CN102957219B - 一种输电线路感应取电电源最大功率跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统及方法。该方法包括检测取电线圈的输出电压，对其进行整流和放大，以得到第一输出电压；检测测量线圈的输出电压，对其进行整流、放大和相移处理，以得到一参考电压；根据二者的比较结果输出驱动控制信号；利用驱动控制信号使开关管导通或关断，以对应选择电池或取电线圈对负载供电。采用本发明，通过改变开关管栅极驱动信号的占空比大小，可调节取电线圈的输出电压，使其始终跟踪参考电压，从而动态调节取电线圈的输出功率。此外，当取电电源和后备电池共同供电时，由于取电线圈大部分时间都工作在最大功率点，因而能够最大程度地减少电池向负载供电的时间，延长整个取电电源的设计寿命。

Description

一种输电线路感应取电电源最大功率跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及高压输电线路的感应取电技术，尤其涉及一种输电线路感应取电电源最大功率跟踪系统及方法。

背景技术

电力系统高压侧监测设备的供电问题是所有监测设备可靠运行的前提，也是智能电网建设所要突破的关键技术之一。如光电式电流互感器、输电线路温度测量设备、高压断路器母线温度测量设备等直接测量高压侧信息，然后通过光纤或者无线网络把采集信息传送至低压端，这样大大简化了绝缘的要求，并且提高了采集信号的精度。

申请号为200410061314.9，发明名称为用于架空高压输电导线的感应取电装置的专利文献，利用电流互感器原理从高压输电导线上获取电能，但是该文献中的技术方案并没有给出输电线路负载电流在其整个工作范围内的有效输出功率，尤其是在输电线路空载时的输出功率，此外在输电线路负荷电流较大时，感应取电装置会发热严重。申请号为200820066665.2，发明名称为高压线路感应取电装置的专利文献，同样利用互感器原理从输电线路上取电，其给出的指标为，输电线路负载电流在80A-300A时的输出功率为20-110W，但是输电线路空载时，导线电流仅为40A左右，也未给出此时取电装置的输出功率，并且随着输电线路上电流的增加，取电装置亦会发热越来越严重。此外，上述两个专利中后备电源都是锂电池，而锂电池受其寿命、工作温度等限制，不适合长期工作在野外输电线路上。申请号为200910309627.4，发明名称为基于功率控制法的高压输电线路CT取电装置，可实现在较大的电流范围内输出稳定的功率，同时中国电机工程学报、电力系统自动化等杂志也刊登过感应取电相关的文章，但上述所有的研究和专利文献的下限电流都为几十安培，而配电线路的空载电流可能仅为几个安培，此时通用的解决方案是在取电电源启动电流之下，采用电池直接供电，但电池寿命有限，经常使用会缩短整个取电电源的设计寿命。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述现有技术的缺陷或不足，提出了一种输电线路感应取电电源最大功率跟踪系统及方法。

依据本发明的一个方面，提供了一种输电线路感应取电电源的最大功率跟踪方法，包括以下步骤：

检测取电线圈的输出电压；

对所述取电线圈的输出电压进行整流和放大，以得到整流和放大后的第一输出电压V_sec；

检测测量线圈的输出电压；

对所述测量线圈的输出电压进行整流、放大和相移处理，以得到一参考电压V_ref；

实时比较所述第一输出电压V_sec和所述参考电压V_ref，根据二者的比较结果输出一驱动控制信号；

利用所述驱动控制信号使开关管导通或关断，从而对应地选择采用电池或取电线圈对负载进行供电。

在其中的一实施例中，对应于所述第一输出电压V_sec的比例放大系数为K1，对应于所述参考电压V_ref的比例放大系数为K2，移相角度为φ，通过设定K2和φ，使得：

其中，V_secpmax为取电线圈输出功率最大时所对应的第一输出电压。

在其中的一实施例中，所述参考电压V_ref滞后于所述取电线圈一次侧电流的相位45度。

在其中的一实施例中，所述第一输出电压V_sec小于所述参考电压V_ref时，所述驱动控制信号为一高电平，所述开关管导通且电池经由所述开关管对负载进行供电。

在其中的一实施例中，所述第一输出电压V_sec大于所述参考电压V_ref时，所述驱动控制信号为一低电平，所述开关管关断且取电线圈经由一AC/DC变换器对负载进行供电。

依据本发明的另一个方面，提供了一种输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统，包括取电线圈和测量线路，该系统还包括：

AC/DC变换器，其输入端电连接至所述取电线圈的输出端，其输出端将来自所述取电线圈感应的交流电压转换为直流电压；

第一处理电路，连接至所述取电线圈的输出端，用于对所述取电线圈感应的交流电压进行整流放大，得到第一输出电压V_sec；

第二处理电路，连接至所述测量线圈的输出端，用于对所述测量线圈感应的交流电压进行整流、放大和相移处理，以得到一参考电压V_ref；以及

第一比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端电连接至该第一输出电压V_sec，其第二输入端电连接至该参考电压V_ref，其输出端根据二者的比较结果输出驱动控制信号至开关管的栅极，

