CN113206603A - 负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理*** - Google Patents

负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理*** Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理***。该方法包括：采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号；根据电压信号和电流信号获取电压有效值和电流有效值；基于电压有效值和电流有效值计算当前的有效功率；根据当前的有效功率和预设的目标功率，调节电源电路的输出电压，以调节负载的功率。采用本申请，可以达到更精准的功率控制精度。

Description

负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理***
技术领域
本申请涉及电气控制技术领域，特别是涉及一种负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理***。
背景技术
设备在运行过程中，其实际的功率可能并不会达到设定的功率，因此需要调节功率的大小。
目前大多数采用的功率闭环控制方式，是采集整流之后的直流电压作为负载的功率反馈，然后根据反馈的功率与设定功率的偏差进行功率调控。但是整流之后的直流电压通常不能准确反映负载的功率情况，因此对功率的调节控制不准确。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高功率调控精度的负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理***。
一种负载功率控制方法，包括：
采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号；
根据所述电压信号和所述电流信号获取电压有效值和电流有效值；
基于所述电压有效值和所述电流有效值计算当前的有效功率；
根据所述当前的有效功率和预设的目标功率，调节所述电源电路的输出电压，以调节所述负载的功率。
一种控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号；
根据所述电压信号和所述电流信号获取电压有效值和电流有效值；
基于所述电压有效值和所述电流有效值计算当前的有效功率；
根据所述当前的有效功率和预设的目标功率，调节所述电源电路的输出电压，以调节所述负载的功率。
一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号；
根据所述电压信号和所述电流信号获取电压有效值和电流有效值；
基于所述电压有效值和所述电流有效值计算当前的有效功率；
根据所述当前的有效功率和预设的目标功率，调节所述电源电路的输出电压，以调节所述负载的功率。
一种功率管理***，包括交流电源电路、采样电路和上述控制装置，所述控制装置连接所述交流电源电路和所述采样电路；
所述采样电路与所述交流电源电路连接，用于采样所述交流电源电路逆变后的电压信号和电流信号并发送至所述控制装置。
上述负载功率控制方法、控制装置、存储介质及功率管理***，通过采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号，基于逆变后的电压信号和电流信号进行处理、计算当前的有效功率作为控制的反馈量，基于反馈量和预设的目标功率调节电源电路的输出电压以调节负载的功率，实现对负载功率的控制。逆变后的信号可以更准确的反映负载的实际功率情况，从而基于该实际功率进行功率调控的精确度更高，可以达到更精准的功率控制精度和更优的动态特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为一个实施例中负载功率控制方法的流程示意图；
图2为一个实施例中功率管理***的结构示意图；
图3为一个实施例中三相桥式全控整流电路的电路原理图；
图4为三相桥式全控整流电路α＝0°的波形图；
图5为三相桥式全控整流电路α＝60°的波形图；
图6为三相桥式全控整流电路α＝90°的波形图；
图7为另一个实施例中功率管理***的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
正如背景技术所述，现有技术中对功率的调控有精度低的问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，对于使用交流输出的负载，整流之后的直流电压还需要经过进一步处理，并不是直接输出直流，比如对于加热仪，在整流之后还需经过逆变进行逆变输出；因此，采集整流之后的直流电压并不能准确反映负载的功率情况，反馈直流电压进行功率调控准确性低。
