CN114895737A - 基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统及补偿方法，该远端电压实时补偿系统包括设置在供电线缆供电端的开关电路、PWM发生器、与PWM发生器输出端相连的驱动电路、开关S、电压控制环路、采样和数据处理模块及电流控制环路，所述采样和数据处理模块用于供电线缆阻抗检测，并提供电流检测环路需要的参考电流；所述电压控制环路用于在系统启动阶段对电源输出电压进行调节，所述电流控制环路根据采样和数据处理模块得到的线缆阻抗参数和参考电流对线缆电流进行调节，本发明还提供一种基于所述远端电压实时补偿系统的补偿方法。本发明能够实现线缆远端负载电压的精确、实时控制。

Description

基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统及补偿方法

技术领域

本发明涉及线缆阻抗检测技术领域，特别涉及一种基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统、补偿方法。

背景技术

在电源输出线缆拉远场景中，用于远距离输电的线缆具有较大电阻和自感，因此电源的远端负载电压会小于电源的实际输出电压。尤其是低压大电流应用场合，线缆电阻造成的压降也较大。另外，远端负载发生动态变化时，也会导致远端电压大范围变化，甚至超出负载允许的电压范围。为防止负载欠压，保证远端电压不超出负载允许的电压范围，拉远线缆往往需要使用粗线缆降低线路阻抗减小远端电压变化范围或外加线缆监测负载端电压，付出较大的成本代价。

发明内容

针对远端电压大范围变化超出负载允许的电压范围的问题，本发明的主要目的在于提出一种基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统及补偿方法，旨在实现对线缆远端负载电压的精确控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统，包括设置在供电线缆供电端的开关电路、PWM发生器、与PWM发生器输出端相连的驱动电路、开关S、电压控制环路、采样和数据处理模块及电流控制环路，其中，

所述开关S的一端与PWM发生器的输入端相连，另一端设有两个选择端，第一选择端与电压控制环路的输出端相连，第二选择端与电流控制环路的输出端相连，

所述开关电路用于提供电压源电源输出电压电源输出电压和输出电流，所述驱动电路用于驱动所述开关电路，所述电压控制环路输入端与开关电路的输出端相连，所述电流控制环路的输入端与采样和数据处理模块输出端相连，所述采样和数据处理模块的输入端与开关电路的输出端相连，

所述采样和数据处理模块用于供电线缆阻抗检测，并提供电流检测环路需要的参考电流；

所述电压控制环路用于在系统启动阶段对电压源电源电源输出电压进行调节，所述电流控制环路根据采样和数据处理模块得到的线缆阻抗参数和参考电流后对线缆电流(即电源输出电流)进行调节。

本发明进一步的技术方案是，所述电压控制环路包括第一运放，所述第一运放的第一输入端输入电源输出电压，所述第一运放的第二输入端输入参考电压，所述第一运放的输出端与开关S的第一选择端相连。

所述采样和数据处理模块包括滤波单元、数字控制器，所述数字控制器包括总电阻计算模块、供电线缆阻抗参数计算模块、负载电阻计算模块、采样与保持模块和参考电流计算模块，其中，

所述滤波单元用于对开关电路的输出电压和输出电流采集并滤波；

所述总电阻计算模块用于根据滤波后的输出电压和输出电流计算总电阻，所述总电阻为线缆电阻与负载电阻之和；

所述供电线缆阻抗参数计算模块用于获取线缆电阻值和线缆自感值；

所述负载电阻计算模块用于根据总电阻与线缆电阻值获取供电线缆末端的负载电阻值；

所述采样与保持模块用于采样和保持当前得到的参数值；

所述参考电流计算模块用于根据参考电压和负载电阻值获取参考电流。

本发明进一步的技术方案是，所述电流控制环路包括第二运放，所述第二运放的第一输入端输入电源输出电流，所述第二运放的第二输入端输入参考电流，所述第二运放的输出端与开关S的第二选择端相连。

本发明还提供了一种基于基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统的补偿方法，包括如下步骤：

S1：闭合开关S的第一选择端，连通电压控制环路，将负载端期望电压V_{load_expected}设置为参考电压，对电源的输出电压v_o进行调节，从而建立电源输出电压和电流；

S2：实施第一次线缆阻抗参数检测和计算工作：对电源输出端电压v_o和电流i_o进行采样、计时与计算，得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c；

