1 引言

    隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的日益普及，對(duì)電源系統(tǒng)供電質(zhì)量和可靠性的要求越來越高，不間斷電源(UPS)的應(yīng)用也越來越廣泛。在運(yùn)行時(shí)，要求UPS的輸出電壓、頻率和相位都與市電保持一致，這樣才能在市電發(fā)生變化時(shí)保證UPS向負(fù)載提供不間斷、穩(wěn)定的電能，且不對(duì)負(fù)載產(chǎn)生過大的沖擊。所以，UPS中的逆變器須有鎖相環(huán)節(jié)，以保證UPS與市電的同步。同步鎖相控制應(yīng)具備下述功能：

    ①當(dāng)電網(wǎng)頻率滿足精度要求時(shí)，使逆變器與電網(wǎng)同步運(yùn)行;

    ②當(dāng)電網(wǎng)頻率超出精度要求范圍或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，使逆變器與內(nèi)部高精度的基準(zhǔn)頻率同步運(yùn)行。此外，兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換要平穩(wěn)，以免造成轉(zhuǎn)換過程中逆變器工作頻率的劇烈抖動(dòng)。

    鎖相可分為模擬鎖相和數(shù)字鎖相。與傳統(tǒng)的模擬鎖相相比，數(shù)字鎖相不僅能簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，降低成本，還可解決模擬電路中需要調(diào)整電路參數(shù)，以及器件的老化和溫漂等問題，大大提高了電路的可靠性和鎖相精度。在此，討論了逆變器的輸出電壓數(shù)字鎖相技術(shù)[1,2]。

    2 數(shù)字鎖相環(huán)

    2.1 鎖相原理

    鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的頻率和相位。圖1示出普通的模擬鎖相環(huán)控制框圖。它由鑒相器(PD)、低通濾波器 (LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成。通過將VCO的輸出電壓信號(hào)uout(t)和電網(wǎng)電壓的采樣信號(hào)uin(t)這兩路頻率與相位不同的信號(hào)送入鑒相器，生成誤差信號(hào)Ue(t)，該信號(hào)是相位差的線性函數(shù)。ue(t)經(jīng)過低通濾波器后輸出電壓信號(hào)UD(t)。VCO在uc(t)的控制下將改變uout(t)的頻率和相位，以減小uout(t)的頻率和相位差。

    在UPS的數(shù)字化控制中，傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)改變?yōu)橛密浖��?shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)。旁路電壓ub和逆變器的輸出電壓uoi分別經(jīng)過過零檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，單片機(jī)的捕獲單元在捕獲到方波信號(hào)每個(gè)上升沿到來時(shí)，讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值。圖2示出電壓捕獲示意圖。

    旁路電壓ub和逆變器的輸出電壓uoi這兩個(gè)捕獲單元共用一個(gè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器溢出時(shí)自動(dòng)清零。用每一次的旁路電壓上升沿時(shí)刻減去之前的輸出電壓上升沿時(shí)刻即為uoi與ub的相位差。圖3示出數(shù)字鎖相的實(shí)現(xiàn)。

    2.2 數(shù)字鎖相方法

    對(duì)采用SPWM 控制的逆變器，可固定載波比N(N=fc/f1)，通過改變?nèi)�角載波周期Tc，即頻率fc，可改變輸出的交流電壓基波頻率f1。這里正是采用這種方法來調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和輸出頻率，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)相位，以完成逆變器輸出頻率的相位跟蹤市電的鎖相過程。在圖3中，若Td ，則uoi的相位超前ub，需要增大逆變器的輸出載波周期T1PR值;反之若Td>T/2，則uoi的相位滯后ub，需要減小逆變器的輸出載波周期T1PR值，直至Td在允許范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了鎖相。

    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率和相位的跟蹤，可利用一個(gè)比較器進(jìn)行過零檢測(cè)，以提高抗干擾能力及保證檢測(cè)的快速性，工程上所用的比較器一般為滯環(huán)比較器。圖4示出過零檢測(cè)滯環(huán)比較器電路及其輸出波形。

    為了實(shí)現(xiàn)鎖相，程序中采用了一個(gè)單增模式計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)溢出后自動(dòng)清零，由單片機(jī)的定時(shí)器TA來充當(dāng)。同時(shí)設(shè)定兩個(gè)寄存器ophs和kx。當(dāng)逆變器的輸出電壓上升沿發(fā)生觸發(fā)中斷時(shí)，將捕獲通道的計(jì)數(shù)值賦給ophs;同理，當(dāng)ub中斷時(shí)，將捕獲通道的計(jì)數(shù)值賦給kx，兩值相減即為相位差。

    2.3 數(shù)字鎖相環(huán)路傳函

    在數(shù)字鎖相控制中，圖1的環(huán)路濾波器用比例積分環(huán)節(jié)替代，壓控振蕩器變成數(shù)控振蕩器，并通過相位累加器予以實(shí)現(xiàn)。改變uoi的相位，以跟蹤輸入電壓的相位是非常困難的，因此在實(shí)際中一般通過改變逆變器的 頻率來達(dá)到跟蹤輸入電壓相位的目的。這里也正是采用這種方法來鎖相的，所以逆變器可等效為純積分環(huán)節(jié)。

    為了保證穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器跟蹤電網(wǎng)相位的誤差為零，環(huán)路濾波器采用分段式變PI調(diào)節(jié)器。

    根據(jù)離散系統(tǒng)奈奎斯特判據(jù)，環(huán)路穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程的特征根全部位于z平面的單位圓內(nèi)，解得環(huán)路的穩(wěn)定條件為K1> 0;K2>0;2K1+K2<4。由此可確定P和I的參數(shù)值。

    2.4 數(shù)字鎖相程序

    程序上安排單片機(jī)的兩個(gè)捕獲中斷程序及周期中斷程序，以完成檢測(cè)和計(jì)算任務(wù)。