CN103294097B - 一种智能塑壳断路器自生电源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能塑壳断路器自生电源控制方法。本发明所述方法对电源的控制分为两个部分：前馈-反馈控制、执行脱扣动作时对电源的主动调节。所述前馈-反馈控制在一定的控制步长下工作，通过反馈控制抑制各种扰动的影响，得到稳定的输出电压，针对输入电流会产生大范围的瞬时变化，引入前馈控制以补偿输入电流变化对充电电流的影响。所述执行脱扣动作时对电源的主动调节，在执行脱扣动作时调用，在发出脱扣指令之前，主动降低PWM占空比，为驱动脱扣器提供充足的电流。本发明充分利用断路器控制器电路板已有资源，省去专用电源控制元件，节约空间，节省成本。

Description

一种智能塑壳断路器自生电源控制方法

技术领域

本发明属于低压电器技术领域，涉及一种智能塑壳断路器自生电源控制方法。

背景技术

低压塑壳断路器广泛用于配电系统中，是一种重要的保护电器。随着国家对智能电网支持的加大和市场对配电系统自动化要求的提高，低压塑壳断路器正由热磁式向智能式发展。基于嵌入式CPU的智能低压塑壳断路器，可实时监测各项电参量，实现多种保护功能，具有网络通信功能，满足“四遥”操作的需求。

电源是智能塑壳断路器工作的基础，其性能直接关系着断路器的保护性能和可靠性。由于过载和短路保护是断路器基本保护功能，因此自生电源是断路器控制器主要供电电源。自生电源使用电流互感器，从被保护线路中感应出电流，以此为能量建立电源，在发生过电流故障时，仍有充足的能量供应，产生可靠的电源。国标GB/T 22710—2008《低压断路器电子式控制器》规定，低压断路器电子式控制器至少应具有一个由被保护线路能量产生的自生电源。

自生电源既作为控制器工作电源，又为脱扣器提供驱动。由于被保护线路电流变化非常大，驱动脱扣器时自生电源输出电流变化也较剧烈，给自生电源的控制带来难度。以往的自生电源多针对高压断路器或万能式断路器设计，电路结构复杂，占用空间大、成本较高，且一般采用模拟控制方式，使用硬件实现稳压，控制系统设计柔性差，不能根据塑壳断路器用自生电源的特点进行有针对性的设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于脉宽调制的用于低压智能塑壳断路器的自生电源，利用断路器控制器的主控芯片实现稳压控制。为实现上述功能。

本发明所涉及的硬件部分包括若干个电流互感器、整流电路、泄放电路、储能电容、滤波电路及嵌入式CPU模块。使用电流互感器从被保护线路上感应出电流，经整流后，各相叠加成为脉动的直流电流，给储能电容充电，使电容两端电压上升。泄放电路处在开关工作状态，嵌入式CPU可测量自生电源的输入电流和输出电压，执行本发明所述控制方法，向泄放电路发出PWM信号，控制其导通与关断，从而调节充电电流的平均值，实现稳压。

本发明所述方法对电源的控制分为两个部分：前馈-反馈控制、执行脱扣动作时对电源的主动调节。

所述前馈-反馈控制在一定的控制步长下工作，通过反馈控制抑制各种扰动的影响，得到稳定的输出电压，针对输入电流会产生大范围的瞬时变化，引入前馈控制以补偿输入电流变化对充电电流的影响。其步骤为：

步骤1：测量自生电源输出电压和输入电流。

步骤2：计算反馈控制的占空比增量。输入电流的改变会影响充电电流，因此结合实时输入电流，采用一种变参数的PID控制规律，其表达式为：

、分别为反馈控制中第k个采样周期的PWM信号占空比增量和输入电流，为断路器在额定电流下自生电源的输入电流，、、分别为k、k-1、k-2个采样周期的误差，、、分别为比例系数、积分系数、微分系数，这三个参数在输入电流为的条件下，通过评价负载功率变化时输出电压的动态响应性能整定得到。

步骤3：计算前馈控制的占空比增量。由于电容充电时间常数较短，会迅速在电压输出端形成误差，并通过反馈控制通道产生控制作用，因此，前馈控制中并不采用完全补偿，而是乘以小于1大于0的系数。前馈控制规律为：

