CN111262607A - 一种适用于srg直流微网电力线数据通信的数据调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，步骤如下：S1：设定SRG的相电流斩波限值；S2：确定出电流斩波上下阈值的取值范围；S3：对每个需要发送的信号数据设置不同的电流斩波上阈值和电流斩波下阈值；S4：将每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据比较结果，得到具有固定频率的电压纹波；S5：获取每个需要发送的信号数据对应的电流斩波频率。本发明通过选取不同的斩波限值，形成斩波频率不同的相电流波形，从而在输出电压上产生频率不同的电压纹波，实现不同信号的调制，在对系统提供限电流保护的同时实现信号与电能的同步传输。

Description

一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法

技术领域

本发明涉及信号与能量同步传输技术领域，尤其涉及一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法。

背景技术

传统的数据传输均需要专用的通信信道，且独立于电力传输线路，例如光纤通信和无线通信。对于光纤通信来讲，数据经独立的光缆传输，具有可靠性高、抗干扰能力强和传输距离远的优点。然而，光纤通信对调制装置和传输电缆的要求严格，不方便移动，安装和维护的成本偏高。无线通信可以在不需要物理连接的情况下传输数据，具有易安装、适应性强、可扩展性好的优点。但是，由于无线通信采用开放的通信频带，易遭受外部干扰和物理屏蔽；不仅如此，由于信号在空气中传播的衰减严重，数据传输距离也受到了限制。

传统的电力线通信技术多应用于交流电力线网络，以输电线路为媒介实现同步电力和数据的同步传输。由于借助电力线作为信号传输通道，无需额外的独立通信线路，具有低成本、易于安装的特。目前，电力线通信已经应用于许多电力系统和工业企业。近年来很多研究人员以DC/DC变换器的功率开关管为调制执行机构，在直流系统中实现了数据与电能的复合调制与同步传输。

发明内容

发明目的：针对在进行数据与电能的同步传输过程中，数据信号电压幅值过大，电能质量易受影响，同时数据传输速率可调范围小的问题，本发明提出一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，所述数据调制方法具体包括如下步骤：

S1：在含有SRG的直流微网系统的数据调制端的数字控制器中，设定SRG的相电流斩波限值；

S2：根据所述SRG的相电流斩波限值，确定出电流斩波上阈值和电流斩波下阈值的取值范围；

S3：根据所述电流斩波上阈值和电流斩波下阈值的取值范围，对每个所述需要发送的信号数据设置不同的电流斩波上阈值和电流斩波下阈值；

S4：将每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据所述比较结果，得到具有固定频率的电压纹波；

S5：通过所述具有固定频率的电压纹波，获取每个所述需要发送的信号数据对应的电流斩波频率。

进一步地讲，所述SRG的相电流斩波限值在含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流峰值的50％—65％范围内。

进一步地讲，所述SRG的相电流斩波限值与电流斩波上下阈值满足如下关系式，具体为：

其中：I_re为SRG的相电流斩波限值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值。

进一步地讲，每个需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值在SRG的相电流斩波限值的5％—15％范围内，每个所述需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，具体为：

Δi＝I_H-I_L

其中：Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为需要发送的信号数据对应的电流斩波的上阈值，I_L为需要发送的信号数据对应的电流斩波的下阈值。

进一步地讲，在所述步骤S4中，得到所述具有固定频率的电压纹波，具体如下：

S4.1：将每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据所述比较结果，对每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断或导通；

S4.2：根据每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管的关断或导通，每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升或下降；

S4.3：重复步骤S4.1-步骤S4.2，使得所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流在电流斩波上下阈值之间反复上升和下降，直至所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处，得到所述具有固定频率的电流纹波；

S4.4：根据所述具有固定频率的电流纹波，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中的输出电压在输出电容的作用下进行上升和下降，并在所述输出电压上产生具有固定频率的电压纹波。

进一步地讲，在所述步骤S4.1中，对每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断或导通，具体为：