S3：对电源输出端电压v_o和电流i_o进行滤波并相除得到线缆电阻和负载电路的总阻值R_total；

S4：根据R_load＝R_total-R_c，得到当前负载电阻值R_load；

S5：采样和保持当前得到的参数值；

S6：根据I_{ref_correct}＝V_{load_expected}/R_load，将I_{ref_correct}设置为电流控制环路的参考电流；

S7：闭合开关S的第二选择端，连通电流控制环路，对线缆电流i_o进行调节，通过调节线缆电流实现供电线缆压降的实时补偿。

本发明进一步的技术方案是，还包括步骤S8：在电流控制环路正常工作过程中，每隔1/f_correct周期，重新实施S2～S7，得到矫正后的线缆参数值和负载电阻值，并更新线缆电流的参考量，其中，f_correct为线缆参数检测频率。

本发明进一步的技术方案是，步骤S2中，所述线缆阻抗参数检测和计算的方法为：

电源开关周期1/f_s内任意三个时间点对线缆输入端电压v_o、线缆电流i_o做采样和计时，根据基尔霍夫电压定律，可以得到方程组：

其中，v_o1、i_o1、di_o1/dt、v_L1分别为开关周期内t1时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o2、i_o2、di_o2/dt、v_L2为开关周期内t2时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o3、i_o3、di_o3/dt、v_L3为开关周期内t3时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；R_c为线缆等效总电阻，L_c为线缆等效自感，

本例将传统开关电源输出侧原有的滤波电容挪至远端负载侧，在此基础上实施控制策略，在前端电源的开关周期内，由于负载端滤波电容的作用，负载端电压可视为恒定值，因此，有

v_L1＝v_L2＝v_L3 (2)

根据计算式(1)、(2)，可以得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c。

本发明基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统及补偿方法的有益效果是：

(1)仅通过改变原有的滤波电容位置便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，反馈环路在数字控制器中实现，逻辑简单，无需额外添加辅助器件，易于实现；

(2)能够实现仅在长线缆的输入端进行线缆阻抗检测；

(3)实现了线缆压降的实时补偿，可应对线缆参数随环境和寿命发生变化的影响；

(4)解决了远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载端电压，且对负载系统无任何冲击影响；

(5)可以应用于任意电源系统，不受负载系统的电路参数和结构制约，具有普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是传统的电源输出线缆拉远供电系统结构示意图；

图2为本发明补偿系统结构示意图；

图3为本发明补偿方法流程图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

传统的电源输出线缆拉远供电系统示意图如图1所示，整个系统由开关电路、开关电路输出端的滤波电容C_f、线缆等效总电阻R_c、线缆等效自感L_c、和负载R_load组成，其中电源由开关电路和输出LC滤波器组成。图中，v_o为电源输出电压(即线缆输入电压)，v_Load为负载端电压(即线缆输出电压)，i_o为线缆流经的电流，L_f为电源输出滤波电感，C_f为电源输出滤波电容。

如图2所示，为了对远距离线缆电阻造成的压降进行补偿，实现对线缆末端电压精确调节，本发明将电源的输出侧滤波电容移至负载端，通过检测电源输出端电压、线缆电流计算得到线缆的电阻和电感参数，从而对线缆压降进行补偿，本发明仅仅移动了滤波电容的位置，并在此电路基础上设计的控制策略能够有效地实现远端负载电压的精确控制。

本例的基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统包括设置在供电线缆供电端的开关电路，由供电端移动到供电线缆远端与负载并联的辅助电容，还包括PWM发生器、与PWM发生器输出端相连的驱动电路、开关S、电压控制环路、采样和数据处理模块及电流控制环路，其中，

所述开关S的一端与PWM发生器的输入端相连，另一端设有两个选择端A和B，第一选择端A与电压控制环路的输出端相连，第二选择端B与电流控制环路的输出端相连，

所述开关电路用于提供电源输出电压和输出电流，所述驱动电路用于驱动所述开关电路，所述电压控制环路输入端与开关电路的输出端相连，所述电流控制环路的输入端与采样和数据处理模块输出端相连，所述采样和数据处理模块的输入端与开关电路的输出端相连，

所述采样和数据处理模块用于供电线缆阻抗检测，并提供电流检测环路需要的参考电流；

所述电压控制环路用于在系统启动阶段对电源输出电压进行调节，所述电流控制环路根据采样和数据处理模块得到的线缆阻抗参数和参考电流后对线缆电流进行调节。

具体地，本例的所述电压控制环路包括第一运放，所述第一运放的第一输入端输入电源输出电压，所述第一运放的第二输入端输入参考电压，所述第一运放的输出端与开关S的第一选择端相连。

本例采样和数据处理模块包括滤波单元、数字控制器，所述数字控制器包括总电阻计算模块、供电线缆阻抗参数计算模块、负载电阻计算模块、采样与保持模块和参考电流计算模块，其中，

所述滤波单元用于对开关电路的输出电压和输出电流采集并滤波；

所述总电阻计算模块用于根据滤波后的输出电压和输出电流计算总电阻，所述总电阻为线缆电阻与负载电阻之和；

所述供电线缆阻抗参数计算模块用于获取线缆电阻值和线缆自感值；

所述负载电阻计算模块用于根据总电阻与线缆电阻值获取供电线缆末端的负载电阻值；

所述采样与保持模块用于采样和保持当前得到的参数值；

所述参考电流计算模块用于根据参考电压和负载电阻值获取参考电流。

本例电流控制环路包括第二运放，所述第二运放的第一输入端输入电源输出电流，所述第二运放的第二输入端输入参考电流，所述第二运放的输出端与开关S的第二选择端B相连。

本例负载阻值R_load、线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c未知，设电源开关频率为f_s，线缆参数检测频率为f_correct，且f_correct<f_s。本发明补偿系统的详细工作流程如下：

首先，将传统电源的输出滤波电容C_f移至负载端。然后拨动开关S至A端，启动电路，进入电压控制环路，将负载端期望电压V_{load_expected}设置为参考电压，对电源的输出电压v_o进行调节。电源输出电压建立后，实施第一次线缆阻抗参数检测和计算相关工作，得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c，同时对v_o和i_o进行滤波并相除得到线缆电阻和负载电路的总阻值R_total(即

分别为v_o和i_o滤波后得到的平均值)，根据R_load＝R_total-R_c，可以得到此时负载电阻值R_load。采样和保持当前得到的参数值，并根据I_{ref_correct}＝V_{load_expected}/R_load，将I_{ref_correct}设置为参考电流，拨动开关S至B端，进入电流控制环路，对线缆电流i_o进行调节。最后在电流控制环路正常工作过程中，每隔1/f_correct周期，重新进行检测和计算，并矫正线缆参数值和负载电阻值，并更新线缆电流的参考量，实现对负载端电压的实时、精确调节。

本例线缆阻抗参数检测和计算的工作原理如下：

电源开关周期1/f_s内任意三个时间点对线缆输入端电压v_o、线缆电流i_o做采样和计时，根据基尔霍夫电压定律，可以得到方程组：

其中v_o1、i_o1、di_o1/dt、v_L1分别为开关周期内某t1时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o2、i_o2、di_o2/dt、v_L2为开关周期内某t2时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o3、i_o3、di_o3/dt、v_L3为开关周期内某t3时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；R_c为线缆等效总电阻，L_c为线缆等效自感。

传统电源在选取滤波电容时，要求C_f能够满足输出电压纹波在指标范围内，此条件下，电源输出电压在开关周期内可视为稳定的常数。同理，由于要为负载提供稳定准确的电压值，根据期望电压及其纹波要求选取C_f值，因此在前端电源的开关周期内，负载端电压可视为恒定值。因此，有

v_L1＝v_L2＝v_L3 (2)

联立(1)、(2)，可以求解得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c。

如图3所示，本发明根据所述基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统的补偿方法的具体步骤包括：

Step1：拨动开关S至A端，启动电路，进入电压控制环路，将负载端期望电压V_{load_expected}设置为参考电压，对电源的输出电压v_o进行调节，从而建立电源输出电压和电流；

Step2：实施第一次线缆阻抗参数检测和计算工作：对电源输出端v_o和i_o进行采样、计时与计算，得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c；

Step3：对电源输出端电压v_o和电流i_o进行滤波并相除得到线缆电阻和负载电路的总阻值R_total；

Step4：根据R_load＝R_total-R_c，得到此时负载电阻值R_load；

Step5：采样和保持当前得到的参数值；

Step6：根据I_{ref_correct}＝V_{load_expected}/R_load，将I_{ref_correct}设置为电流控制环路的参考电流；

Step7：拨动开关S至B端，连通电流控制环路，对线缆电流i_o进行调节，通过调节线缆电流实现供电线缆压降的实时补偿；

Step8：在电流控制环路正常工作过程中，每隔1/f_correct周期，重新实施Step2～Step7，得到矫正后的线缆参数值和负载电阻值，并更新线缆电流的参考量。

本发明基于线缆阻抗检的远端电压实时补偿，能够根据供电线缆的末端负载值进行电流和电压调整，从而可以实现对线缆末端电压的远端精确控制，具有以下有益效果：

(1)仅通过改变原有的滤波电容位置便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，反馈环路在数字控制器中实现，逻辑简单，无需额外添加辅助器件，易于实现；

(2)能够实现仅在长线缆的输入端进行线缆阻抗检测；

(3)实现了线缆压降的实时补偿，可应对线缆参数随环境和寿命发生变化的影响；

(4)解决了远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载端电压，且对负载系统无任何冲击影响；

(5)可以应用于任意电源系统，不受负载系统的电路参数和结构制约，具有普适性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统，其特征在于：包括设置在供电线缆供电端的开关电路、PWM发生器、与PWM发生器输出端相连的驱动电路、开关S、电压控制环路、采样和数据处理模块及电流控制环路，其中，

所述开关S的一端与PWM发生器的输入端相连，另一端设有两个选择端，第一选择端与电压控制环路的输出端相连，第二选择端与电流控制环路的输出端相连，

所述开关电路用于提供电源输出电压和输出电流，所述驱动电路用于驱动所述开关电路，所述电压控制环路输入端与开关电路的输出端相连，所述电流控制环路的输入端与采样和数据处理模块输出端相连，所述采样和数据处理模块的输入端与开关电路的输出端相连，

所述采样和数据处理模块用于供电线缆阻抗检测，并提供电流检测环路需要的参考电流；

所述电压控制环路用于在系统启动阶段对电源输出电压进行调节，所述电流控制环路根据采样和数据处理模块得到的线缆阻抗参数和参考电流对线缆电流进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统，其特征在于：所述电压控制环路包括第一运放，所述第一运放的第一输入端输入电源输出电压，所述第一运放的第二输入端输入参考电压，所述第一运放的输出端与开关S的第一选择端相连。

3.根据权利要求2所述的基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统，其特征在于：所述采样和数据处理模块包括滤波单元、数字控制器，所述数字控制器包括总电阻计算模块、供电线缆阻抗参数计算模块、负载电阻计算模块、采样与保持模块和参考电流计算模块，其中，

所述滤波单元用于对开关电路的输出电压和输出电流采集并滤波；

所述总电阻计算模块用于根据滤波后的输出电压和输出电流计算总电阻，所述总电阻为线缆电阻与负载电阻之和；

所述供电线缆阻抗参数计算模块用于获取线缆电阻值和线缆自感值；

所述负载电阻计算模块用于根据总电阻与线缆电阻值获取供电线缆末端的负载电阻值；

所述采样与保持模块用于采样和保持当前得到的参数值；

所述参考电流计算模块用于根据参考电压和负载电阻值获取参考电流。

4.根据权利要求3所述的基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统，其特征在于：所述电流控制环路包括第二运放，所述第二运放的第一输入端输入电源输出电流，所述第二运放的第二输入端输入参考电流，所述第二运放的输出端与开关S的第二选择端相连。

5.一种补偿方法，基于权利要求1-4任一项所述的基于供电线缆阻抗检测的远端电压实时补偿系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1：闭合开关S的第一选择端，连通电压控制环路，将负载端期望电压V_{load_expected}设置为参考电压，对电源的输出电压v_o进行调节，从而建立电源输出电压和电流；

S2：实施第一次线缆阻抗参数检测和计算工作：对电源输出端电压v_o和电流i_o进行采样、计时与计算，得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c；

S3：对电源输出端电压v_o和电流i_o进行滤波并相除得到线缆电阻和负载电路的总阻值R_total；

S4：根据R_load＝R_total-R_c，得到当前负载电阻值R_load；

S5：采样和保持当前得到的参数值；

S6：根据I_{ref_correct}＝V_{load_expected}/R_load，将I_{ref_correct}设置为电流控制环路的参考电流；

S7：闭合开关S的第二选择端，连通电流控制环路，对线缆电流i_o进行调节，通过调节线缆电流实现供电线缆压降的实时补偿。

6.根据权利要求5所述的补偿方法，其特征在于，还包括步骤S8：在电流控制环路正常工作过程中，每隔1/f_correct周期，重新实施S2～S7，得到矫正后的线缆参数值和负载电阻值，并更新线缆电流的参考量，其中，f_correct为线缆参数检测频率。

7.根据权利要求5或6所述的补偿方法，其特征在于：步骤S2中，所述线缆阻抗参数检测和计算的方法为：

电源开关周期1/f_s内任意三个时间点对线缆输入端电压v_o、线缆电流i_o做采样和计时，根据基尔霍夫电压定律，可以得到方程组：

其中，v_o1、i_o1、di_o1/dt、v_L1分别为开关周期内t1时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o2、i_o2、di_o2/dt、v_L2为开关周期内t2时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；v_o3、i_o3、di_o3/dt、v_L3为开关周期内t3时间点处的线缆输出电压、线缆电流、电流变化率和负载电压；R_c为线缆等效总电阻，L_c为线缆等效自感，

在前端电源的开关周期内，由于负载端滤波电容的作用，负载端电压可视为恒定值，因此，有

v_L1＝v_L2＝v_L3 (2)

根据计算式(1)、(2)，可以得到线缆电阻值R_c和线缆自感值L_c。

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