基于以上原因，本申请提供了一种可以提高功率调控精度的方案。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种负载功率控制方法，以应用于控制装置为例，该方法包括如下步骤：
S110：采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号。
负载对应的电源电路可以是供电至负载的电路。电源电路对接入的电压进行处理后输出；负载的功率跟随电源电路的输出电压变化。具体地，电源电路为输出交流的电源电路，包括逆变电路；电源电路中逆变后的信号为逆变电路输出的交流信号，即，采集的电压信号为交流电压信号，采集的电流信号为交流电流信号。
控制装置可以按照预设间隔采集电压信号和电流信号，比如每隔一段时间采集一次电压信号和电流信号。具体地，控制装置可以从采样电路获取从电源电路中逆变后采样的电压信号和电流信号。
S130：根据电压信号和电流信号获取电压有效值和电流有效值。
具体地，根据当前采集的电压信号获取电压有效值，根据当前采集的电流信号获取电流有效值。
S150：基于电压有效值和电流有效值计算当前的有效功率。
有效功率是电压有效值和电流有效值对应的功率。具体地，控制装置可以是根据当前采集的电压有效值和电流有效值、采用功率计算函数进行计算，得到当前的有效功率。当然，可以理解，控制装置也可以采用其他方式获得有效功率，比如可以是将电压有效值和电流有效值输出至外部设备，接收由外部设备计算后返回的有效功率。
S170：根据当前的有效功率和预设的目标功率，调节电源电路的输出电压，以调节负载的功率。
当前的有效功率反映负载的实际功率大小。其中，预设的目标功率为设定的负载需要达到的功率。具体地，控制装置根据当前的有效功率和预设的目标功率的偏差，以当前的有效功率达到目标功率为目的、来调节电源电路的输出电压。
电源电路的输出电压是电源电路最终输出的电压；负载的功率随电源电路的输出电压变化而变化，因此，通过调节电源电路的输出电压，从而调节负载的功率，以实现对负载功率的控制。电源电路中任一子电路输出的电压变化都引起整体的输出电压的变化，具体地，控制装置可以是调节电源电路中任一子电路输出的电压，比如，电源电路包括整流电路和逆变电路，控制装置可以调节整流电路输出的电压，或者也可以是调节逆变电路输出的电压。
上述负载功率控制方法，通过采集负载的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号，基于逆变后的电压信号和电流信号进行处理、获取当前的有效功率作为控制的反馈量，基于反馈量和预设的目标功率调节电源电路的输出电压以调节负载的功率，实现对负载功率的控制。逆变后的信号可以更准确的反映负载的实际功率情况，从而基于该实际功率进行功率调控的精确度更高，可以达到更精准的功率控制精度和更优的动态特性。
在其中一个实施例中，步骤S130包括步骤(a1)和步骤(a2)。
步骤(a1)：基于电压信号确定电压波峰值和电压波谷值，并根据电压波峰值和电压波谷值计算电压有效值。
电压波峰值是电压信号的一个电压周期中的最高值，电压波谷值是电压信号的一个电压周期中的最低值。具体地，控制装置可以根据电压波峰值和电压波谷值计算电压信号的峰峰值，根据峰峰值计算电压有效值。
步骤(a2)：基于电流信号确定电流波峰值和电流波谷值，并根据电流波峰值和电流波谷值计算电流有效值。
电流波峰值是电流信号的一个电压周期中的最高值，电流波谷值是电流信号的一个电压周期中的最低值。具体地，控制装置可以根据电流波峰值和电流波谷值计算电流信号的峰峰值，根据峰峰值计算电流有效值。
波峰和波谷可以准确反映电压信号/电流信号的幅值。通过分别根据电压信号和电流信号确定各自的波峰和波谷，根据波峰和波谷计算的有效值准确度高。可以理解，在其他实施例中，也可以采用其他方式获取电压有效值和电流有效值，例如，可以确定电压信号的电压波峰值和电流信号的电流波峰值，根据电压波峰值计算得到电压有效值，根据电流波峰值计算得到电流有效值。
在其中一个实施例中，步骤(a1)中基于电压信号确定电压波峰值和电压波谷值，包括：追踪电压信号的相位，以电压信号的相位为0°时开始计时，在计时时长为1/4的预设电压周期时采集电压信号的电压值，得到电压信号的电压波峰值；在1/4的预设电压周期时重新启动计时，再计时时长为1/2的预设电压周期时采集电压信号的电压值，得到电压信号的电压波谷值。
其中，预设电压周期是电源电路逆变后的电压信号的周期。以电压信号是正弦信号为例，在以0°相位开始的一个周期内，1/4周期处的电压值为波峰，在3/4周期处(与1/4周期处间隔1/2周期)的电压值为波谷。
具体地，通过追踪电压信号的相位，当电压相位为0°时，作为起点，设置定时器时间为1/4的预设电压周期进行精确计时，计时时间到，则采样当前的电压值得到电压波峰值。以计时到1/4的预设电压周期为起点，即，以采样电压波峰值的时刻为起点，设置定时器时间为1/2的预设电压周期，重新启动精确计时，计时时间到，即到达以相位为0°开始的3/4周期处，此时采样当前的电压值得到电压波谷值。如此，可以准确采集单周期内的电压波峰值和电压波谷值。下一次采集时，重复相同的步骤可以得到下一个采集的周期内的电压波峰值和电压波谷值。
步骤(a2)中基于电流信号确定电流波峰值和电流波谷值的实现方式可以与步骤(a1)中确定电压波峰值和电压波谷值的方式相同，以准确采集电流波峰值和电流波谷值。
在其中一个实施例中，步骤S150包括：
Pw＝UiIicosβ； (1)
其中，Pw为当前的有效功率，Ui为电压有效值，Ii为电流有效值，β为输出功率因数角。
采用上述公式(1)可以准确计算得到电压有效值和电流有效值对应的有效功率。负载为加热仪时，由于正常工作状态下加热仪逆变输出的电压电流处于谐振状态，近似的认为某一时刻的功率因数角为0，因此对于加热仪，取Pw＝UiIi。
在其中一个实施例中，步骤S170中调节电源电路的输出电压，包括：调节电源电路中逆变之前的整流电路中整流管的导通时间。
电源电路包括整流电路和逆变电路，整流电路整流后输出的电压经过逆变电路逆变后输出。整流管是整流电路中用于整流的器件，例如，整流电路可以是三相桥式全控整流电路，所采用的整流管为晶闸管。具体地，控制装置调节整流管的导通时间，可以改变整流电路输出的电压，从而改变电源电路的输出电压，进而调整负载的功率。通过调节整流电路输出的方式来调控负载的功率，控制方便。
在其中一个实施例中，步骤S170包括：若当前的有效功率大于预设的目标功率，则降低电源电路的输出电压；若当前的有效功率小于预设的目标功率，则增大电源电路的输出电压。
若当前的有效功率大于预设的目标功率，表示当前负载的功率过大，此时通过降低电源电路的输出电压，可以控制负载的功率降低。若当前的有效功率小于预设的目标功率，表示当期负载的功率过小，此时通过增大电源电路的输出电压，可以控制负载的功率增大。通过基于目标功率对当前的有效功率进行大小分析，以此调节功率，可使负载实际的功率接近目标功率。具体地，每采集一次电压信号和电流信号，执行一次功率调节，对功率进行动态调节。
其中，降低电源电路的输出电压，具体可以是减少电源电路中逆变之前的整流电路中整流管的导通时间；增大电源电路的输出电压，具体可以是增大电源电路中逆变之前的整流电路中整流管的导通时间。
具体地，控制装置可以是采用PID控制算法进行闭环控制，将当前的有效功率Pw作为反馈值，以预设的目标功率为目标值进行控制输出，控制晶闸管的导通，改变整流输出的电压，从而调整逆变侧功率。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法各实施例中的步骤。
上述可读存储介质，由于可以实现上述方法各实施例中的步骤，同理，可以更精准的控制功率。
在一个实施例中，提供了一种控制装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法各实施例中的步骤。
上述控制装置，由于可以实现上述方法各实施例中的步骤，同理，可以更精准的控制功率。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
如图2所示，在一个实施例中，提供了一种功率管理***，包括交流电源电路210、采样电路220和控制装置230，控制装置230连接交流电源电路210和采样电路220。其中，交流电源电路为输出交流的电源电路。
采样电路220与交流电源电路210连接，用于采样交流电源电路逆变后的电压信号和电流信号并发送至控制装置230。控制装置230包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法各实施例中的步骤。
上述功率管理***，由于采用了可以实现上述方法各实施例中步骤的控制装置，同理，可以更精准的控制功率，功率调控效果好。
在其中一个实施例中，交流电源电路210包括依次连接的整流电路和逆变电路，控制装置230连接整流电路，采样电路230连接至逆变电路的输出端，用于采样逆变电路输出的电流信号和电压信号。
整流电路连接输入的电压，并对输入的电压整流后输出至逆变电路；逆变电路对输入的电压进行逆变处理后输出。具体地，整流电路包括整流管，用于整流。控制装置230连接至整流电路，根据当前的有效功率和预设的目标功率调节整流电路中整流管的导通时间，以调节整流电路输出的电压，从而改变电源电路的输出电压，进而调整负载的功率。通过调节整流电路输出的方式来调控负载的功率，控制方便。
具体地，整流电路可以是三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路是工业中应用最为广泛的一种整流电路，其实质是一组共阴极与一组共阳极的三相半波可控整流电路的串联，如图3所示；其移相范围为0°～120°，最大导通角为120°。其中，Ud为输出电压，Ud再经后级滤波电路处理，就可得到平稳的直流电压。如图4-图6所示，3张图展示了α＝0°、α＝60°、α＝90°的输出波形。在交流电源的一个周期内，晶闸管在正向阳极电压作用下不导通的电角度称为控制角或移相角，用α表示；导通的电角度称为导通角，用θ表示。即α＝0时，导通角θ为120度，整流电路处于全导通状态。
在其中一个实施例中，交流电源电路还可以包括变压器，变压器连接逆变电路，用于对逆变电路输出的电压进行变压后输出。通过采用变压器，对逆变后的电压进行变压，使电压达到后续需要的大小，实用方便。
在其中一个实施例中，采样电路220包括电压采样电路和电流采样电路；其中，电压采样电路连接交流电源电路210和控制装置230，用于采样交流电源电路210逆变后的电压信号并发送至控制装置230；电流采样电路连接交流电源电路210和控制装置230，用于采样交流电源电路210逆变后的电流信号并发送至控制装置230。
具体地，电流采样电路可以是直接连接至交流电源电路210，也可以是通过耦合感应的方式与交流电源电路210关联，通过感应的方式采样电流信号。通过分别采用电压采样电路和电流采样电路，对电压信号和电流信号进行分别采样，方便后续基于采样的信号进行分别处理。
在其中一个实施例中，如图7所示，控制装置230为MCU(Microcontroller Unit；微控制单元)。采用MCU进行功率调控，占用体积小、功耗低。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种负载功率控制方法，其特征在于，包括：
采集负载对应的电源电路中逆变后的电压信号和电流信号；
根据所述电压信号和所述电流信号获取电压有效值和电流有效值；
基于所述电压有效值和所述电流有效值计算当前的有效功率；
根据所述当前的有效功率和预设的目标功率，调节所述电源电路的输出电压，以调节所述负载的功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压信号和所述电流信号获取电压有效值和电流有效值，包括：
基于所述电压信号确定电压波峰值和电压波谷值，并根据所述电压波峰值和所述电压波谷值计算电压有效值；
基于所述电流信号确定电流波峰值和电流波谷值，并根据所述电流波峰值和所述电流波谷值计算电流有效值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述电压信号确定电压波峰值和电压波谷值，包括：
追踪所述电压信号的相位，以所述电压信号的相位为0°时开始计时，在计时时长为1/4的预设电压周期时采集所述电压信号的电压值，得到所述电压信号的电压波峰值；
在1/4的预设电压周期时重新启动计时，再计时时长为1/2的预设电压周期时采集所述电压信号的电压值，得到所述电压信号的电压波谷值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节所述电源电路的输出电压，包括：
调节所述电源电路中逆变之前的整流电路中整流管的导通时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前的有效功率和预设的目标功率，调节所述电源电路的输出电压，包括：
若所述当前的有效功率大于所述预设的目标功率，则降低所述电源电路的输出电压；
若所述当前的有效功率小于所述预设的目标功率，则增大所述电源电路的输出电压。
6.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
7.一种控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
8.一种功率管理***，其特征在于，包括交流电源电路、采样电路和权利要求7所述的控制装置，所述控制装置连接所述交流电源电路和所述采样电路；
所述采样电路与所述交流电源电路连接，用于采样所述交流电源电路逆变后的电压信号和电流信号并发送至所述控制装置。
9.根据权利要求8所述的功率管理***，其特征在于，所述交流电源电路包括依次连接的整流电路和逆变电路，所述控制装置连接所述整流电路，所述采样电路连接至所述逆变电路的输出端，用于采样所述逆变电路输出的电流信号和电压信号。
10.根据权利要求8所述的功率管理***，其特征在于，所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路；
所述电压采样电路连接所述交流电源电路和所述控制装置，用于采样所述交流电源电路逆变后的电压信号并发送至所述控制装置；
所述电流采样电路连接所述交流电源电路和所述控制装置，用于采样所述交流电源电路逆变后的电流信号并发送至所述控制装置。
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