(huán)流，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少系統(tǒng)損耗。圖1中，#1號逆變器為主機，#2、#3號為從機。主機PWM計數(shù)器根據(jù)預(yù)先設(shè)置點每隔一個開關(guān)周期產(chǎn)生一個脈寬很窄的同步信號)，其經(jīng)過載波同步處理模塊后，產(chǎn)生一個與)同頻同相的信號)，該信號被送至從機，并觸發(fā)其DSP的PWM模塊，獲得與主機相位一致的三角載波。傳統(tǒng)的載波同步技術(shù)是將直接送至從機，由于)具有高頻和脈寬窄等特性，所以帶來抗干擾性差、不易捕捉等問題。針對上述問題，本文給出的載波同步方法主要完成如下功能：內(nèi)嵌DPLL環(huán)節(jié)，將)經(jīng)過數(shù)字鎖相環(huán)處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力；放大)的脈寬，便于同步信號的捕捉；增加鎖相故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；動態(tài)修改同步參數(shù)，增加載波同步跟蹤頻率的范圍。圖2所示為本文給出的載波同步方法結(jié)構(gòu)框圖。圖2中，為從機反饋的同步信號，其與脈寬放大后的信號構(gòu)成故障判斷模塊的輸入，在主從機無同步脈沖或主從機長時間不同步時，輸出故障信號。

圖2 本文載波同步方法結(jié)構(gòu)框圖

2 基于CPLD載波同性能分析

本文給出的載波同步方法關(guān)鍵部分為DPLL環(huán)節(jié)，圖3給出其結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 DPLL環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)框圖

可以看出，DPLL由鑒相器、K模計數(shù)器、脈沖加減控制器和分頻器組成。1、2對應(yīng)和上升沿時刻，經(jīng)鑒相器可獲得其相位關(guān)系，并輸出超前或滯后脈沖；K模計數(shù)器對其進行濾波處理，輸出超前和滯后修正時間upf和downf，作為脈沖加減控制器的輸入，對時鐘脈沖進行扣除或添加處理，輸出頻率為的信號，經(jīng)過分頻后為。為系統(tǒng)時鐘周期，分別為K模計數(shù)器和脈沖加減控制器提供時鐘。令和相位差為△，則：

3 基于CPLD載波同步的設(shè)計

本文給出的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)采用DSP+CPLD控制，CPLD主要完成載波同步處理，圖4給出了從機系統(tǒng)總體框圖。

圖4 從機系統(tǒng)總體框圖

DSP選用F28335，CPLD采用Alter公司的EPM1270-T144C5。圖4采用總線傳輸方式獲取當(dāng)前開關(guān)頻率，并實時修正分頻系數(shù)；載波同步模塊輸入為主機發(fā)送的同步信號和DSP EPWM模塊反饋信號，輸出信號直接送至EPWM同步輸入端。根據(jù)前文的分析，鑒相器采用邊沿方式實現(xiàn)，令MasterP和SlaveP分別標(biāo)記主從機同步信號下降沿時刻，其值與相應(yīng)操作如表1所示。

表1 MasterP和SlaveP值與相應(yīng)操作的關(guān)系

K模計數(shù)器為雙向可逆計數(shù)器，在相位超前或滯后時分別向上或向下計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值超過設(shè)定的top和bottom時，認(rèn)為當(dāng)前脈沖有效，模值K取值會影響跟蹤速度和濾波效果，實際取16，對應(yīng)時間為530 ns。為了簡化設(shè)計，本文將脈沖加減計數(shù)器和分頻器合并，其實現(xiàn)原理如表2所示。

表2 脈沖加減計數(shù)器實現(xiàn)原理

4 實驗結(jié)果及分析

實驗平臺選擇2臺50 kW的三相逆變器，開關(guān)管為IGBT，濾波電感為0.3 mH，濾波電容為150μF，開關(guān)頻率為8 kHz。圖5所示為有/無載波同步時的環(huán)流波形。為環(huán)流，對比圖5(a)和(b)可以看出，當(dāng)采用載波同步時，環(huán)流中高頻分量被有效地抑制。

圖5有/無載波同步時環(huán)流波形

圖6 給出了基于CPLD實現(xiàn)的載波同步波形。圖中，()為主機發(fā)送的同步信號，()為載波同步模塊輸出的同步信號，通過測量，()和()上升沿間隔為298 ns，對于8 kHz開關(guān)頻率，誤差為0.24%。可見本文給出的載波同步方法能夠使從機精確跟蹤主機同步信號。感退出飽和，將電流鉗在零位，使滯后橋臂實現(xiàn)零電流開關(guān)。仿真驗證了所選ZVZCS電路能很好地體現(xiàn)其軟開關(guān)特性，減少了電路中器件的開關(guān)損耗。

圖6 載波同步實驗波形

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5 結(jié)論

逆變器并聯(lián)時，載波同步可以消除高頻環(huán)流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常規(guī)載波同步方法具有效率低、抗干擾性差等缺點。本文基于CPLD給出一種新型載波同步方法，其內(nèi)嵌了DPLL算法，通過分析和實驗驗證得出如下結(jié)論：

(1)增加了K模計數(shù)器，就有濾波的效果，提高系統(tǒng)抗干擾能力；

(2)能夠在一個開關(guān)周期使從機跟蹤主機的同步信號，動態(tài)響應(yīng)快；

(3)具有動態(tài)修正同步參數(shù)的功能，增加了同步跟蹤頻率的范圍；

(4)采用該方法可以明顯減少逆變器并聯(lián)時的高頻環(huán)流。

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Analysis and design of carrier synchronizer in parallel inverter based on CPLD

BAI Xue-fei,HU Guo-wen

High frequency circulation was generated in digitally controlled multiple inverter without carrier synchronization,resulting in serious impact on system stability and losses.A new type method of carrier synchronization was proposed based on CPLD,which overcame traditional method with shortcomings of low efficiency and poor anti-interference.This method which allowed slave tracking host synchronization signal in a switching cycle was combined with DPLL.Finally,two 50kW inverter parallel experiment platforms were build for verification.The result shows that this method has the advantage of fast dynamic response and good stability.

inverter parallel;carrier synchronization;DPLL;CPLD;system stability

TM 464

A

1002-087 X(2015)03-0581-02

2014-08-12

白雪飛(1981—)，女，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士，講師，主要研究方向為電力電子技術(shù)應(yīng)用。