其中，当所述第一输出电压V_sec小于所述参考电压V_ref时，所述开关管导通且电池经由所述开关管对负载进行供电；当所述第一输出电压V_sec大于所述参考电压V_ref时，所述开关管关断且取电线圈经由一AC/DC变换器对负载进行供电。

在其中的一实施例中，该系统还包括两个二极管，其中的一个二极管设置于AC/DC变换器与负载之间，另一个二极管设置于开关管与负载之间，使得取电线圈或电池只向负载供电。

在其中的一实施例中，该系统还包括第二比较器，其接收一设定电压V_set，并且在所述参考电压V_ref小于该设定电压V_set时，输出一闭锁信号以锁定所述第一比较器，使得所述第一比较器输出高电平的驱动控制信号使开关管导通。

在其中的一实施例中，所述设定电压V_set为所述AC/DC变换器的最低工作电压。

采用本发明的输电线路感应取电电源最大功率跟踪方法，通过改变开关管栅极驱动信号的占空比大小，就可调节取电线圈的输出电压，使取电线圈的输出电压始终跟踪参考电压，从而动态调节取电线圈的输出功率。此外，当取电电源和后备电池共同供电时，由于本发明的取电线圈大部分时间都工作在最大功率点，因而能够最大程度地减少电池向负载供电的时间，延长整个取电电源的设计寿命。

附图说明

在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出根据基本电磁感应理论建立的取电线圈负载等效模型图；

图2示出取电线圈的负载等效电路；以及

图3示出依据本发明的一实施方式的取电电源最大功率跟踪控制的原理框图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

为分析取电线圈的功率输出特性，根据基本电磁感应理论建立的取电线圈负载等效模型图如图1所示。

由电磁感应的基本定律可知，线圈所通过的磁通φ可表达为式（1）：

$\mathrm{\φ}=h{\∫}_{r_i}^{r_o}{B}_x\mathrm{dx}=h{\∫}_{r_i}^{r_o}\frac{{\mathrm{\μi}}_s}{2\mathrm{\πx}}\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{\μh}}{2\mathrm{\πx}}\ln \frac{r_o}{r_i}{i}_s$

在式（1）中，μ为磁芯的有效磁导率，i_s为导线上流过的电流，r_i为取电线圈的内径，r_o为取电线圈的外径，h为线圈厚度。

根据电磁感应定律，取电线圈副边的输出电压E₂可表达为式（2）：

$E_2=N_2\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

在式（2）中，E₂为取电线圈副边的输出电压，N₂为取电线圈的绕线匝数，φ为取电线圈所通过的磁通。

根据上述式（1）和式（2），则E₂可表达为式（3）：

$E_2=N_2\frac{\mathrm{\μh}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{r_o}{r_i}\frac{{\mathrm{di}}_s}{\mathrm{dt}}$

当取电线圈带阻性负载时，若忽略原副边的漏感、线圈内阻及磁滞损耗，并限定其在线性区工作，可得到取电线圈的负载等效电路，如图2所示。

参照图2，i_s为一次侧电流，L_μ为励磁电感，i_μ为磁化电流，i_l为二次侧折算至一次侧的负载电流，其中，i_l＝N₂I₂，R_l为二次侧折算至一次侧的负载电阻，其中若取i_s＝I₁cos(ωt)，则i_μ和i_l满足如下关系式（4）：

在该数学关系式中，K₁为磁化电流的最大值，K₂为二次侧折算至一次侧的负载电流最大值；为一次侧电流和磁化电流之间的相差。

结合上述式（3）和式（4），取电线圈输出功率可表达为式（5）：

本领域的技术人员应当理解，从理论上讲，只要输电线路上有电流流过，无论电流大小，取电电源可以输出一定的功率。因此，在输电线路的电流小于取电电源所设计的启动电流时，使用最大功率控制法来控制取电线圈的工作点，使之始终工作在最大功率点，同时用后备电池和取电电源共同供电的方式，输出取电电源负载所需的功率，因而能够降低取电线圈的尺寸和重量。

由上述式（5）可知，当取电线圈为阻性负载且磁化电流I_u与一次侧电流I₁相差为45度时，取电线圈的输出功率P达到最大，该最大输出功率P也可表达为式（6）：

$P=\frac{\mathrm{\μhf}{I}_1^2}{2}\ln \frac{r_o}{r_i}$

此时，取电线圈的磁化电流I_u、输出电流I_sec和输出电压V_secpmax可分别表示为式（7）和式（8）：

$I_{\mathrm{\μ}}=I_{\sec }=\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_1$ 式7

$V_{\sec p_{\max }}=\mathrm{f\μ}{N}_{2}h{I}_{\mathrm{\μ}}\ln \frac{r_o}{r_i}$ 式8

因此在取电线圈外接负载为阻性负载的情况下，控制取电线圈的输出电压，且滞后于一次侧电流I₁的相差为45度时，取电线圈的输出功率达到最大。

图3示出取电电源最大功率跟踪控制的原理框图。参照图3，取电线圈的输出端接带旁路功能的AC/DC变换器，由于AC/DC变换器内部含有APF（Active Power Filter，有源滤波器）模块，因此可近似认为取电线圈的负载为阻性负载。同时，取电线圈的输出经整流器进行整流，并放大K₁后作为取电线圈的输出电压V_sec。

与此同时，测量线圈的输出电压V_mea经整流、比例放大K₂和相移φ后作为参考电压V_ref，设定K₂和φ的值使且V_ref滞后于一次侧电流I₁45度。比较器1实时比较V_ref和V_sec的大小，当V_ref＞V_sec时，比较器1的输出信号驱动开关管导通，此时由电池给负载供电。当V_ref＜V_sec时，比较器1的输出信号驱动开关管关断，此时由取电线圈经由AC/DC变换器和二极管给负载供电。改变开关管触发信号的占空比就可调节取电线圈的输出电压V_sec。使取电线圈的输出电压V_sec始终跟踪参考电压V_ref，从而动态调节取电线圈的输出功率。

在一具体实施例中，V_set为可使AC/DC变换器工作的最低电压，当V_ref<V_set时，比较器2输出一闭锁信号进而锁定比较器1，使开关管导通，由电池给负载供电，从而保证负载电压的稳定输出。其中，二极管1和二极管2分别控制电池和AC/DC变换器的输出只向负载供电。

采用本发明的输电线路感应取电电源最大功率跟踪方法，通过改变开关管栅极驱动信号的占空比大小，就可调节取电线圈的输出电压，使取电线圈的输出电压始终跟踪参考电压，从而动态调节取电线圈的输出功率。此外，当取电电源和后备电池共同供电时，由于本发明的取电线圈大部分时间都工作在最大功率点，因而能够最大程度地减少电池向负载供电的时间，延长整个取电电源的设计寿命。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种输电线路感应取电电源的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述最大功率跟踪方法包括以下步骤：

检测取电线圈的输出电压；

对所述取电线圈的输出电压进行整流和放大，以得到整流和放大后的第一输出电压V_sec；

检测测量线圈的输出电压；

对所述测量线圈的输出电压进行整流、放大和相移处理，以得到一参考电压V_ref；

实时比较所述第一输出电压V_sec和所述参考电压V_ref，根据二者的比较结果输出一驱动控制信号；

利用所述驱动控制信号使开关管导通或关断，从而对应地选择采用电池或取电线圈对负载进行供电；其中

对应于所述第一输出电压V_sec的比例放大系数为K1，对应于所述参考电压V_ref的比例放大系数为K2，移相角度为φ，通过设定K2和φ，使得：

$V_{\mathrm{ref}}=V_{\sec p_{\max }}/K_1$

式中，V_secpmax为取电线圈输出功率最大时所对应的第一输出电压。

2.根据权利要求1所述的输出线路感应取电电源的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述参考电压V_ref滞后于所述取电线圈一次侧电流的相位45度。

3.根据权利要求1所述的输出线路感应取电电源的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述第一输出电压V_sec小于所述参考电压V_ref时，所述驱动控制信号为一高电平，所述开关管导通且电池经由所述开关管对负载进行供电。

4.根据权利要求1所述的输出线路感应取电电源的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述第一输出电压V_sec大于所述参考电压V_ref时，所述驱动控制信号为一低电平，所述开关管关断且取电线圈经由一AC/DC变换器对负载进行供电。

5.一种输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统，包括取电线圈和测量线圈，其特征在于，所述最大功率跟踪系统还包括：

AC/DC变换器，其输入端电连接至所述取电线圈的输出端，其输出端将来自所述取电线圈感应的交流电压转换为直流电压；

第一处理电路，连接至所述取电线圈的输出端，用于对所述取电线圈感应的交流电压进行整流放大，得到第一输出电压V_sec；

第二处理电路，连接至所述测量线圈的输出端，用于对所述测量线圈感应的交流电压进行整流、放大和相移处理，以得到一参考电压V_ref；以及

第一比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端电连接至该第一输出电压V_sec，其第二输入端电连接至该参考电压V_ref，其输出端根据二者的比较结果输出驱动控制信号至开关管的栅极，

其中，当所述第一输出电压V_sec小于所述参考电压V_ref时，所述开关管导通且电池经由所述开关管对负载进行供电；当所述第一输出电压V_sec大于所述参考电压V_ref时，所述开关管关断且取电线圈经由一AC/DC变换器对负载进行供电。

6.根据权利要求5所述的输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统，其特征在于，该系统还包括两个二极管，其中的一个二极管设置于AC/DC变换器与负载之间，另一个二极管设置于开关管与负载之间，使得取电线圈或电池只向负载供电。

7.根据权利要求5所述的输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统，其特征在于，该系统还包括第二比较器，其接收一设定电压V_set，并且在所述参考电压V_ref小于该设定电压V_set时，输出一闭锁信号以锁定所述第一比较器，使得所述第一比较器输出高电平的驱动控制信号使开关管导通。

8.根据权利要求7所述的输电线路感应取电电源的最大功率跟踪系统，其特征在于，所述设定电压V_set为所述AC/DC变换器的最低工作电压。