CN103944410B - 电力电子变压器及其无通讯线数据hub实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，是将电力电子变压器的控制系统分为数据HUB功能模块和能量控制功能模块，其中数据HUB功能模块包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块。来自电力网的信号经提取和解调后送入通讯处理功能模块，发出的信号经调制后形成PWM载波，载波与能量控制功能模块形成的调制波比较得到包含通讯信息的驱动脉冲。本发明完善并扩大了电力电子变压器的功能与使用范围，使电力网中的每个电力电子变压器都可作为信息传输节点，省去了专用的电力网通讯设备与通讯网，充分利用软硬件资源，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电力电子装置与控制技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，是一种利用电力电子变压器装置与控制技术同时实现能量控制功能与数据HUB功能的方法。
背景技术
随着特高压输电技术的发展，传统的输电技术也发生了巨大的变化；智能电网技术的提出与发展，给电力系统带来了新的理念和挑战，微电网的概念也应运而生，集中电源与分布式电源优势互补、大电网与微电网共同发展，将是未来电力系统发展的趋势。电力电子变压器作为智能电网的重要支撑设备，也应运而生，具有较好的发展前景，其突出特点在于：可实现对变压器原、副边电压幅值与相位的灵活控制，满足未来电力系统的发展新要求，获得更高的系统稳定性，并可整合各种交直流分布式发电，以及实现电力市场下对功率潮流的实时控制。电力电子变压器在保证特高压交直流输电的安全可靠性，可再生能源的可靠并网，以及改善电能质量等方面都有重要的意义。
另一方面，电力线网络作为目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值；同时，由于电力网需要具有控制信号传输、调度自动化数据传输等数据传输功能，电力网通信技术也具有非常重要的地位。随着电力行业的发展，电力信息化程度不断加深，电力网与电力信息网之间也具有越来越明显的互相渗透趋势。利用已有的电力传输线路完成数据通信，不仅成本低，而且建网和维护也变得简单。早在上世纪二十年代，通过电力线路进行数据传输就开始引起人们的关注，此后该技术得到了快速的发展，随着电力线路通信技术的不断发展与成熟，其已经广泛应用于高、中、低压等不同的输电线网络。但传统的电力线通信技术需要通过专门的设备对数据信号进行调制、滤波、解调等操作，这些专门设备不仅增加了成本，还需要承担故障风险。
电力电子变压器的广泛应用是未来电力网的发展趋势，由于电力电子变压器与电力线路相连，其主要功能是实现能量传输控制，本身具有能量控制功能，加之电力电子变压器今后在电力网中的应用愈发广泛，如果利用电力电子变压器同时实现能量控制和数据HUB功能，使电力网中的每个电力电子变压器作为能量控制节点和信息传输节点，不仅可以省去专用通信设备从而节约成本，而且在电力电子变压器快速发展的趋势下，有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是基于AC/DC/AC型电力电子变压器电力线路数据HUB功能，提出一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，通过将电力电子变压器的控制器分为能量控制功能部分与数据HUB功能部分，从而实现通过电力电子变压器实现电力线路数据通讯功能。
本发明提供一种实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，所述电力电子变压器采用AC/DC/AC三级结构，分为前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节；电力电子变压器输入侧为交流电网，输出侧包括直流电网和交流电网；电力电子变压器的控制器中包含数据HUB功能模块和能量控制功能模块；
所述的数据HUB功能模块包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；
所述的能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块；
优选地，所述的信号提取功能模块用于从电力线路上提取包含通讯信号频率段的谐波，所述的信号提取功能模块分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网上的电压和电流中提取所需的包含信号的谐波。
优选地，所述的信号解调功能模块用于从包含通讯信号的谐波中解调制出所需的数据信号，所述的信号解调功能模块的输入为所述的信号提取功能模块的输出。
优选地，所述的通讯处理功能模块用于汇集、处理、发出以电力线路作为传输通道的数据信息，所述的通讯处理功能模块从所述的信号解调模块接收数据信号。
优选地，所述的数据调制功能模块用于将数据信息调制成PWM载波，使载波中含有通讯信息；所述的数据调制功能模块接收来自通讯处理功能模块的数据信号，并将其调制生成三个载波，分别用于电力电子变压器的前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节。
优选地，所述的输入控制模块和输出控制模块都接收来自所述的通讯处理功能模块的控制量；所述的输入控制模块用于产生电力电子变压器前级AC/DC环节的PWM调制波，输出控制模块用于产生电力电子变压器中级DC/DC环节和后级DC/AC环节的PWM调制波。
优选地，所述的电力电子变压器前、中、后三级的PWM载波和PWM调制波分别进行比较后生成驱动脉冲，对电力电子电路进行驱动。
