CN103731011B - 一种用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速公路长距离电流形式的供配电系统，尤其涉及一种用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，包括依次串联的防雷器、隔离变压器、自耦变压器、可变电容阵、固定电容、EMI滤波器与防雷器，最后与负载连接；控制器通过控制信号CTR1控制可变电容阵列，通过控制信号CTR2控制自藕变压器，采样电路一端连接控制器，另一端连接在EMI滤波器与防雷器和负载之间。本发明的有益效果是可以精确并快速稳压，提升电能利用率，稳定性高，发热低，系统寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及高速公路长距离电流形式的供配电系统领域，尤其涉及一种用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置。
背景技术
对于高速公路远距离配电系统，具有工作环境恶劣、传送功率大、传送距离长、负荷变化大和供电设备更分散等自身特征，因此其供配电系统不仅要解决上述难题，同时要具有极高的稳定性，以确保公路监控系统的正常工作。目前已有的配电系统主要采用电压配电网，其中又包括了中压配电网、低压交流配电网及直流配电网，而在高速公路中使用电压配电方式，会产生诸多不足：
（1）中压配电网一般采用10kV电压，以提高传送功率，减小线路损耗，增加传送距离，因此电缆和变电设备均承受10kV高压，施工上需要遵循中压配电规范，铺设于建造成本很高，且需要电力部分的批准，对高速公路供配电工程的施工进度也造成影响；
（2）低压配电网一般采用1kV以下的电压，通过变电站或配电房对外供电，建造成本较低，但同时也决定了该方式传送距离近，线路损耗大，负载电压受到负载工作变化影响，造成较大的电压波动，易损坏电器设备，不能满足高速公路的远距离供电系统；
（3）直流配电网一般采用400V直流电压，对小微负载进行供电，电能利用率高，设备造价也相对低廉，但其同样存在于低压交流配电网的缺陷，且电气隔离与升降压设备更加复杂，对交流用电设备需要额外的转换，增加潜在故障点，同样不能满足高速公路的远距离供电系统。
为此，一种应用于高速公路远供系统的电流环配电方式被提出，该系统通过恒流发生器产生小电流（一般不超过10A），对负载进行串联组网，保证任意设备的输入稳定，其优势包括：
（1）负载侧输入稳定，不受负载切换影响；
（2）电流环路可抑制线路操作过电压，具有更高的安全性；
（3）串联环路可在主回路故障时以极快的速度关闭和报警，保障人员安全
（4）线路损耗可控，系统传送距离更远，提高电能利用率。
（5）电缆施工过程简单，成本低廉；
（6）设备端装置互换性好，可等功率任意互换，便于维护。
在高速公路电流环配电系统中，包括了两类设备：恒流发生器和恒流变换器，恒流发生器实现恒压到恒流的转换，而恒流变换器实现恒流到恒压的转换。考虑到恒流变换器工作条件恶劣（一般在户外），维护成本高，用电设备重要，恒流变换器的可靠性应优先得到保证。而目前已有的恒压转换恒压装置，一般采用高频开关电路实现，可靠性较低，亦有采用磁饱和的方式实现，但转换装置发热严重，降低系统寿命。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种应用于公路远距离供电系统的高可靠恒流转恒压装置，该装置可以精确稳压，提升电能利用率，稳定性高，发热低，系统寿命长。
本发明采取的技术方案为提供一种用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，包括
防雷器：用于应对户外条件下的雷击干扰；
隔离变压器：用于使恒流转恒压装置与外部环路电气隔离；
自耦变压器：用于对输入电流的不同变比进行调节；
可变电容阵：用于改变电容大小，调节无功功率；
EMI滤波器与防雷器：用于输出EMI滤波和防雷功能；
采样电路：用于对输出电压与电流进行采样，完成反馈控制；
控制器：根据采样电路的采样值对自耦变压器与可变电容阵进行控制；
防雷器、隔离变压器、自耦变压器、可变电容阵、固定电容、EMI滤
波器与防雷器之间依次串联，最后与负载连接；所述控制器通过控制信号CTR1控制可变电容阵列，通过控制信号CTR2控制自耦变压器，所述采样电路一端连接所述控制器，另一端连接在EMI滤波器与防雷器和负载之间。
作为本发明的进一步改进，所述控制器包括AD转换器、电压内环控制
器、功率外环控制器、SCR驱动电路，AD转换器：用于实现模拟量到数字量的转换功能；电压内环控制器：用于输出CTR1控制信号，调整可变电容阵的容值；功率外环控制器：用于输出CTR2控制信号，控制自耦变压器；SCR驱动电路：用于增强CTR1控制信号与CTR2控制信号的驱动能力，还用于驱动双向可控硅SCR或其他半导体器件。
作为本发明的进一步改进，所述控制器为MCU或DSP或其他控制芯片。
作为本发明的进一步改进，所述可变电容阵包含并联在一起的n个不同
阵列的电容，每个阵列配备一个SCR，该SCR由所述控制器的信号CTR1控制，用于并入或断开改组电容阵列。
作为本发明的进一步改进，所述自自耦变压器包括具有n个抽头的输入端
