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摘 要：为了满足高新技术设备对供电质量的苛刻要求，介绍了一套基于数字变频器的静态切换开关系统。包括两路数字变频器，同步锁相电路和静态切换开关模块。两路数字变频器经过同步锁相后得到同频率、同幅值、同相位的两路电源。数字变频器改进了SVPWM算法，采用精确的v/f控制和数字滤波器；同步锁相电路实现了一种充分隔离的数字锁相机制；静态切换开关系统采用DSP芯片控制。经过大量的实验表明，系统能够在8ms内完成切换工作，达到了敏感负载对不间断供电的要求。此套系统有望应用于船舶电力系统。
关键词：数字变频器 同步锁相 静态开关 系统
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：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
随着高新技术设备的迅猛发展，对供电系统的稳定性、可靠性要求也越来越苛刻[1-3]。传统变频器存在以下不足：可靠性不高，一旦故障就会使整个供电系统瘫痪，维修周期直接影响负载设备的运行；原有SVPWM算法保证快速生成控制脉冲时忽略低占空比时逆变的稳定性；不具备相位检测及相位同步功能；输出稳定性不够好，v/f控制精度不高。现有的双电源切换仅具有一般的转换功能，很少能够达到双供电电源之间的“无缝”快速切换。若能实现“无缝”快速切换，则可以保障计算机系统或其他电子电力设备在停电后继续工作以给用户一定时间进行停电对应，从而使得用户不会因停电而影响工作或丢失数据。为了对供电系统进行综合治理，越来越多的国内外专家学者开始关注并研究双电源供电系统[4]。静态切换开关系统属于一种高新技术设备[5-6]，采用电力电子相关方面的技术，可以满足高新技术设备对供电系统提出的严格要求。
1 系统总体设计框架
如图1所示，此套系統主要包括主用数字变频器和备用数字变频器，同步锁相电路和静态切换开关模块。两路变频器经过同步锁相后得到同频率、同幅值、同相位的两路电源。在主用变频器正常情况下，负载由主用变频器供电；当主用变频器出现故障时，负载自动快速切换至备用变频器。
2 数字变频器设计
2.1 数字变频器结构原理
如图2所示，为本系统的数字变频器原理框图。每个部分的功能说明如下：（1）直流滤波部分主要为直流EMI滤波器。（2）充电控制部分：主要包括预充电电阻，直流电容和直流继电器。（3）控制电源部分：为一单路输入，六路输出电源。（4）数字控制部分：主要由DSP为核心的电路板。（5）驱动部分：主要由驱动模块为核心的电路板。（6）功率模块：IGBT模块。（7）交流滤波部分：交流电抗器，电容器，交流滤波器。（8）功能控制部分：包括显示电路板，控制开关，调节电位器等。
直流电压经直流滤波部分、预充电部分，稳定后进入IGBT模块的输入端；控制电源部分为直流滤波部分和数字控制部分提供电源；数字控制部分产生控制脉冲，由驱动部分进行信号放大，控制IGBT模块实现换能，IGBT模块输出经过交流滤波后得到数字变频器的最终输出。
控制软件设计：通过中断方式实现其系统主要功能，其中包括频率ADC模块、保护模块、PI调节模块、开关控制模块、风机控制模块等。
2.2 数字变频器工作流程 如图3所示，为数字变频器工作流程。数字变频器上电后，进入初始化并检测运行状态，启动数字变频器后，开启SVPWM算法，在更新比较寄存器的值时判断該值的大小，当该值小于某一特定值时，把该特定值赋给比较寄存器，该特定值限制IGBT控制脉冲的最小占空比在3%～5%之间，本实验证明限制控制脉冲的最小占空比能有效提高输出稳定性。本实施例中特定值为100，Ta、Tb、Tc有以下规则：
（1）
式中Ta，Tb，Tc为比较寄存器的值。
电位器给定线性分压，经ADC数据处理得到给定电压值，对三相输出电压进行采样经ADC数据处理得到反馈电压值，经系统的快速数字滤波器处理，本实施例中数字滤波器编程算法如下：
（2）
式中UN（OUT）为本次滤波输出，UN-1为上一次滤波输出，UN为本次采样值，3为滤波基数。数字滤波器的输出再经PI调节器计算得到调制比用以调节控制脉冲，达到线性v/f精确调节和反馈稳定输出的目的。
3 同步锁相模块
3.1 同步分析
两台数字变频器并联运行的电路模型如图4所示.