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小上升至对应的电流斩波的上阈值时，所述数字控制器输出“0”信号，并通过含有SRG的直流微网系统中所选相的两个IGBT驱动芯片控制所选相对应的缘栅双极型晶体管进行关断；

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小下降至对应的电流斩波的下阈值时，所述数字控制器输出“1”信号，并通过所述含有SRG的直流微网系统中所选相的两个IGBT驱动芯片控制所选相对应的缘栅双极型晶体管进行导通。

进一步地讲，在所述步骤S4.2中，每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升或下降，具体为：

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断时，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行下降；

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行导通时，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升。

进一步地讲，在所述步骤S4.3中，所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处的判断，具体为：

在所述SRG系统中转子位置信号的优先级高于电流斩波的优先级，同时所选相的相电流首次大于SRG的相电流斩波限值位置位于SRG系统中的开通角之后，当所述SRG系统中转子位置达到SRG系统中的关断角时，所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断，电流斩波过程结束，即当所述SRG系统中转子位置达到SRG系统中的关断角时，所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处。

进一步地讲，在所述需要发送的信号数据进行传输的过程中，所述SRG系统中的关断角位置后移15％—20％。

进一步地讲，在所述步骤S5中，获取每个所述需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体如下：

S5.1：通过所述具有固定频率的电压纹波，确定出每个所述需要发送的信号数据对应的励磁电压，所述励磁电压的求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间；

S5.2：根据所述需要发送的信号数据对应的绕组磁链的求取公式，将所述励磁电压的求取公式进行转换，所述转换后的励磁电压求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间；

S5.3：根据所述转换后的励磁电压求取公式，获取励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻；

S5.4：根据需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，获取斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δt为半个斩波电流的周期时间；

S5.5：将所述励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量和斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量均代入电流斩波频率的求取公式中，得到需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体为：

其中：f为需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)本发明在电流斩波控制方式的基础上提出了基于SRG的直流微网系统的信号传输的方式，通过选取不同的斩波限值，形成斩波频率不同的相电流波形，从而在输出电压上产生频率不同的电压纹波，实现不同信号的调制，在对系统提供限电流保护的同时实现信号与电能的同步传输；

(2)本发明不需要额外的耦合设备就可以实现直流微网的信号能量与信号的同步传输，省去了传统PLC所需要的的信号耦合装置与解调装置，从而减少了系统在运行上的使用成本；

(3)本发明调制方式所产生的相电流斩波频率高，且传输的信号频率可以在较大范围内进行变化，从而传输的信号频率不受SRG转速变化的影响，进而可以应用在SRG运行的故障告警、启动与停止等。

附图说明

图1是含SRG的直流微网系统整体结构图；

图2是他励式功率主电路图；

图3是利用电流斩波控制方式的信号调制原理图；

图4是电流斩波控制方式下电流相波形图；

图5是电流斩波频率计算图；

图6是多信号调制相电流波形图；

图7是多信号调制电流电压波形图；

图8是信号解调过程图；

图9是A、B相电流与输出电流波形图；

图10是信号传输时四相电流及输出电压波形图；

图11是SRG输出电压滤波处理结果图；

图12是输出电压解调效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，含SRG的直流微网系统包括有风力发电场、SRG系统、DC-DC变换器、数字控制器、高通滤波电路、直流母线、直流负载、能量存储装置以及交流电网等部分。

其中，风力发电场、SRG系统、DC-DC变换器以及数字控制器四部分组成数据调制端，直流母线作为能量与信号的传输通道，高通滤波电路、直流负载、能量存储装置、交流电网以及数字控制器等部分组成数据解调端。在数据调制端中，风场中风机作为原动机，其主轴与SRG转子相连，带动SRG旋转，为SRG系统提供机械能输入。SRG系统包括SRG本体、功率主电路、控制电路以及位置信号传感器。SRG为8/6四相结构，具有结构简单、热稳定性好、可靠性强等特点，是风力发电实现机械能与电能的转换的核心部分。参考图2，SRG的功率主电路采用他励式四相不对称半桥结构，由外部提供直流励磁电压，且每相各有两个IGBT用于控制该相的励磁与发电，各相IGBT控制信号由数字控制器给出。其中图2中的I_gA为SRG系统中A相电流的输出，I_gB为SRG系统中B相电流的输出，I_gC为SRG系统中C相电流的输出，I_gD为SRG系统中D相电流的输出，I_g为SRG系统中四相输出电流叠加输出，C_o为SRG系统的输出电容，该SRG系统的输出电容C_o可以起到稳定输出电压U_g，减少输出电压纹波的作用。

本实施例提供了一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，该数据调制方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在含有SRG的直流微网系统的数据调制端的数字控制器中，设定SRG的相电流斩波限值。

在传统的SRG系统中，可控制的参数主要有：开通角θ_on、关断角θ_off、励磁电压U_s以及相电流斩波限值I_re。对开通角θ_on以及关断角θ_off进行控制为角度位置控制，一般应用于电机高速运行时。该方式通过调节开通角θ_on和关断角θ_off的值实现对相电流I_phase的控制，进而实现对输出电压U_g的控制。

调节励磁电压U_s的方式为传统的脉宽调制控制，该方式通过改变相绕组两端开关管的占空比来改变励磁电压U_s，进而实现对相电流I_phase以及输出电压U_g的控制。

但在SRG系统中应用较多的是电流斩波控制，该方式通过控制相电流斩波限值I_re以实现对输出电压U_g的控制，同时电流斩波控制方式在限制SRG系统正常运行时的相电流的同时可以限制电机启动时或者故障时的过电流，起到对电机的保护作用。

其中电流斩波控制方式有斩单管与斩双管两种方式，在斩单管方式中，一个开关管关断时，相电流I_phase的励磁过程将具有不可控性，从而使得相电流I_phase受转速、关断角θ_off等参数的影响，因此在SRG系统中常采用斩双管方式。在电流斩波控制方式中设置相电流斩波限值I_re，在本实施例中，SRG的相电流斩波限值I_re设置为含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流I_phase峰值的50％—65％，即SRG的相电流斩波限值在含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流峰值的50％—65％范围内。

步骤S2：根据步骤S1中设定的SRG的相电流斩波限值I_re，设置电流斩波上阈值I_H和电流斩波下阈值I_L的取值范围。具体地讲，SRG的相电流斩波限值I_re与电流斩波上下阈值满足如下关系式，具体为：

其中：I_re为SRG的相电流斩波限值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值。

步骤S3：根据步骤S2中确定的电流斩波上阈值I_H和电流斩波下阈值I_L的取值范围，对每个需要发送的信号数据均设置一个电流斩波上阈值I_H和一个电流斩波下阈值I_L，但是每个需要发送的信号数据对应的电流斩波上下阈值的大小并不相同。值得注意的是，每个需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值在SRG的相电流斩波限值的5％—15％范围内，其中每个需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值为每个需要发送的信号数据对应的电流斩波上阈值I_H和电流斩波下阈值I_L之间的差值。

每个需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，具体为：

Δi＝I_H-I_L

其中：Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为需要发送的信号数据对应的电流斩波的上阈值，I_L为需要发送的信号数据对应的电流斩波的下阈值。

步骤S4：将每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据该比较结果，得到具有固定频率的电压纹波，具体如下：

步骤S4.1：将每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和步骤S3中确定的的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据得到的比较结果，对每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断或导通，具体为：

在电流斩波控制方式中，设置SRG的相电流斩波限值为I_re，当相电流I_phase小于电流斩波的下阈值I_L时，相绕组的上下两个开关管同时开通，此时相电流I_phase上升，当相电流I_phase大于电流斩波的上阈值I_H时，相绕组的上下两个开关管同时关断，此时相电流I_phase通过二极管续流，电流下降。

参考图3，在本实施例中，每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相均选择为A相，即以A相为例进行说明。A相的相电流I_A在设置SRG的相电流斩波限值I_re后进行电流斩波控制方式的斩波过程。