和输出端，每个抽头配备一个SCR，该SCR用于输入电流的接入调整，控制信号CTR2通过开通和关断接入抽头。
作为本发明的进一步改进，所述自自耦变压器为单相自耦变压器。。
本发明的有益效果是：（1）恒流变换器无高频开关器件，设备可靠性极高；（2）恒流变换器具有电压内环控制，通过可变电容阵精确稳压；（3）恒流变换器具有功率外环控制，根据负载变化调整设备输入功率，提升电能利用率；（4）负载稳定时，系统工作在线性状态，稳定性极高；（5）负载突变时，设备输入功率缓慢提升，有效减少装置对电流发生器的冲击，进一步提高系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置的应用场合图；
图2是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置的结构图；
图3是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置控制器的结构图；
图4是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置可变电容阵结构图；
图5是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置自耦变压器结构图；
图6是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置软启动下V in与I in的实验波形；
图7是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置软启动下V out与I out的实验波形；
图8是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置软启动下CTR2的实验波形；
图9是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置负载切换下V in与I in的实验波形；
图10是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置负载切换下V out与I out的实验波形；
图11是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置负载切换下CTR1的实验波形；
图12是本发明用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置负载切换下CTR2的实验波形。
其中数字表示：1、防雷器；2、隔离变压器；3、自耦变压器；4、可变电容阵；5、固定电容C；6、EMI滤波器与防雷器；7、采样电路；8、控制器；9、负载；10、AD转换器；11、电压内环控制器；12、功率外环控制器；13、SCR驱动电路；14、恒流转恒压装置(恒流变换器);15、负载。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置（简称恒流发生器）将三相380VAC的电压转换为6A的交流恒流，在配电侧，公路典型负载串联组网，如摄像头、测速仪、LED指示牌及其他设备，都需要通过恒流变换器14将6A的恒流转换为220V的交流恒压源，可见每个恒流变换器14均为统一的恒流输入，输入特性一致，便于设备维护。
如图2所示，用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置(恒流变换器)14包括以下部件：
（1）防雷器1：应对户外条件下的雷击干扰，采用二级防护等级；
（2）隔离变压器2：使恒流变换器14与外部环路电气隔离，保证装置与人员安全；
（3）自耦变压器3：实现输入电流的不同变比调节，达到输入功率调节的目的；自耦变压器的结构如图5所示，可见其输入端包括了n个抽头，输出为1路抽头，可以实现n个不同的输入电流值，每个抽头配备一个SCR，用于输入电流的接入调整，控制信号CTR2通过开通和关断接入抽头，需注意的是，在同一时刻只能有一个抽头处于导通状态；使用的是单相自耦变压器；
（4）可变电容阵4：通过改变电容大小，调节无功，实现电压的精确控制；可变电容阵列结构如图4所示，电容阵包含n个不同阵列，每个阵列配备一个SCR，SCR则由来自控制器的信号CTR1控制，用于并入或断开改组电容阵列，实现闭环控制；具有线性调整功能，其电容值可以从0uF线性变化至最大值，其控制信号为CTR1；
（5）固定电容C5,具有补偿功能；
（6）EMI滤波器与防雷器6：实现输出EMI滤波和防雷功能，保证负载15的正常工作；
（7）采样电路7：实现对输出电压与电流的采样，完成反馈控制；
（8）控制器8：根据采样值完成对自耦变压器3与可变电容阵4的控制；控制器8是整个变换器的核心，该部件可以是MCU，也可以是DSP或其他控制芯片，其内部结构图如图3所示，主要实现以下功能：
A．AD转换器10：实现模拟量到数字量的转换功能；
B．电压内环控制器11：实时跟踪输出电压值，计算跟踪误差值，通过内部PI控制或其他控制算法输出CTR1控制信号，用于调整可变电容阵的容值，调整频率2kHz，实现电压的精确控制；