其中，是前馈控制中第k个采样周期占空比的增量，是第k-1个周期输出的PWM占空比；、分别为第k、k-1个采样周期的输入电流，是小于1大于0的常数。

步骤4：计算前馈-反馈调节规律的输出，计算公式为：

其中，、分别为第k、k-1个周期前馈-反馈调节规律的输出。

步骤5：限制占空比的范围。根据占空比的物理意义，如果计算所得小于0，则占空比赋值为0；如果大于1，则占空比赋值为1。

步骤6：更新PWM占空比。

所述执行脱扣动作时对电源的主动调节，在执行脱扣动作时调用，在发出脱扣指令之前，主动降低PWM占空比，为驱动脱扣器提供充足的电流。具体为：

步骤1：计算PWM的占空比，计算公式为：

其中，为计算前的占空比；为计算后的新占空比；为实时输入电流；为脱扣器动作需要消耗的电流。

步骤2：限制占空比的范围。根据占空比的物理意义，如果计算所得小于0，则占空比赋值为0；如果大于1，则占空比赋值为1。

步骤3：更新PWM占空比。

步骤4：发出脱扣信号。

本发明相对于现有技术，有如下有益效果：

1.充分利用断路器控制器电路板已有资源，省去专用电源控制元件，节约空间，节省成本。

2.使用数字控制方案，可实现较为复杂的控制算法，增强反馈控制环的稳定性，针对断路器用自生电源的特点设计控制算法，响应速度快，对脱扣器的驱动能力强。

3.前馈-反馈控制策略能够抑制系统中的各种扰动，尤其对输入电流的扰动，有较好的补偿效果，电源稳定度高。

4.使用数字控制方案增强了控制系统设计的柔性，易于开发。

附图说明

图1 自生电源结构图；

图2 前馈-反馈控制流程图；

图3 执行脱扣动作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明硬件部分包括若干个电流互感器、整流电路、泄放电路、储能电容、滤波电路及嵌入式CPU模块。其中，嵌入式CPU选用STM32F107VC，该芯片具有72MHz系统时钟，12位ADC，DMA控制器，以及可灵活配置的定时器，可输出PWM信号。

如图1所示，使用电流互感器从被保护线路上感应出电流，经整流后，各相叠加成为脉动的直流电流，给储能电容充电，使电容两端电压上升。泄放电路处在开关工作状态，嵌入式CPU可测量自生电源的输入电流和输出电压，并通过所述自生电源控制方法向泄放电路发出PWM信号，控制其导通与关断，从而调节充电电流的平均值，实现稳压。

模数转换器设定为连续工作模式，分别采集自生电源输出电压和各相输入电流。并结合DMA将转换结果存放在内存中指定位置。使用两个定时器，一个通过中断产生1ms控制步长，另一个输出PWM信号，PWM的频率为4kHz，分辨率为11位。

本发明所述自生电源控制方法分为两个部分：前馈-反馈控制、执行脱扣动作时对电源的主动调节。

所述前馈-反馈控制在1ms的控制步长下工作，通过反馈控制抑制各种扰动的影响，得到稳定的输出电压，针对输入电流会产生大范围的瞬时变化，引入前馈控制以补偿输入电流变化对充电电流的影响。在每个采样周期中，前馈-反馈控制的执行流程如图2所示。

步骤1：测量自生电源输出电压和输入电流。从DMA缓冲区中读取输出电压和各相电流信息，各相电流相加即可得到输入电流。

步骤2：计算反馈控制的占空比增量。电压期望值减去当前输出电压即可得当前误差。输入电流的改变会影响充电电流，因此结合实时输入电流，采用一种变参数的PID控制规律，其表达式为：

、分别为反馈控制中第k个采样周期的PWM信号占空比增量和输入电流，为断路器在额定电流下自生电源的输入电流，、、分别为k、k-1、k-2个采样周期的误差，、、分别为比例系数、积分系数、微分系数，这三个参数在输入电流为的条件下，通过评价负载功率变化时输出电压的动态响应性能整定得到。

步骤3：计算前馈控制的占空比增量。输入电流会产生大范围的瞬时变化，影响输出电压的稳定，引入前馈控制以补偿输入电流变化对充电电流的影响。由于电容充电时间常数较短，会迅速在电压输出端形成误差，并通过反馈控制通道产生控制作用，因此，前馈控制中并不采用完全补偿，而是乘以小于1大于0的系数。前馈控制规律为：