在A相的相电流I_A大于SRG的相电流斩波限值I_re时，数字控制器输出“0”信号，进而A相对应的IGBT驱动芯片的控制信号变为“0”，A相对应的两个绝缘栅双极型晶体管关断，此时A相对负载输出，绕组停止励磁并通过二极管续流，此时A相向负载输出的电流I_gA等于A相的相电流I_A，近似为SRG的相电流斩波限值I_re。

在A相的相电流I_A小于SRG的相电流斩波限值I_re时，数字控制器输出“1”信号，进而A相对应的IGBT驱动芯片的控制信号变为“1”，A相对应的两个绝缘栅双极型晶体管导通，A相处于励磁阶段，对负载无输出，即励磁电压U_s向绕组供电，此时A相向负载输出的电流I_gA为0。

步骤S4.2：根据每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管的关断或导通，每个需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升或下降，具体为：

当含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断时，含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行下降，即A相的相电流I_A进行下降。

当含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行导通时，含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升，即A相的相电流I_A进行上升。

步骤S4.3：重复步骤S4.1-步骤S4.2，使得相电流I_phase在电流斩波上阈值I_H和下阈值I_L之间反复上升和下降，直至具有固定频率的电流纹波位于关断角θ_off位置处，进而可以得到具有固定频率的电流纹波，其中具有固定频率的电流纹波可以参考图3(a)所示。

具体地讲，由于电流斩波控制方式在实现电流斩波的过程中，相电流I_phase到达电流斩波上阈值I_H则下降，到达下阈值I_L则上升，这样有规律的电流波形使得在电流斩波段，即在相电流I_phase首次大于SRG的相电流斩波限值I_re位置θ_s到关断角θ_off位置之间，相电流I_phase有着较为固定的频率，通过该频率可以将所需要发送的信号数据进行调制，使得信号数据以斩波纹波的形式体现在SRG输出电压U_g中，实现信号在SRG中的调制。

在本实施例中，具有固定频率的电流纹波位于关断角位置的判断，具体为：

在SRG系统中设置有开通角θ_on和关断角θ_off，在SRG系统中转子位置达到开通角θ_on时，由数字控制器发送控制信号至所选相对应的绝缘栅双极型晶体管中，控制所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行导通。

在SRG系统中转子位置达到关断角θ_off时，由数字控制器发送控制信号至所选相对应的绝缘栅双极型晶体管中，控制所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断。

其中所选相的相电流的斩波过程从相电流I_phase首次大于SRG的相电流斩波限值I_re位置θ_s处开始，且相电流I_phase首次大于SRG的相电流斩波限值I_re位置θ_s位于开通角θ_on之后，其中相电流I_phase首次大于SRG的相电流斩波限值I_re位置θ_s即为开始斩波的位置。由于SRG系统中转子位置信号的优先级高于电流斩波的优先级，从而当SRG系统中转子位置达到关断角θ_off时，所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断，此时电流斩波信号无法作用，电流斩波过程结束。

当SRG系统中转子位置达到关断角θ_off时，A相的相电流I_A小于SRG的相电流斩波限值I_re并持续下降至0，此时所选相对应的绝缘栅双极型晶体管持续关断，A相向负载输出的电流I_gA等于A相的相电流I_A。一个周期的A相向负载输出的电流I_gA波形如图3(b)所示。

值得注意的是，在无信号数据传输时，SRG系统中的关断角θ_off保持不变，而在有信号数据传输时，SRG系统中各相关断角θ_off的位置将需要进行后移。在本实施例中，在有信号数据传输时，SRG系统中各相关断角θ_off的位置将后移15％—20％。

步骤S4.4：根据步骤S4.3中得到的具有固定频率的电流纹波，需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中的输出电压U_g在输出电容C_o的作用下进行上升和下降，从而可以使得每个需要发送的信号数据均以SRG输出电压U_g上产生的固定频率的电压纹波进行表示。

