CN119134361B - 一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法 - Google Patents

一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法

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Abstract

本发明公开了一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，包括如下步骤：1)将电力电子变压器与用户端相连；并设置电力线通信装置PLC1和PLC2；2)通过PLC1测量电压u2，PLC2测量电压u1，计算得电力线缆的电流值i0；3)设置用户端负载电压控制环路PI1，线缆电流控制环路PI2，用户端负载电压辅助控制环路PI3；4)当u2＜u2*时，控制环路PI1稳定用户端电压u1；当u2≥u2*时，控制电压稳定在u2*；当i0≥id时，PI2与PI1结合，稳定用户端电压u1。本发明能够有效提高用户端电压的稳定性，提升电能传输效率，并且大大降低线缆的体积和重量，并降低供电成本。

Description

一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种基于用户端电压精准测量电力线通信远距离信息回传的便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法。
背景技术
在自然灾害抢险救灾、应急通信、野外军事活动、野外作业、野外露营等野外活动中大量采用低压(220V/380V)远距离供电模式进行供电保障。然而，220V/380V低压配电半径一般只有几百米，无法满足野外远距离供电需求，低压远距离电能输送存在压降大、电能损耗大、输送效率低、电缆发热严重、负载端电压过低导致用电设备工作不稳定、性能下降、受损甚至烧毁等问题。解决野外低压远距离电能输送问题迫在眉睫。
当前，解决低压远距离电能输送问题的主要技术路线有三种，一是采用加粗电缆降低电缆电阻，从而实现降低压降、减小损耗的目的。该方法在一定输送距离和功率内可以解决电能输送压降大、损耗大等问题，方法简单。但是，该方法在野外使用成本高，体积、重量大，电缆野外运输、携行、铺设工作难度大。
二是采用区间变电的方法，先在电源端采用升压变压器将输送电压升高，高电压输电可以减少能量损耗，在用户端采用降压变压器将电压降为220V/380V低压给用户供电。该方法能有效减小电缆电能损耗，用户端电压稳定等特点。但是，该方法在野外条件下使用具有系统结构复杂，成本费用高、升降压变压器体积重量大，运输、携行、使用安装不方便等问题，适用性差。
三是在用户端采用电缆压降补偿的方法。采用变压器绕组升压补偿电缆压降或稳压电源实现用户端稳压，该方法使用较多。但是，该方法存在电缆损耗大、电能传输功率低、线圈体积重量大，不能精准稳定输出等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决远端用电稳定性差，电耗大，线缆体积和重量大、成本高的问题，提供一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，能够有效提高用户端电压的稳定性，提升电能传输效率，并且大大降低线缆的体积和重量，并降低供电成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将电力电子变压器的输入端与供电线缆相连，输出端经电力线缆后与用户端相连；并在电力电子变压器的输出端和用户端的输入端分别设置电力线通信装置PLC1和PLC2；
2)通过PLC1测量电力电子变压器输出端电压u2，PLC2测量用户端电压u1，并将PLC2测量的电压值u1实时反馈到PLC1；数字控制器根据电力电子变压器输出端电压u2和用户端电压u1以及阻抗计算得电力线缆的电流值i0；
3)设置用户端负载电压控制环路PI1，通过设定电压参考值u2*和远距离末端用户侧电压值u1组成电压外环；设置线缆电流控制环路PI2，通过设定电流参考值id和电缆线路电流值i0组成电流内环；设置用户端负载电压辅助控制环路PI3，与用户端负载电压控制环路PI1并联，并能够通过转换开关进行切换；