两路电源功率偏差为：
式（3）和式（4）中，U0为负载电压，U1和U2分别为两路电源输出电压。可知，两路电源的有功功率差主要取决于输出电压相位差，无功功率主要取决于输出电压幅值差。所以，保证两路电源的无功功率和有功功率一致，就能确保输出电压幅值和相位一致。
3.2 充分隔离的数字锁相机制
如图5所示，当两个相位检测端的相位信号都为低电平时，Q2、Q3不导通，上拉电阻R5、R9导致U1的6引脚和10引脚为低电平，由于D2、D3的阻断隔离及下拉电阻R15，相位同步线的电位为低电平，U1的8引脚和12引脚为高电平，因此同步输出端1和同步输出端2为高电平；当相位检测端1的相位信号为高电平相位检测端2的相位信号为低电平时，Q2导通Q3不导通，由于Q2发射极接地，U1的6引脚为高电平，D2导通，U1的10引脚为低电平，D3阻断隔离，因此相位同步线的电位为高电平，U1的8引脚和12引脚为低电平，因此同步输出端1和同步输出端2为低电平；同理当相位检测端1的相位信号为低电平相位检测端2的相位信号为高电平时，同步输出端1和同步输出端2为低电平；当两个相位检测端的相位信号都为高电平时，Q2、Q3都导通，由于Q2、Q3发射极接地，U1的6引脚和10引脚为高电平，D2、D3都导通，相位同步线的电位为高电平，U1的8引脚和12引脚为低电平，因此同步输出端1和同步输出端2为低电平，由于D2、D3的隔离作用，当主用数字变频器和备用数字变频器中任意一台故障，另一台都能检测到相位同步线上的正确电位信号。
4 静态切换开关模块
如图6所示，静态切换开关系统包括两路不间断数字变频器输入检测电路、DSP系统控制电路、数字触发电路、LC桥式谐振辅助换流电路等；所述数字变频器输入检测信号经处理后得到的采样信号送入DSP芯片的A/D转换模块，DSP控制系统根据采集到的信号作出相应的数学分析，以便侦测出主用数字变频器出现的异常现象，然后第一时间触发数字信号，该信号控制LC桥式谐振换流电路中相应的晶闸管门极，使得主用数字变频器首先换流到LC桥式谐振辅助旁路，然后再由LC桥式谐振辅助旁路换流到备用数字变频器。由于切换过程时间较短，因此可以认为两路电源电压以及负载电流近似不变，其间DSP芯片作出相应的状态报警显示以及与外部通信。
5 实验结果
图7所示为经相应捕获中断同步相位后得到的方波信号。通道1通道2为两路数字变频器输出正弦波对应的50HZ方波，此时相位同步。
如图8所示，当静态切换开关控制系统检测到主用数字变频器出现故障时，由主用数字变频器切换至备用数字变频器时的捕获波形。由波形可以看出切换时间大约需要8ms，切换过后由备用变频器供电，输出恢复至正常电压。
6 结语
经过大量地实验表明，此套静态切换开关系统能够在8 ms内完成切换过程，达到了预期的效果。由于切换过程时间较短，因此可以认为两路电源电压以及负载电流近似不变，实现了“无缝”快速切换，从而满足高新技术设备对供电质量的苛刻要求。此套系统有望应用于船舶电力系统。
参考文献
[1] 付学谦，陈皓勇，刘国特，等.分布式电源电能质量综合评估方法[J].中国电机工程学报，2014（25）：4270-4276.
[2] 蒋玮，陈武，胡仁杰，等.基于超级电容器储能的微网统一电能质量调节器[J].电力自动化设备，2014，34（1）：85-90.