其中，是前馈控制中第k个采样周期占空比的增量；是第k-1个周期输出的PWM占空比；、分别为第k、k-1个采样周期的输入电流，是小于1大于0的常数。

步骤4：计算前馈-反馈调节规律的输出。

其中，、分别为第k、k-1个周期前馈-反馈调节规律的输出。

步骤5：限制占空比的范围。根据占空比的物理意义，如果计算所得小于0，则占空比赋值为0；如果大于1，则占空比赋值为1。

步骤6：更新PWM占空比。将占空比更新到定时器，输出PWM信号，控制泄放电路的导通与关断，达到调节输出电压的目的。

如图3所示，所述执行脱扣动作时对电源的主动调节，在执行脱扣动作时调用，在发出脱扣指令之前，主动降低PWM占空比，为驱动脱扣器提供充足的电流。所述执行脱扣动作的步骤为：

步骤1：计算PWM的占空比，计算公式为：

其中，为计算前的占空比；为计算后的新占空比；为实时输入电流；为脱扣器动作需要消耗的电流，可取为0.06A。

步骤2：限制占空比的范围。根据占空比的物理意义，如果计算所得小于0，则占空比赋值为0；如果大于1，则占空比赋值为1。

步骤3：更新PWM占空比。

步骤4：发出脱扣信号。

Claims (1)

1.一种智能塑壳断路器自生电源控制方法，包括前馈-反馈控制和执行脱扣动作时对电源的主动调节，其特征在于：

所述前馈-反馈控制是在一定的控制步长下工作，通过反馈控制抑制各种扰动的影响，得到稳定的输出电压，针对输入电流会产生大范围的瞬时变化，引入前馈控制以补偿输入电流变化对充电电流的影响，其步骤为：

步骤1：测量自生电源输出电压和输入电流；

步骤2：计算反馈控制的占空比增量；输入电流的改变会影响充电电流，因此结合实时输入电流，采用一种变参数的PID控制规律，其表达式为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_b\left(k\right)=-\frac{i_n}{i_{\mathrm{in}}\left(k\right)}\left\{K_p\right[e\left(k\right)-e(k-1)]+K_{i}e\left(k\right)+K_d[e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\left]\right\}$

Δρ_b(k)、i_in(k)分别为反馈控制中第k个采样周期的PWM信号占空比增量和输入电流，i_n为断路器在额定电流下自生电源的输入电流，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别为k、k-1、k-2个采样周期的误差，K_p、K_i、K_d分别为比例系数、积分系数、微分系数，这三个参数在输入电流为i_n的条件下，通过评价负载功率变化时输出电压的动态响应性能整定得到；

步骤3：计算前馈控制的占空比增量；由于电容充电时间常数较短，会迅速在电压输出端形成误差，并通过反馈控制通道产生控制作用，因此，前馈控制中并不采用完全补偿，而是乘以小于1大于0的系数；前馈控制规律为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_f\left(k\right)=\mathrm{\α}*\frac{i_{\mathrm{in}}\left(k\right)-i_{\mathrm{in}}(k-1)}{i_{\mathrm{in}}\left(k\right)}[1-\mathrm{\ρ}(k-1)]$

其中，Δρ_f(k)是前馈控制中第k个采样周期占空比的增量，ρ(k-1)是第k-1个周期输出的PWM占空比；i_in(k)、i_in(k-1)分别为第k、k-1个采样周期的输入电流，α是小于1大于0的常数；

步骤4：计算前馈-反馈调节规律的输出，计算公式为：

ρ(k)＝ρ(k-1)+Δρ_f(k)+Δρ_b(k)

其中，ρ(k)、ρ(k-1)分别为第k、k-1个周期前馈-反馈调节规律的输出；

步骤5：限制占空比的范围；根据占空比的物理意义，如果计算所得ρ(k)小于0，则占空比赋值为0；如果ρ(k)大于1，则占空比赋值为1；

步骤6：更新PWM占空比；

所述执行脱扣动作时对电源的主动调节是在执行脱扣动作时调用，在发出脱扣指令之前，主动降低PWM占空比，为驱动脱扣器提供充足的电流；具体步骤为：

步骤(1)：计算PWM的占空比，计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}^{\′}=\mathrm{\ρ}-\frac{i_t}{i_{\mathrm{in}}}$

其中，ρ为计算前的占空比；ρ'为计算后的新占空比；i_in为实时输入电流；i_t为脱扣器动作需要消耗的电流；

步骤(2)：限制占空比的范围；根据占空比的物理意义，如果计算所得ρ'小于0，则占空比赋值为0；如果ρ'大于1，则占空比赋值为1；

步骤(3)：更新PWM占空比；

步骤(4)：发出脱扣信号。