4)读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0，通过与设定电压参考值u2*以及设定电流参考值id进行比较，当u2＜u2*时，采用PI闭环控制来调整电力电子变压器的输入端电压，通过用户端负载电压控制环路PI1稳定用户端电压u1；当u2≥u2*时，切换到用户端负载电压辅助控制环路PI3，控制电力电子变压器输出端的电压稳定在u2*；同时，当i0≥id时，线缆电流控制环路PI2与用户端负载电压控制环路PI1结合，稳定用户端电压u1。
进一步地，所述电力电子变压器包括数字控制器、AC/DC模块、DC/AC模块以及显示屏，所述电力线通信装置PLC1与数字控制器相连，以将检测到的电压值输送给数字控制器；
所述供电线缆包括三相供电线和零线，其中，AC/DC模块的各整流桥臂的中点与该零线相连，并在零线的前端与整流桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S1；DC/AC模块具有四条逆变桥臂，其中以逆变桥臂的中点与零线相连，在整流桥臂和零线的连接处与逆变桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S2；
所述数字控制器用于控制继电器开关S1或S2的通断。
进一步地，步骤4)中，具体过程如下：
S1：读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0；
S2：将读取的电压值u2和电流值i0与设定电压参考值u2*和电流参考值id进行比较；
S3：当u2＜u2*时，采用PI闭环控制算法调整PWM控制信号，使电力电子变压器的开关管的开通时间增加，从而升高电力电子变压器输出端电压值u2，直至稳定在参考值u2*；
S4：当u2≥u2*时，启动保护功能。
进一步地，所述显示屏为交互式显示屏，用于参数设定以及数据显示，并具有信号指示灯，以显示当前电压输出状态。
进一步地，还包括移动终端，能与电力电子变压器进行通信，以进行参数设定以及数据显示。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过控制电力电子变压器输出端的电压，实现用户端(远端)电压的控制，而非直接在远端用户端进行电压控制，能够有效提高用户端电压的稳定性，提升电能传输效率；并且，通过设置辅助控制环路，能够在极端情况下保护电力电子变压器设备。
2、以电力线通信装置实现电压电流测量，并实现测量值反馈，电力线与通信线共用，不需要重新布线，相比无线通信具有更远的传输距离和更快的传输速率、且成本低，具有体积小、重量轻的优点。
3、实现了电源端电压、负载端电压、电缆线电流测量与稳压补偿及保护功能在同一套硬件系统中的集成，在手机移动端也可以远程实现对电缆线路状态的监控。
附图说明
图1为本方案中硬件系统的结构示意图。
图2为电力电子变压器的电路结构图。
图3为本方案的控制原理图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1-图3，一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，包括如下步骤：
1)建立电力输送硬件系统，即：将电力电子变压器的输入端与供电线缆(电网或发电机组)相连，输出端经(长距离)电力线缆后与用户端相连。并在电力电子变压器的输出端和用户端的输入端分别设置电力线通信装置PLC1和PLC2；其中，电力线通信装置PLC1和PLC2通过电力线缆的载波通信的方式进行通信和数据传递，实现电力线与通信线共用，不需要重新布线，具有更远的传输距离和更快的传输速率、且成本低，具有体积小、重量轻的优点。
2)通过PLC1测量电力电子变压器输出端电压u2，PLC2测量用户端电压u1，并将PLC2测量的电压值u1实时反馈到PLC1；数字控制器根据电力电子变压器输出端电压u2和用户端电压u1以及阻抗计算得电力线缆的电流值i0；即i0＝(u2-u1)/Z，其中，Z为阻抗。
3)设置用户端负载电压控制环路PI1，通过设定电压参考值u2*和远距离末端用户侧电压值u1组成电压外环；设置线缆电流控制环路PI2，通过设定电流参考值id和电缆线路电流值i0组成电流内环；设置用户端负载电压辅助控制环路PI3，与用户端负载电压控制环路PI1并联，并能够通过转换开关进行切换。