C．功率外环控制器12：实时跟踪输出电压与电流值，从而计算输出功率，并对比当前系统无功含量，进而根据PI控制或其他控制算法，输出CTR2控制信号，用于控制自耦变压器，实现视在功率的调节，提高电能利用率；
D．SCR驱动电路13：增强CTR1与CTR2的驱动能力，用于驱动双向可控硅（SCR）或其他半导体器件。
本装置具有高效率的双环控制，一个电压内环和一个功率外环，电压内环通过特殊的控制策略及解码方式生成CTR1，达到对可变电容器的线性控制，该环路是本发明的核心，功率外环则通过CTR2控制自耦变压器来调整无功含量，双环配合工作,达到极快的稳压效果。
本装置用于电流转换为电压的情况，即输入为恒流信号，输出为恒压信号，其目的为稳定输出电压。
实施例：设定电流变换器功率等级1kVA，输入电流值6.6A，额定输出电压值V out为220VAC，在此设定下分别进行如下实验。
（1）变换器软启动控制策略实验
设定负载功率为800W，恒流变换器14从0V开始启动，通过CTR2的控制，可以实现系统的软启动，控制策略描述为：系统不断检测当前电压与输出功率，如果输出电压不满足额定情况（220VAC），则逐步提升自耦变压器的档位（本次实验设定为1s提升一次档位），直到输出电压满足要求，从而达到软启动的目的。
输入电压V in与输入电流I in（测试点位置如图2所示）波形如图6所示，输出电压V out 与输出电流I out（测试点位置如图2所示）波形如图7所示，自耦变压器控制信号CTR2信号如图8所示。
如图8所示，系统加载过程中，输入电压与电流逐级增加，输出电压与电流也随之缓慢上升，这是由CTR2的控制产生的效果，该控制策略可以有效减少变换器对远端电流发生器的冲击，特别是在多个负载点串联时，其软起作用尤其重要。
（2）变换器负载切换控制策略实验
设定负载功率为800W，在时间t=9s时，负载切换至250W，在此过程中，控制策略描述为：当负载切换时，输出电压将会突变，此时控制器中的电压内环控制策略将实时调整CTR1，控制可变电容阵列进行精确稳压，之后，在随后的（本次实验设定为1s）功率外环调整时，将根据当前的有功输出情况逐步改变CTR2调整档位（本次实验设定为1s提升一次档位），降低无功消耗，而每一次的档位调整，电压内环都将重新调整CTR1进行稳压，保证输出的稳定，直到系统无功消耗达到预期值，电压输出压降稳定在220VAC。
输入电压V in 与输入电流I in （测试点位置如图2所示）波形如图9所示，输出电压V in 与输出电流I in （测试点位置如图2所示）波形如图10所示，电容阵列控制信号CTR1信号如图11所示,自耦变压器控制信号CTR2信号如图12所示。
在图12中可见，系统切换负载过程中，负载输出电流突降I out，而输出电压V out 稳定在220V，输入电压电流V in 与I in （逐步减少，降低系统功率的输入，另外可见，CTR2每次调整自耦变压器的档位开关，CTR1都将进行快速调整，输出电压V out 的值基本不变，保证了负载正常工作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，其特征在于：包括
防雷器：用于应对户外条件下的雷击干扰；
隔离变压器：用于使恒流转恒压装置与外部环路电气隔离；
自耦变压器：用于对输入电流的不同变比进行调节；
可变电容阵：用于改变电容大小，调节无功功率；
EMI滤波器与防雷器：用于输出EMI滤波和防雷功能；
采样电路：用于对输出电压与电流进行采样；
控制器：根据采样电路的采样值对自耦变压器与可变电容阵进行控制；
防雷器、隔离变压器、自耦变压器、可变电容阵、固定电容、EMI滤波器与防雷器之间依次串联，最后与负载连接；所述控制器通过控制信号CTR1控制可变电容阵列，通过控制信号CTR2控制自耦 变压器，所述采样电路一端连接所述控制器，另一端连接在EMI滤波器与防雷器和负载之间；
所述控制器包括AD转换器、电压内环控制器、功率外环控制器、SCR驱动电路，AD转换器：用于实现模拟量到数字量的转换功能；电压内环控制器：用于输出CTR1控制信号，调整可变电容阵的容值；功率外环控制器：用于输出CTR2控制信号，控制自耦 变压器；SCR驱动电路：用于增强CTR1控制信号与CTR2控制信号的驱动能力，还用于驱动双向可控硅SCR或其他半导体器件；
所述可变电容阵包含并联在一起的n个不同阵列的电容，每个阵列配备一个SCR，该SCR由所述控制器的信号CTR1控制，用于并入或断开该组电容阵列。
2.根据权利要求1所述的用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，其特征在于：所述控制器为MCU或DSP或其他控制芯片。
3.根据权利要求1所述的用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，其特征在于：所述自耦 变压器包括具有n个抽头的输入端和输出端，每个抽头配备一个SCR，该SCR用于输入电流的接入调整，控制信号CTR2通过开通和关断接入抽头。
4.根据权利要求3所述的用于公路远距离供电的高可靠恒流转恒压装置，其特征在于：所述自耦 变压器为单相自耦 变压器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |