CN111404580A - 一种基于ofdm的dc/dc变换器电力线功率信号复合传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，所述传输系统包括有功率电路、控制电路、电压传感器、电流传感器和驱动电路，所述功率电路通过电压传感器和电流传感器电性连接控制电路，所述控制电路通过驱动电路电性连接功率电路，所述电压传感器、电流传感器和驱动电路用于功率电路和控制电路之间实现电气隔离。本发明实现了将通讯功能嵌入到变换器系统中，无需架设耦合设备，不仅降低了系统的体积和运行成本，而且减少了电磁干扰问题，提高了系统的稳定性，并且实现了在单个变换器中调制多个信号，大大提升了系统频谱利用率和抗干扰能力，且易于识别和解调信号，具有能有效抑制码间干扰和载波间干扰的优势。

Description

一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统 及传输方法

技术领域

本发明涉及分布式发电系统技术领域，尤其涉及一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统及传输方法。

背景技术

近年来，电力电子设备被大量应用于分布式发电系统，虽然电网将这些设备的功率端组合在一起，使得系统安全可靠的运行，但并不能从根本上改变分布式发电在高渗透率情况下对电网各个设备的协调运作，也无法满足复杂的配电网络，因此难于实现可再生能源的最大化利用。只有实现可再生能源发电信息的共享，以信息流控制能量流，实现可再生能源所发电能的高效传输与共享，才能克服可再生能源不稳定的问题，实现可再生能源的真正有效利用。

随着能源互联网和新能源发电技术的发展，模块之间的信息交互在系统的可靠性和安全性方面起着越来越重要的作用。作为一种新型电力线载波通信技术，基于电力电子变换器的功率/信号复合传输得到了广泛的应用，展示出良好的发展前景。根据信号回路和功率回路的连接方式，基于变换器的电能和信号复合传输可以分为独立式通信和复合式通信。其中，独立式通信是通过假设专门的通信电缆实现信号传输，主要包括CAN总线通信、以太网通信和Zigbee通信等。虽然铺设独立信道可以提升信号的抗干扰能力，然而其高昂的成本和布线方式则不太适用于电路环境复杂的配电网络。复合式通信是将功率传输与信号传输整合起来，即在传输功率的同时实现信号的传输。电力线载波通信是利用已有的电力线路进行通讯的一种方式，该技术是把载有信息的高频电流通过电线传输，然后在通过接收端的适配器把信息从电流中分离出来以实现信息传递。该技术不需要架设额外的通信线路，从而大大简化了电力系统的布线，是一种十分经济的通信方式。然而传统的PLC通信只是利用功率线路作为通信线路，在调制和解调信号时仍然需要外加信号耦合设备，这不仅增加了系统的体积和运行成本，而且耦合设备所带来的电磁干扰问题也导致通信损耗较大。

发明内容

发明目的：针对现有电力变换器在并联情况下的功率信号复合传输方法，不仅系统频谱利用率和抗干扰能力弱，同时还不易于识别和解调信号的问题，本发明提出一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统及传输方法。

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：

一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，所述传输系统包括有功率电路、控制电路、电压传感器、电流传感器和驱动电路，所述功率电路通过电压传感器和电流传感器电性连接控制电路，所述控制电路通过驱动电路电性连接功率电路，所述电压传感器、电流传感器和驱动电路用于功率电路和控制电路之间实现电气隔离；

所述电压传感器用于对Buck电路输出端电压进行隔离和采样，并将采样后的信号输入到所述控制电路中；

所述电流传感器用于对Buck电路电感电流进行隔离和采样，并将采样后的信号输入到所述控制电路中；

所述驱动电路用于接收控制电路的脉冲信号，实现所述控制电路和功率变换器之间的电气隔离，并对主电路功率开关管的通断进行控制。

进一步地讲，所述功率电路包括有Buck电路、输入电压源、功率电阻和电力线，所述输入电压源电性连接Buck电路，所述Buck电路通过电压传感器和电流传感器电性连接控制电路，所述Buck电路电性连接电力线，同时所述Buck电路和功率电阻之间相互并联。

进一步地讲，所述控制电路包括有处理器、驱动电源、信号发生器和信号解调模块，所述信号发生器电性连接处理器，所述驱动电源电性连接驱动电路，所述驱动电路电性连接处理器和Buck电路，所述电力线通过功率电阻电性连接信号解调模块。

进一步地讲，所述信号发生器将不同频率的正弦载波合成为一个串行叠加信号并发送至处理器，所述正弦载波信号在码元周期内正交，且所述Buck电路所调制的信号的频带互不交叠。

进一步地讲，所述电压传感器的测量输出端和电流传感器的测量输出端均串联有一个可调变阻器，用于实现所述电压传感器输入输出的变化比和电流传感器输入输出的变化比。

一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，所述传输方法具体包括如下步骤：

S1：所述电压传感器对Buck电路的输出端电压进行采样，并将所述采样得到的输出端电压发送至处理器中，所述电流传感器对Buck电路的电感电流进行采样，并将所述采样得到的电感电流发送至处理器中；

S2：所述信号发生器向处理器发送需要传输的数字信号的模拟载波信号，所述处理器根据采样得到的输出端电压、采样得到的电感电流和需要传输的数字信号的模拟载波信号，输出控制脉冲序列，并将所述控制脉冲序列发送至驱动电路中；

S3：所述驱动电路根据控制脉冲序列，调节所述Buck电路的占空比信号，并将所述占空比信号加载在Buck电路的输出电压中，同时通过所述信号解调模块对功率电阻两端电压进行采样，并对所述采样得到的功率电阻两端电压进行FFT分析，获取需要传输的数字信号。

进一步地讲，在所述步骤S2中，输出所述控制脉冲序列，具体如下：

S2.1：处理器内部的采样模块对电压传感器采样得到的输出端电压、电流传感器采样得到的电感电流和信号发生器发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行采样；

S2.2：将所述电压传感器采样得到的输出端电压和信号发生器发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行比较做差，同时进行电压数字比例积分调节计算，获取所述电压数字比例积分调节计算结果；

S2.3：将所述电压数字比例积分调节计算结果和电流传感器采样得到的电感电流进行比较做差，同时进行电流数字比例积分调节计算，获取所述电流数字比例积分调节计算结果；

S2.4：处理器内部的脉冲模块根据所述电流数字比例积分调节计算结果，输出所述控制脉冲序列。

进一步地讲，所述电压传感器在将采样得到的输出端电压发送至处理器中之前，需要对所述采样得到的输出端电压进行滤波处理。

进一步地讲，所述信号发生器发送的最高频率不大于处理器采样频率的一半。

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：

本发明基于OFDM技术，实现了将通讯功能嵌入到变换器系统中，无需架设耦合设备，不仅降低了系统的体积和运行成本，而且减少了电磁干扰问题，提高了系统的稳定性，并且实现了在单个变换器中调制多个信号，大大提升了系统频谱利用率和抗干扰能力，且易于识别和解调信号，具有能有效抑制码间干扰和载波间干扰的优势。

附图说明

图1是本发明基于OFDM的并联Buck电路功率信号复合传输系统框图；

图2是本发明传输方法的流程示意图。

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，本实施例提供了一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，在本实施例中以并联Buck变换器电力线载波功率信号复合传输电路进行说明。该并联Buck变换器电力线载波功率信号复合传输电路包括有功率电路1、功率电路2、控制电路1、控制电路2、电压传感器H_v1、电压传感器H_v2、电流传感器H_c1、电流传感器H_c2、驱动电路D₁和驱动电路D₂。其中功率电路1通过电压传感器H_v1和电流传感器H_c1电性连接控制电路1，控制电路1通过驱动电路D₁电性连接功率电路1。同样地，功率电路2通过电压传感器H_v2和电流传感器H_c2电性连接控制电路2，控制电路2通过驱动电路D₂电性连接功率电路2。

同时电压传感器H_v1的测量输出端、电压传感器H_v2的测量输出端、电流传感器H_c1的测量输出端和电流传感器H_c2的测量输出端均串联有一个可调变阻器，用于实现电压传感器H_v1输入输出的变化比、电压传感器H_v2输入输出的变化比、电流传感器H_c1输入输出的变化比和电流传感器H_c2输入输出的变化比。

具体地讲，功率电路1包括有Buck电路1、输入电压源V₁、功率电阻R和电力线L_p，其中功率电阻R和电力线L_p也设置在功率电路2中。输入电压源V₁电性连接Buck电路1，Buck电路1通过电压传感器H_v1和电流传感器H_c1电性连接控制电路1，Buck电路1电路电性连接电力线L_p，同时Buck电路1和功率电阻R之间相互并联。

同样地，功率电路2包括有Buck电路2和输入电压源V₂，输入电压源V₂电性连接Buck电路2，Buck电路2通过电压传感器H_v2和电流传感器H_c2电性连接控制电路2，Buck电路2电路电性连接电力线L_p，同时Buck电路2和功率电阻R之间相互并联。

其中Buck电路1和Buck电路2均用于实现电能的变换。

输入电压源V₁用于给Buck电路1进行供能，输入电压源V₂用于给Buck电路2进行供能。

功率电阻R用于作为Buck电路1和Buck电路2的公共负载。

电力线L_p用于在Buck电路1或Buck电路2和功率电阻R之间建立功率和信号的传输通道。

具体地讲，控制电路1包括有处理器1、驱动电源D_s1、信号发生器1和信号解调模块S_d，其中信号解调模块S_d也设置在控制电路2中。信号发生器1电性连接处理器1，驱动电源D_s1电性连接驱动电路D₁，驱动电路D₁电性连接处理器1和Buck电路1，电力线L_p通过功率电阻R电性连接信号解调模块S_d。

同样地，控制电路2包括有处理器2、驱动电源D_s2和信号发生器2，信号发生器2电性连接处理器2，驱动电源D_s2电性连接驱动电路D₂，驱动电路D₂电性连接处理器2和Buck电路2，电力线L_p通过功率电阻R电性连接信号解调模块S_d。

其中处理器1用于接收电压传感器H_v1、电流传感器H_c1和信号发生器1的信号，同时对接收的信号进行运算，并输出控制脉冲信号，实现Buck电路1的闭环调节控制。处理器2用于接收电压传感器H_v2、电流传感器H_c2和信号发生器2的信号，同时对接收的信号进行运算，并输出控制脉冲信号，实现Buck电路2的闭环调节控制。

驱动电源D_s1用于对驱动电路D₁进行供电，驱动电源D_s2用于对驱动电路D₂进行供电。

驱动电路D₁用于接收来自处理器1的信号，实现对Buck电路1中功率开关管的控制，和驱动电路D₂用于接收来自处理器2的信号，实现对Buck电路2中功率开关管的控制。

信号发生器1用于将需要传送的数字信号转换为模拟载波信号，并输入至处理器1中，信号发生器2用于将需要传送的数字信号转换为模拟载波信号，并输入至处理器2中。

同时信号发生器1和信号发生器2均可将不同频率的正弦载波合成为一个串行叠加信号并发送至处理器1和处理器2，同时正弦载波信号在码元周期内正交，且Buck电路1和Buck电路2所调制的信号的频带互不交叠。

信号解调模块S_d用于对模拟载波信号进行解调，并恢复出原始的数字信号。

在本实施例中，处理器1、处理器2和信号解调模块S_d均采用Texas Instruments公司的DSP28335微处理器，其核心板上集成了ADC采样模块和ePWM输出模块等外设。电压传感器H_v1和电压传感器H_v2采用霍尔传感元件CHV25P宇波模块，电流传感器H_c1和电流传感器H_c2采用霍尔传感元件LV50P，驱动电路D₁和驱动电路D₂设置为6N137芯片或IR2104芯片，其中6N137芯片用于实现信号的电气隔离，IR2104芯片则用于脉冲信号的输出。

其中DSP28335微处理器的IO输出高电平只有+3.3V，为驱动电路D₁和驱动电路D₂中的功率MOS开关管，驱动电路D₁和驱动电路D₂的供电电源需为+15V，且驱动电路D₁和驱动电路D₂的输出电阻应在150Ω左右使驱动电流达到1A。

参考图2，本实施例提供了一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：电压传感器H_v1对Buck电路1的输出端电压进行采样，并将采样得到的输出端电压发送至处理器1中，电流传感器H_c1对Buck电路1的电感电流进行采样，并将采样得到的电感电流发送至处理器1中。

电压传感器H_v2对Buck电路2的输出端电压进行采样，并将采样得到的输出端电压发送至处理器2中，电流传感器H_c2对Buck电路2的电感电流进行采样，并将采样得到的电感电流发送至处理器2中。

电压传感器H_v1和电压传感器H_v2在对电压进行采样时，需要同时对主电路、控制电路1和控制电路2进行电气隔离。

电流传感器H_c1和电流传感器H_c2在对电流进行采样时，也需要同时对主电路、控制电路1和控制电路2进行电气隔离。

值得注意的是，电压传感器H_v1在将采样得到的输出端电压发送至处理器1中之前，电压传感器H_v2在将采样得到的输出端电压发送至处理器2中之前，均需要对采样得到的输出端电压进行滤波处理，确保处理器1采样的信号只包含信号发生器1所发出的信号的频率信息，处理器2采样的信号只包含信号发生器2所发出的信号的频率信息。

步骤S2：信号发生器1将并行的不同频率正弦载波合成为一个串行叠加信号发送至处理器1中，且这些正弦信号在码元周期内正交，且与信号发生器2发送的信号的频带互不交叠。

信号发生器2将并行的不同频率正弦载波合成为一个串行叠加信号发送至处理器2中，且这些正弦信号在码元周期内正交，且与信号发生器1发送的信号的频带互不交叠。这是由于为使解调结果更加明确，信号发生器1和信号发生器2所发出的频率信息应为不同的频带，譬如：信号发生器1发送的频带为1k～5kHz，信号发生器2发送的频带为6k～10kHz。

其中信号发生器1发送的最高频率不大于处理器1采样频率的一半，信号发生器2发送的最高频率不大于处理器2采样频率的一半，为保证采样足够准确。在本实施例中，载波信号最大应不超过10kHz。

处理器1和处理器2根据采样得到的输出端电压、采样得到的电感电流和需要传输的数字信号的模拟载波信号，输出控制脉冲序列，并将该控制脉冲序列发送至驱动电路D₁和驱动电路D₂中，具体如下：

步骤S2.1：处理器1内部的ACD采样模块对电压传感器H_v1采样得到的输出端电压、电流传感器H_c1采样得到的电感电流和信号发生器1发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行采样。

处理器2内部的ACD采样模块对电压传感器H_v2采样得到的输出端电压、电流传感器H_c2采样得到的电感电流和信号发生器21发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行采样。

为保证信号采样的精度，处理器1内部的ACD采样模块的频率、处理器2内部的ACD采样模块的频率均设置为50kHz，且保证处理器1和处理器2在每次采样后进行的运算周期在20μs之内，脉冲模块的设定频率均为100kHz。

步骤S2.2：将电压传感器H_v1采样得到的输出端电压、信号发生器1发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行比较做差，同时进行电压数字比例积分调节计算，获取电压数字比例积分调节计算结果PI_v1。

将电压传感器H_v2采样得到的输出端电压、信号发生器2发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行比较做差，同时进行电压数字比例积分调节计算，获取电压数字比例积分调节计算结果PI_v2。

步骤S2.3：将电压数字比例积分调节计算结果PI_v1、电流传感器H_c1采样得到的电感电流进行比较做差，同时进行电流数字比例积分调节计算，获取电流数字比例积分调节计算结果PI_c1。

将电压数字比例积分调节计算结果PI_v2、电流传感器H_c2采样得到的电感电流进行比较做差，同时进行电流数字比例积分调节计算，获取电流数字比例积分调节计算结果PI_c2。

步骤S2.4：处理器1内部的脉冲模块根据电流数字比例积分调节计算结果PI_c1，输出一系列控制脉冲序列，处理器2内部的脉冲模块也根据电流数字比例积分调节计算结果PI_c2，输出一系列控制脉冲序列。

步骤S3：驱动电路D₁根据处理器1发出的一系列控制脉冲序列，调节Buck电路1的占空比信号，并将Buck电路1的占空比信号加载在Buck电路1的输出电压中。驱动电路D₂根据处理器2发出的一系列控制脉冲序列，调节Buck电路2的占空比信号，并将Buck电路2的占空比信号加载在Buck电路2的输出电压中。

由于功率电阻R用于作为Buck电路1和Buck电路2的公共负载，从而此处只需要通过信号解调模块S_d对功率电阻R两端电压进行采样即可，并对采样得到的功率电阻R两端电压进行FFT分析，即可获取需要传输的数字信号。

值得注意的是，驱动电路D₁在输出占空比信号和驱动电路D₂在输出占空比信号时，需要同时对主电路、控制电路1和控制电路2进行电气隔离。

具体地讲，以单次载波为例，发送数据信号1时，在Buck电路1和Buck电路2参考电压处叠加相应频率的正弦载波信号，经补偿网络后将调制信号加载在比较器的调制波中，通过调制占空比信号，从而将该次正弦载波信号调制到输出电压中。发送数据信号0时，不叠加正弦载波信号，则输出电压无正弦信号响应。

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 (9)

1.一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，其特征在于，所述传输系统包括有功率电路、控制电路、电压传感器、电流传感器和驱动电路，所述功率电路通过电压传感器和电流传感器电性连接控制电路，所述控制电路通过驱动电路电性连接功率电路，所述电压传感器、电流传感器和驱动电路用于功率电路和控制电路之间实现电气隔离；

所述电压传感器用于对Buck电路输出端电压进行隔离和采样，并将采样后的信号输入到所述控制电路中；

所述电流传感器用于对Buck电路电感电流进行隔离和采样，并将采样后的信号输入到所述控制电路中；

所述驱动电路用于接收控制电路的脉冲信号，实现所述控制电路和功率变换器之间的电气隔离，并对主电路功率开关管的通断进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，其特征在于，所述功率电路包括有Buck电路、输入电压源、功率电阻和电力线，所述输入电压源电性连接Buck电路，所述Buck电路通过电压传感器和电流传感器电性连接控制电路，所述Buck电路电性连接电力线，同时所述Buck电路和功率电阻之间相互并联。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，其特征在于，所述控制电路包括有处理器、驱动电源、信号发生器和信号解调模块，所述信号发生器电性连接处理器，所述驱动电源电性连接驱动电路，所述驱动电路电性连接处理器和Buck电路，所述电力线通过功率电阻电性连接信号解调模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，其特征在于，所述信号发生器将不同频率的正弦载波合成为一个串行叠加信号并发送至处理器，所述正弦载波信号在码元周期内正交，且所述Buck电路所调制的信号的频带互不交叠。

5.根据权利要求3所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统，其特征在于，所述电压传感器的测量输出端和电流传感器的测量输出端均串联有一个可调变阻器，用于实现所述电压传感器输入输出的变化比和电流传感器输入输出的变化比。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，其特征在于，所述传输方法具体包括如下步骤：

S1：所述电压传感器对Buck电路的输出端电压进行采样，并将所述采样得到的输出端电压发送至处理器中，所述电流传感器对Buck电路的电感电流进行采样，并将所述采样得到的电感电流发送至处理器中；

S2：所述信号发生器向处理器发送需要传输的数字信号的模拟载波信号，所述处理器根据采样得到的输出端电压、采样得到的电感电流和需要传输的数字信号的模拟载波信号，输出控制脉冲序列，并将所述控制脉冲序列发送至驱动电路中；

S3：所述驱动电路根据控制脉冲序列，调节所述Buck电路的占空比信号，并将所述占空比信号加载在Buck电路的输出电压中，同时通过所述信号解调模块对功率电阻两端电压进行采样，并对所述采样得到的功率电阻两端电压进行FFT分析，获取需要传输的数字信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，其特征在于，在所述步骤S2中，输出所述控制脉冲序列，具体如下：

S2.1：处理器内部的采样模块对电压传感器采样得到的输出端电压、电流传感器采样得到的电感电流和信号发生器发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行采样；

S2.2：将所述电压传感器采样得到的输出端电压和信号发生器发送的需要传输的数字信号的模拟载波信号进行比较做差，同时进行电压数字比例积分调节计算，获取所述电压数字比例积分调节计算结果；

S2.3：将所述电压数字比例积分调节计算结果和电流传感器采样得到的电感电流进行比较做差，同时进行电流数字比例积分调节计算，获取所述电流数字比例积分调节计算结果；

S2.4：处理器内部的脉冲模块根据所述电流数字比例积分调节计算结果，输出所述控制脉冲序列。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，其特征在于，所述电压传感器在将采样得到的输出端电压发送至处理器中之前，需要对所述采样得到的输出端电压进行滤波处理。

9.根据权利要求6或7所述的一种基于OFDM的DC/DC变换器电力线功率信号复合传输系统的传输方法，其特征在于，所述信号发生器发送的最高频率不大于处理器采样频率的一半。

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