4)读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0，通过与设定电压参考值u2*以及设定电流参考值id进行比较，当u2＜u2*时，采用PI闭环控制来调整电力电子变压器的输入端电压，通过用户端负载电压控制环路PI1稳定用户端电压u1；当u2≥u2*时，切换到用户端负载电压辅助控制环路PI3，控制电力电子变压器输出端的电压稳定在u2*，或者稳定输出u1到220V/380V；同时，当i0≥id时，加入电流外环控制，线缆电流控制环路PI2与用户端负载电压控制环路PI1结合，强制启动保护功能，稳定用户端电压u1。
其中，所述电力电子变压器包括数字控制器、AC/DC模块、DC/AC模块以及显示屏，所述电力线通信装置PLC1与数字控制器相连，以将检测到的电压值输送给数字控制器。实施时，电力电子变压器、电力线通信装置PLC1、(DSP)数字控制器、显示屏集成于一体。
所述显示屏为交互式显示屏，用于参数设定以及数据显示，并具有信号指示灯，以显示当前电压输出状态。还包括移动终端，能与电力电子变压器进行通信，以进行参数设定以及数据显示。工作过程中，系统的电压(u1)-时间(t)、电压(u2)-时间(t)、电流(i0)-时间(t)数据通过显示屏进行显示，也可以网络连接移动终端，如用户端的手机等，进行远程监控。正常模式下，显示屏绿色指示灯亮；保护模式下，显示屏的红色指示灯亮，在手机APP端即时显示，提示用户当前状态，并针对性地操作处置。
所述供电线缆包括三相供电线和零线，其中，AC/DC模块的各整流桥臂的中点与该零线相连，并在零线的前端与整流桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S1；DC/AC模块具有四条逆变桥臂，其中以逆变桥臂的中点与零线相连，在整流桥臂和零线的连接处与逆变桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S2。
继电器开关S1和S2由数字控制器通过封锁相应的功率器件和继电器实现不同电路控制策略切换。稳压/保护两种功能模式下，AC-DC始终为DC-AC提供稳定的直流电压，并完成功率因数校正，DC-AC在稳压功能时按照设定值控制和稳定用户侧电压，在保护功能时稳定自身输出电压。在三相四线输出时，由第四桥臂的中点引出得到零线n，电力电子变压器输出端能够承受较大的不平衡分量。S1、S2用于控制和改变电路拓扑结构，当S1断开时，输入为三相三线制式，当S1导通时，输入可以采用单相交流电输入或三相四线输入，提高了兼容能力。通过设置开关S2，能够实现兼容多制式输出。本方案先通过AC-DC把交流电转换为直流电，直流母线电压udc可达到500-1000V，DC-AC再把直流电变换为可控交流电，输出电压可根据设定实时调节，在长电缆应用场景下，通过调节DC-AC的输出电压，使其输出电缆上的损耗降低。
所述数字控制器用于控制继电器开关S1或S2的通断。
具体实施时，稳压运行时，PI1为远端负载电压控制环路，通过设定电压参考值u2*(220V/380V对应dq坐标变换的基准值)和远距离末端用户侧电压值u1组成电压外环；PI2为线缆电流控制环路，通过设定电流参考值id和电缆线路电流值i0组成电流内环。以上两个环路实现用户端电压稳定在220V/380V，并在电流过大时限定在最大值上，防止线缆电流超过可承受范围。一旦用户侧负载功率超限，将导致电力电子变压器输出端电压值u2超过预先设定的电力电子变压器电压值的上限u2*，此时自动切换到辅助控制回路，进入保护运行状态，PI1、PI3控制环路瞬态切换时，将以切换前对方的输出数值初始化切入的PI积分初值，防止发生瞬态跳变。
其中，数字控制器的具体控制过程如下：
S1：读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0；
S2：将读取的电压值u2和电流值i0与设定电压参考值u2*和电流参考值id进行比较；
S3：当u2＜u2*时，采用PI闭环控制算法调整PWM控制信号，使电力电子变压器开关管开通时间增加(即占空比PWM增加)，从而升高电力电子变压器输出端电压值u2，直至稳定在参考值u2*。这样，通过闭环控制稳定输出电压u1，使其电缆无论长度多长，都能闭环控制，保证负载端电压稳定在220V/380V。
S4：当u2≥u2*时，启动保护功能。为防止逆变器输出电压过高，设置了环路切换控制机制，当输出电压偏高时，就将u2稳定在u2*电压值上，防止逆变电压过高损坏DC-AC逆变器，适用于负载动态卸载时的过压保护。
具体地：数字控制器经过上电、系统初始化、定时器、AD采样、PWM、CAN通信等模块初始化、赋初始值后开始运行。一个运行周期里，运行至中断程序时，读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0。通过与设定电压参考值u2*以及设定电流参考值id进行比较，采用PI闭环控制算法调整PWM控制信号来调整并稳定用户侧电压。极端情况下若电力电子变压器输出端电压值u2超过预先设定的电力电子变压器电压值的上限u2*，保护程序启动，程序进行PI闭环控制算法稳定电力电子变压器输出端电压值u1，用软件的方法实现了电力电子变压器系统的保护。最后启动AD转换，一个周期内中断结束，进入主程序等待下一轮循环。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将电力电子变压器的输入端与供电线缆相连，输出端经电力线缆后与用户端相连；并在电力电子变压器的输出端和用户端的输入端分别设置电力线通信装置PLC1和PLC2；
2)通过PLC1测量电力电子变压器输出端电压u2，PLC2测量用户端电压u1，并将PLC2测量的电压值u1实时反馈到PLC1；数字控制器根据电力电子变压器输出端电压u2和用户端电压u1以及阻抗计算得电力线缆的电流值i0；
3)设置用户端负载电压控制环路PI1，通过设定电压参考值u2*和远距离末端用户侧电压值u1组成电压外环；设置线缆电流控制环路PI2，通过设定电流参考值id和电缆线路电流值i0组成电流内环；设置用户端负载电压辅助控制环路PI3，与用户端负载电压控制环路PI1并联，并能够通过转换开关进行切换；
4)读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0，通过与设定电压参考值u2*以及设定电流参考值id进行比较，当u2＜u2*时，采用PI闭环控制来调整电力电子变压器的输入端电压，通过用户端负载电压控制环路PI1稳定用户端电压u1；当u2≥u2*时，切换到用户端负载电压辅助控制环路PI3，控制电力电子变压器输出端的电压稳定在u2*；同时，当i0≥id时，线缆电流控制环路PI2与用户端负载电压控制环路PI1结合，稳定用户端电压u1。
2.根据权利要求1所述的一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电力电子变压器包括数字控制器、AC/DC模块、DC/AC模块以及显示屏，所述电力线通信装置PLC1与数字控制器相连，以将检测到的电压值输送给数字控制器；
所述供电线缆包括三相供电线和零线，其中，AC/DC模块的各整流桥臂的中点与该零线相连，并在零线的前端与整流桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S1；DC/AC模块具有四条逆变桥臂，其中以逆变桥臂的中点与零线相连，在整流桥臂和零线的连接处与逆变桥臂和零线的连接处之间设有继电器开关S2；
所述数字控制器用于控制继电器开关S1或S2的通断。
3.根据权利要求2所述的一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：步骤4)中，具体过程如下：
S1：读取当前电力电子变压器输出端电压值u2以及电缆线路电流值i0；
S2：将读取的电压值u2和电流值i0与设定电压参考值u2*和电流参考值id进行比较；
S3：当u2＜u2*时，采用PI闭环控制算法调整PWM控制信号，使电力电子变压器的开关管的开通时间增加，从而升高电力电子变压器输出端电压值u2，直至稳定在参考值u2*；
S4：当u2≥u2*时，启动保护功能。
4.根据权利要求2所述的一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述显示屏为交互式显示屏，用于参数设定以及数据显示，并具有信号指示灯，以显示当前电压输出状态。
5.根据权利要求4所述的一种便携式电源端稳压补偿电力电子变压器的控制方法，其特征在于：还包括移动终端，能与电力电子变压器进行通信，以进行参数设定以及数据显示。
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