由于SRG系统的输出电容C_o的作用，输出电压U_g在A相向负载输出的电流I_gA为0时缓慢下降，并在A相向负载输出的电流I_gA不为0时缓慢上升，形成频率与A相的相电流I_A斩波过程频率一致的电压纹波，即可以用该频率的纹波表示信号数据Data，实现信号的调制。其中一个周期的输出电压U_g波形如图3(c)所示。

也就是说，在A相处于励磁阶段时，输出电压U_g在A相向负载输出的电流I_gA为0，因此输出电压U_g在输出电容C_o的作用下缓慢下降，A相进入续流阶段时，输出电压U_g在输出电容C_o的作用下缓慢上升，重复该过程，即可在输出电压U_g上产生固定频率的电压纹波，进而可以用该频率的纹波表示发送信号的过程。

步骤S5：通过步骤S4.4中具有固定频率的电压纹波，获取每个需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体如下：

步骤S5.1：根据具有固定频率的电压纹波中，确定出每个需要发送的信号数据对应的励磁电压。在本实施例中，励磁电压的求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间。

步骤S5.2：根据需要发送的信号数据对应的绕组磁链的求取公式，将励磁电压的求取公式进行转换。在本实施例中，转换后的励磁电压求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间。

具体地讲，需要发送的信号数据对应的绕组磁链的求取公式。具体为：

ψ＝Li

其中：ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感。

步骤S5.3：根据转换后的励磁电压求取公式，可以得到励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻。

步骤S5.4：参考图4和图5，将图4中的部分斩波电流放大如图5所示，斩波电流的上升过程为SRG系统的励磁阶段，下降过程为SRG系统的发电阶段，在斩波电流的一个周期时间T内的电感可以近似看做不变，因此电流上升时间与下降时间也可以视为相等。从而根据需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，获取斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δt为半个斩波电流的周期时间。

在本实施例中，半个斩波电流的周期时间Δt，具体为：

Δt＝T/2

其中：Δt为半个斩波电流的周期时间，T为斩波电流的一个周期时间。

步骤S5.5：将步骤S5.3中励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量和步骤S5.4中斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量均代入电流斩波频率的求取公式中，从而得到需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体为：

其中：f为需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻。

在本实施例中，电流斩波频率的求取公式具体为：

其中：f为需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，Δt为半个斩波电流的周期时间，T为斩波电流的一个周期时间。

从需要发送的信号数据对应的电流斩波频率的求取公式中，可以看出，需要发送的信号数据对应的电流斩波频率f与需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流i，以及需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值Δi均有关，因此在保持需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流i不变得情况下，分别采用不同的斩波电流纹波幅值Δi用以在输出电压U_g上产生不同频率的电压纹波，进而实现对信号数据的调制，如图6所示。

参考图7，在发送信号“1”时，斩波电流纹波幅值为Δi₁，在发送信号“1”时，斩波电流纹波幅值为Δi₀。两种斩波电流纹波幅值分别产生频率为f₁和f₀的电流纹波，并在输出电压U_g上以对应频率的电压纹波表现出来。

在本实施例中，采用的信号调制方式是以不同频率来表示不同信号的传输，因此在输出电压的解调中，采用FFT进行信号的解调与提取。参考图8，图8(a)为所需要发送的信号数据，在经过电流斩波控制方式斩波调制后，SRG输出电压交流分量U_gAC如图8(b)所示，其中在发送信号“1”和发送信号“0”时的纹波频率不同，且根据步骤S5.5中的需要发送的信号数据对应的电流斩波频率的求取公式，可以得出：在发送信号“1”时的频率较高。因此在同样的窗口长度T_s中，频率较高的信号“1”的电压纹波分量U_gAC有更多的电压纹波，因此在利用FFT解调时可以得到更大的幅值，其中FFT1和FFT0为解调信号“1”和信号“0”的波形，如图8(c)所示。为了增加解调波形的幅值，增加解调的可靠性，将FFT1和FFT0做差，即ΔFFT＝FFT1-FFT0。为了避免信号的干扰，减小信号解调的误码率，在解调中设置了两个阈值，分别为解调上阈值X_H和解调下阈值X_L，如图8(d)所示，在ΔFFT大于解调上阈值X_H时输出1，而在小于解调下阈值X_L时输出0，解调出的信号波形如图8(e)所示。在解调过程中的窗口长度为T_s，解调信号的延迟为T_delay，且该延迟与窗口长度T_s成正比，但过小的窗口长度会导致解调幅值过小，影响解调效果。