[3] 张逸，林焱，吴丹岳，等.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2015（2）：138-147.
[4] 丁兴群.双电源自动切换装置的选用策略[J].中国新技术新产品，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] 汪全涛，姚蜀军，韩民晓，等.双路供电固体静态切换开关控制策略[J].电力自动化设备，2010，30（5）：67-70.
关键词：数字变频器 同步锁相 静态开关 系统
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：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
随着高新技术设备的迅猛发展，对供电系统的稳定性、可靠性要求也越来越苛刻[1-3]。传统变频器存在以下不足：可靠性不高，一旦故障就会使整个供电系统瘫痪，维修周期直接影响负载设备的运行；原有SVPWM算法保证快速生成控制脉冲时忽略低占空比时逆变的稳定性；不具备相位检测及相位同步功能；输出稳定性不够好，v/f控制精度不高。现有的双电源切换仅具有一般的转换功能，很少能够达到双供电电源之间的“无缝”快速切换。若能实现“无缝”快速切换，则可以保障计算机系统或其他电子电力设备在停电后继续工作以给用户一定时间进行停电对应，从而使得用户不会因停电而影响工作或丢失数据。为了对供电系统进行综合治理，越来越多的国内外专家学者开始关注并研究双电源供电系统[4]。静态切换开关系统属于一种高新技术设备[5-6]，采用电力电子相关方面的技术，可以满足高新技术设备对供电系统提出的严格要求。
1 系统总体设计框架
如图1所示，此套系統主要包括主用数字变频器和备用数字变频器，同步锁相电路和静态切换开关模块。两路变频器经过同步锁相后得到同频率、同幅值、同相位的两路电源。在主用变频器正常情况下，负载由主用变频器供电；当主用变频器出现故障时，负载自动快速切换至备用变频器。
2 数字变频器设计
2.1 数字变频器结构原理
如图2所示，为本系统的数字变频器原理框图。每个部分的功能说明如下：（1）直流滤波部分主要为直流EMI滤波器。（2）充电控制部分：主要包括预充电电阻，直流电容和直流继电器。（3）控制电源部分：为一单路输入，六路输出电源。（4）数字控制部分：主要由DSP为核心的电路板。（5）驱动部分：主要由驱动模块为核心的电路板。（6）功率模块：IGBT模块。（7）交流滤波部分：交流电抗器，电容器，交流滤波器。（8）功能控制部分：包括显示电路板，控制开关，调节电位器等。
直流电压经直流滤波部分、预充电部分，稳定后进入IGBT模块的输入端；控制电源部分为直流滤波部分和数字控制部分提供电源；数字控制部分产生控制脉冲，由驱动部分进行信号放大，控制IGBT模块实现换能，IGBT模块输出经过交流滤波后得到数字变频器的最终输出。
控制软件设计：通过中断方式实现其系统主要功能，其中包括频率ADC模块、保护模块、PI调节模块、开关控制模块、风机控制模块等。
2.2 数字变频器工作流程 如图3所示，为数字变频器工作流程。数字变频器上电后，进入初始化并检测运行状态，启动数字变频器后，开启SVPWM算法，在更新比较寄存器的值时判断該值的大小，当该值小于某一特定值时，把该特定值赋给比较寄存器，该特定值限制IGBT控制脉冲的最小占空比在3%～5%之间，本实验证明限制控制脉冲的最小占空比能有效提高输出稳定性。本实施例中特定值为100，Ta、Tb、Tc有以下规则：
（1）
式中Ta，Tb，Tc为比较寄存器的值。
电位器给定线性分压，经ADC数据处理得到给定电压值，对三相输出电压进行采样经ADC数据处理得到反馈电压值，经系统的快速数字滤波器处理，本实施例中数字滤波器编程算法如下：
（2）
式中UN（OUT）为本次滤波输出，UN-1为上一次滤波输出，UN为本次采样值，3为滤波基数。数字滤波器的输出再经PI调节器计算得到调制比用以调节控制脉冲，达到线性v/f精确调节和反馈稳定输出的目的。
3 同步锁相模块
3.1 同步分析
两台数字变频器并联运行的电路模型如图4所示.