本发明还提供一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，其特征在于：所述电力电子变压器采用AC/DC/AC三级结构，分为前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节；电力电子变压器输入侧为交流电网，输出侧包括直流电网和交流电网；其特征在于，电力电子变压器的控制器包括数据HUB功能模块和能量控制功能模块；所述的数据HUB功能模块包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；所述的能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块；所述电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法的数据接收过程采用如下控制方式：
a1）所述的信号提取功能模块分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网上的电压和电流中提取所需的包含有通讯信号的谐波；
a2）将所述的包含通讯信号的谐波送入所述的信号解调功能模块，由信号解调功能模块从谐波中解调制出所需的数据信号；
a3）将所述的数据信号送入所述的通讯处理功能模块，通讯处理功能模块汇集、处理接收到的数据信息，并根据接收到的信息发送控制量到所述的输入控制模块和输出控制模块，从而实现根据通讯信号完成对电力电子变压器的实时控制。
所述电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法的数据发送过程采用如下控制方式：
b1）当有数据发送时，由所述通讯处理功能模块发出原始通讯数据，通讯数据为数据帧的形式，包括帧头、同步字符串、信息数据、帧尾；
b2）所述的数据调制功能模块接收来自通讯处理功能模块的通讯数据，并将其调制生成三个PWM载波，分别用于电力电子变压器的前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节，三个PWM载波的调制采用移频调制方式，数字1和0分别用频率为f1与f2的载波表示；
b3）所述的输入控制模块产生电力电子变压器前级AC/DC环节的PWM调制波，输出控制模块产生电力电子变压器中级DC/DC环节和后级DC/AC环节的PWM调制波；电力电子变压器前、中、后三级的PWM载波和PWM调制波分别进行比较后生成驱动脉冲，对电力电子电路进行驱动，通讯信号随之发送至电力线路。
相对于现有技术，本发明的有益效果有：
（1）实现了通过AC/DC/AC电力电子变压器完成电力网上数据HUB功能，完善并扩大了电力电子变压器的功能与使用范围；
（2）可以使电力网上的电力电子变压器作为通讯节点，利用电力网作为通讯网络，省去了数据通信网络的建设和专用数据收发设备，利用了现有资源，节约了成本，建网与维护成本低；
（3）顺应并符合电力电子变压器应用日渐广泛的发展趋势，具有良好的应用前景；
（4）电力电子变压器实现数据HUB功能时并不需增加额外硬件，充分利用了自身资源。
附图说明
图1为交/直/交型电力电子变压器主电路拓扑结构图；
图2为交/直/交型电力电子变压器工作原理图；
图3兼具能量和数据HUB功能的电力电子变压器的系统控制方法框图；
图4为数据调制信号图；
图5为数据调制方法框图。
具体实施方式
对本发明的所采用的电力电子变压器及其无通讯线数据HUB实现方法介绍如下：
三级型电力电子变压器在电力电子变换过程中存在直流环节，也称为交/直/交型电力电子变压器或AC/DC/AC型电力电子变压器。图1所示为典型AC/DC/AC型电力电子变压器的主电路拓扑结构图，图2所示为AC/DC/AC型电力电子变压器的工作原理，根据图1与图2所示进行介绍如下：电力电子变压器的输入侧为三相工频高压输入，实际应用中有时为了满足高压大功率的需要，输入级可以采用级联型结构。输入电压经过级联型三相整流器整流变为直流电压，再经过单相逆变器进行逆变，变为高频方波。该高频方波经过高频变压器耦合，传递到高频变压器二次侧，同时幅值发生变化。高频变压器二次侧的方波经过单相整流器得到电力电子变压器二次侧直流电压，一个或多个单相整流器输出端共同连接到直流母线上。直流母线上的电压经过一个或多个三相全控逆变器逆变得到电力电子变压器的二次侧交流电压。
本发明为一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，如图3所示，其总体设计方案为：电力电子变压器的控制器中包含数据HUB功能模块和能量控制功能模块，其中数据HUB功能模块为本发明的主要内容，包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块；将各个功能模块的具体功能介绍如下：
信号提取功能模块用于从电力线路上提取包含通讯信号的谐波，分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网提取所需的谐波。
信号解调功能模块用于从包含通讯信号的谐波中解调制出所需的数据信号，解调制过程中通过对所提取谐波的频率、相位进行检测还原为原始信息数据。
通讯处理功能模块用于汇集、处理、发出以电力线路作为传输通道的数据信息，通讯处理功能模块接收由信号解调功能模块发出的数据，并根据接收到的信息向能量HUB功能模块发出控制量，从对电力电子变压器进行实时控制；另一方面，当需要发送信息时，通讯处理功能模块向数据调制功能模块发出通讯数据，通讯数据以数据帧的形式表示，包括帧头、同步字符串、信息数据、帧尾。
数据调制功能模块用于将数据信息调制成PWM载波，使载波中含有通讯信息，其输入数据是接收来自通讯处理功能模块的数据信号，并将其调制生成三个载波，分别用于电力电子变压器的前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节。数据调制功能模块的调制方式为载波移频的方式，因为载波的频率变化对能量的传输无影响，如图4所示，数字1和0分别用频率为f1与f2的载波表示。如图5所示为调制方法框图，原始数据控制两个开关门电路对两路不同频率的载波进行选择，形成带有数据信息的频移载波。
输入控制模块和输出控制模块都属于能量控制功能，属于电力电子变压器的基本功能，并都能接收来自所述的通讯处理功能模块的控制量，输入控制模块用于产生电力电子变压器前级AC/DC环节的PWM调制波，输出控制模块用于产生电力电子变压器中级DC/DC环节和后级DC/AC环节的PWM调制波。