下面对本实施例中提供的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，进行可行性验证，具体如下：

为了验证利用电流斩波控制方式实现信号在电力线中调制的可行性，在Matlab中进行该方式的仿真验证。在仿真中以SRG系统为主体，相关的具体参数设置如表1所示，表1具体为：

表1 SRG系统参数

参考图9，在图9(b)中，传输信号“0”时，电流斩波限值I_re设置为5A，且斩波电流纹波幅值Δi₀为0.4A，即相电流在小于4.8A时上升，大于5.2A时下降。在传输信号“1”时与传输信号“0”时相似，斩波电流纹波幅值Δi₁为为0.2A，根据需要发送的信号数据对应的电流斩波频率的求取公式，算出对应的纹波频率f分别为5kHz、10kHz。由于相电流的斩波作用，A、B相的输出电流I_gA、I_gB出现相同频率的脉冲。

参考图10和图11，在SRG转速为1200rpm时，输出电压U_g的换相纹波频率为480Hz，从图10(g)中可以看出，在信号频率为240Hz时，信号“1”与信号“0”对应的纹波在换相纹波上依次出现，实现了信号的调制。

为了滤去输出电压直流分量并削弱与所传输信号无关的频率，在SRG输出侧采用RC滤波电路进行滤波处理。由于所传输的信号频率f₁、f₀分别为10kHZ、5kHz，RC高通滤波电路的截止频率选取为2kHz，低通滤波电路截止频率选取为20kH，滤波后的电压交流分量U_gAC如图11(c)所示。

参考图12，在对输出电压U_g滤波处理之后，利用FFT进行所需传输信号的解调。图12(c)为对信号“1”的解调，当信号“1”传输时，由于滤波后的电压交流分量U_gAC所含有的频率为f₁的纹波远大于频率为f₀的纹波，因此在FFT计算之后可以得到明显较大的值。在图12(d)中在传输信号“0”时，FFT计算得到的值明显较大。为了充分利用信号“1”与“0”的解调数据FFT1、FFT0，并为了增加解调数据的值，减小误码率，本实施例中，将FFT1、FFT0做差，得到ΔFFT再进行阈值处理，如图12(e)所示。

在阈值处理中设置上下两个阈值，分别为解调上阈值X_H和解调下阈值X_L，其值分别为-1、-2。当ΔFFT大于X_H时，解调输出“1”，当ΔFFT小于X_L时，解调输出“0”，解调波形如图12(f)所示。信号传输存在一定的延迟时间T_delay，如图12所示，该时间与窗口长度T_s、FFT计算时间成正比，并与解调时阈值位置设置相关。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，所述数据调制方法具体包括如下步骤：

S1：在含有SRG的直流微网系统的数据调制端的数字控制器中，设定SRG的相电流斩波限值；

S2：根据所述SRG的相电流斩波限值，确定出电流斩波上阈值和电流斩波下阈值的取值范围；

S3：根据所述电流斩波上阈值和电流斩波下阈值的取值范围，对每个所述需要发送的信号数据设置不同的电流斩波上阈值和电流斩波下阈值；

S4：将每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据所述比较结果，得到具有固定频率的电压纹波；

S5：通过所述具有固定频率的电压纹波，获取每个所述需要发送的信号数据对应的电流斩波频率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，所述SRG的相电流斩波限值在含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流峰值的50％—65％范围内。

3.根据权利要求1所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，所述SRG的相电流斩波限值与电流斩波上下阈值满足如下关系式，具体为：