两路电源功率偏差为：
式（3）和式（4）中，U0为负载电压，U1和U2分别为两路电源输出电压。可知，两路电源的有功功率差主要取决于输出电压相位差，无功功率主要取决于输出电压幅值差。所以，保证两路电源的无功功率和有功功率一致，就能确保输出电压幅值和相位一致。
3.2 充分隔离的数字锁相机制
如图5所示，当两个相位检测端的相位信号都为低电平时，Q2、Q3不导通，上拉电阻R5、R9导致U1的6引脚和10引脚为低电平，由于D2、D3的阻断隔离及下拉电阻R15，相位同步线的电位为低电平，U1的8引脚和12引脚为高电平，因此同步输出端1和同步输出端2为高电平；当相位检测端1的相位信号为高电平相位检测端2的相位信号为低电平时，Q2导通Q3不导通，由于Q2发射极接地，U1的6引脚为高电平，D2导通，U1的10引脚为低电平，D3阻断隔离，因此相位同步线的电位为高电平，U1的8引脚和12引脚为低电平，因此同步输出端1和同步输出端2为低电平；同理当相位检测端1的相位信号为低电平相位检测端2的相位信号为高电平时，同步输出端1和同步输出端2为低电平；当两个相位检测端的相位信号都为高电平时，Q2、Q3都导通，由于Q2、Q3发射极接地，U1的6引脚和10引脚为高电平，D2、D3都导通，相位同步线的电位为高电平，U1的8引脚和12引脚为低电平，因此同步输出端1和同步输出端2为低电平，由于D2、D3的隔离作用，当主用数字变频器和备用数字变频器中任意一台故障，另一台都能检测到相位同步线上的正确电位信号。
4 静态切换开关模块
如图6所示，静态切换开关系统包括两路不间断数字变频器输入检测电路、DSP系统控制电路、数字触发电路、LC桥式谐振辅助换流电路等；所述数字变频器输入检测信号经处理后得到的采样信号送入DSP芯片的A/D转换模块，DSP控制系统根据采集到的信号作出相应的数学分析，以便侦测出主用数字变频器出现的异常现象，然后第一时间触发数字信号，该信号控制LC桥式谐振换流电路中相应的晶闸管门极，使得主用数字变频器首先换流到LC桥式谐振辅助旁路，然后再由LC桥式谐振辅助旁路换流到备用数字变频器。由于切换过程时间较短，因此可以认为两路电源电压以及负载电流近似不变，其间DSP芯片作出相应的状态报警显示以及与外部通信。
5 实验结果
图7所示为经相应捕获中断同步相位后得到的方波信号。通道1通道2为两路数字变频器输出正弦波对应的50HZ方波，此时相位同步。
如图8所示，当静态切换开关控制系统检测到主用数字变频器出现故障时，由主用数字变频器切换至备用数字变频器时的捕获波形。由波形可以看出切换时间大约需要8ms，切换过后由备用变频器供电，输出恢复至正常电压。
6 结语
经过大量地实验表明，此套静态切换开关系统能够在8 ms内完成切换过程，达到了预期的效果。由于切换过程时间较短，因此可以认为两路电源电压以及负载电流近似不变，实现了“无缝”快速切换，从而满足高新技术设备对供电质量的苛刻要求。此套系统有望应用于船舶电力系统。
参考文献
[1] 付学谦，陈皓勇，刘国特，等.分布式电源电能质量综合评估方法[J].中国电机工程学报，2014（25）：4270-4276.
[2] 蒋玮，陈武，胡仁杰，等.基于超级电容器储能的微网统一电能质量调节器[J].电力自动化设备，2014，34（1）：85-90.
[3] 张逸，林焱，吴丹岳，等.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2015（2）：138-147.
[4] 丁兴群.双电源自动切换装置的选用策略[J].中国新技术新产品，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] 汪全涛，姚蜀军，韩民晓，等.双路供电固体静态切换开关控制策略[J].电力自动化设备，2010，30（5）：67-70.