根据各功能模块的作用，将数据发送过程与数据接收过程介绍如下：在数据发送过程汇中，通讯处理功能模块根据特定的格式对信息进行数字编码，形成包含通讯信息的数字信号，然后在数据调制功能模块中将通讯处理功能模块产生的数字信号经过频移控制生成包含通讯信息的载波，再将该载波与能量控制功能模块生成的调制波比较形成驱动脉冲。在数据接收过程中，由信号提取功能模块分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网提取所需的谐波，再由信号解调功能模块从包含通讯信号的谐波中解调制出所需的数据信号，解调制过程中通过对所提取谐波的频率、相位进行检测还原为原始信息数据，最后将还原的数据信息送入通讯处理功能模块进行处理。
Claims (8)
1.一种实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，所述电力电子变压器采用AC/DC/AC三级结构，分为前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节；电力电子变压器输入侧为交流电网，输出侧包括直流电网和交流电网；其特征在于，电力电子变压器的控制器包括数据HUB功能模块和能量控制功能模块；
所述的数据HUB功能模块包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；
所述的能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块；
所述的信号提取功能模块用于从电力线路上提取包含通讯信号频率段的谐波，所述的信号提取功能模块分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网上的电压和电流中提取所需的包含信号的谐波。
2.根据权利要求1所述的实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，其特征在于：所述的信号解调功能模块用于从包含通讯信号的谐波中解调制出所需的数据信号，所述的信号解调功能模块的输入为所述的信号提取功能模块的输出。
3.根据权利要求1所述的实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，其特征在于：所述的通讯处理功能模块用于汇集、处理、发出以电力线路作为传输通道的数据信息，所述的通讯处理功能模块从所述的信号解调模块接收数据信号。
4.根据权利要求1所述的实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，其特征在于：所述的数据调制功能模块用于将数据信息调制成PWM载波，使载波中含有通讯信息；所述的数据调制功能模块接收来自通讯处理功能模块的数据信号，并将其调制生成三个载波，分别用于电力电子变压器的前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节。
5.根据权利要求1所述的实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，其特征在于：所述的输入控制模块和输出控制模块都接收来自所述的通讯处理功能模块的控制量；所述的输入控制模块用于产生电力电子变压器前级AC/DC环节的PWM调制波，输出控制模块用于产生电力电子变压器中级DC/DC环节和后级DC/AC环节的PWM调制波。
6.根据权利要求5或4所述的实现无通讯线数据HUB的电力电子变压器，其特征在于：所述的电力电子变压器前、中、后三级的PWM载波和PWM调制波分别进行比较后生成驱动脉冲，对电力电子电路进行驱动。
7.一种电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，其特征在于：所述电力电子变压器采用AC/DC/AC三级结构，分为前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节；电力电子变压器输入侧为交流电网，输出侧包括直流电网和交流电网；其特征在于，电力电子变压器的控制器包括数据HUB功能模块和能量控制功能模块；所述的数据HUB功能模块包括：信号提取功能模块，信号解调功能模块，通讯处理功能模块，数据调制功能模块；所述的能量控制功能模块包括：输入控制模块、输出控制模块；所述电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法的数据接收过程采用如下控制方式：
a1)所述的信号提取功能模块分别由电力电子变压器输入侧的交流电网、电力电子变压器输出侧的直流电网和交流电网上的电压和电流中提取所需的包含有通讯信号的谐波；
a2)将所述的包含通讯信号的谐波送入所述的信号解调功能模块，由信号解调功能模块从谐波中解调制出所需的数据信号；
a3)将所述的数据信号送入所述的通讯处理功能模块，通讯处理功能模块汇集、处理接收到的数据信息，并根据接收到的信息发送控制量到所述的输入控制模块和输出控制模块，从而实现根据通讯信号完成对电力电子变压器的实时控制。
8.根据权利要求7所述的电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法，其特征在于：所述电力电子变压器的无通讯线数据HUB实现方法的数据发送过程采用如下控制方式：
b1)当有数据发送时，由所述通讯处理功能模块发出原始通讯数据，通讯数据为数据帧的形式，包括帧头、同步字符串、信息数据、帧尾；
b2)所述的数据调制功能模块接收来自通讯处理功能模块的通讯数据，并将其调制生成三个PWM载波，分别用于电力电子变压器的前级AC/DC环节、中级DC/DC环节、后级DC/AC环节，三个PWM载波的调制采用移频调制方式，数字1和0分别用频率为f1与f2的载波表示；
b3)所述的输入控制模块产生电力电子变压器前级AC/DC环节的PWM调制波，输出控制模块产生电力电子变压器中级DC/DC环节和后级DC/AC环节的PWM调制波；电力电子变压器前、中、后三级的PWM载波和PWM调制波分别进行比较后生成驱动脉冲，对电力电子电路进行驱动，通讯信号随之发送至电力线路。
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