其中：I_re为SRG的相电流斩波限值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值。

4.根据权利要求1所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，每个需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值在SRG的相电流斩波限值的5％—15％范围内，每个所述需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，具体为：

Δi＝I_H-I_L

其中：Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为需要发送的信号数据对应的电流斩波的上阈值，I_L为需要发送的信号数据对应的电流斩波的下阈值。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，得到所述具有固定频率的电压纹波，具体如下：

S4.1：将每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小和对应的电流斩波上下阈值大小进行比较，并根据所述比较结果，对每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断或导通；

S4.2：根据每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管的关断或导通，每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升或下降；

S4.3：重复步骤S4.1-步骤S4.2，使得所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流在电流斩波上下阈值之间反复上升和下降，直至所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处，得到所述具有固定频率的电流纹波；

S4.4：根据所述具有固定频率的电流纹波，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中的输出电压在输出电容的作用下进行上升和下降，并在所述输出电压上产生具有固定频率的电压纹波。

6.根据权利要求4所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述步骤S4.1中，对每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断或导通，具体为：

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小上升至对应的电流斩波的上阈值时，所述数字控制器输出“0”信号，并通过含有SRG的直流微网系统中所选相的两个IGBT驱动芯片控制所选相对应的缘栅双极型晶体管进行关断；

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流大小下降至对应的电流斩波的下阈值时，所述数字控制器输出“1”信号，并通过所述含有SRG的直流微网系统中所选相的两个IGBT驱动芯片控制所选相对应的缘栅双极型晶体管进行导通。

7.根据权利要求4所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述步骤S4.2中，每个所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升或下降，具体为：

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断时，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行下降；

当所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行导通时，所述需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流进行上升。

8.根据权利要求4所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述步骤S4.3中，所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处的判断，具体为：

在所述SRG系统中转子位置信号的优先级高于电流斩波的优先级，同时所选相的相电流首次大于SRG的相电流斩波限值位置位于SRG系统中的开通角之后，当所述SRG系统中转子位置达到SRG系统中的关断角时，所选相对应的绝缘栅双极型晶体管进行关断，电流斩波过程结束，即当所述SRG系统中转子位置达到SRG系统中的关断角时，所述具有固定频率的电流纹波位于关断角位置处。

9.根据权利要求8所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述需要发送的信号数据进行传输的过程中，所述SRG系统中的关断角位置后移15％—20％。

10.根据权利要求4所述的一种适用于SRG直流微网电力线数据通信的数据调制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，获取每个所述需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体如下：

S5.1：通过所述具有固定频率的电压纹波，确定出每个所述需要发送的信号数据对应的励磁电压，所述励磁电压的求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间；

S5.2：根据所述需要发送的信号数据对应的绕组磁链的求取公式，将所述励磁电压的求取公式进行转换，所述转换后的励磁电压求取公式具体为：

其中：U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间；

S5.3：根据所述转换后的励磁电压求取公式，获取励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，t为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转动时间，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻；

S5.4：根据需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，获取斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量，具体为：

其中：

为需要发送的信号数据对应的电流变化量，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δt为半个斩波电流的周期时间；

S5.5：将所述励磁电压对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量和斩波电流纹波幅值对应的需要发送的信号数据对应的电流变化量均代入电流斩波频率的求取公式中，得到需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，具体为：

其中：f为需要发送的信号数据对应的电流斩波频率，I_H为电流斩波的上阈值，I_L为电流斩波的下阈值，Δi为需要发送的信号数据对应的斩波电流纹波幅值，U_s为需要发送的信号数据对应的励磁电压，ω_r为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的转速，ψ为需要发送的信号数据对应的绕组磁链，θ为需要发送的信号数据对应的SRG系统中转子的位置角，i为需要发送的信号数据对应的含有SRG的直流微网系统中所选相的相电流，L为需要发送的信号数据对应的相绕组电感，R为需要发送的信号数据对应的绕组电阻。

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