CN105322665A - 用于高压输电线路的共振式无线供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高压输电线路的共振式无线供电系统，包括高压取电装置、高频电能发射装置和高频电能接收装置，高压取电装置和高频电能发射装置设于高压线路；高频电能接收装置设于杆塔，给负载在线监测装置供电；其中，高频逆变单元以MOS管为开关管，采用单相全桥逆变电路，由两个桥臂并联构成，各桥臂均由上桥臂和下桥臂组成，同一桥臂中的上桥臂和下桥臂不能同时导通；高频整流驱动单元包括整流桥，整流桥为不控全桥整流，由四对肖特基二极管对组成，肖特基二极管对由两个肖特基二极管并联构成。本发明结构简单，安装方便，可直接从高压线路取电，保障线路监控设备的正常运行。
Description
技术领域
本发明属于共振式无线能量传输技术领域，尤其涉及一种用于高压输电线路的共振式无线供电系统。
背景技术
高压、超高压电网监测终端对保证电网稳定运行至关重要，是以信息化、自动化、互动化为特征的现代化电网不可或缺的一部分。然而，能源问题始终是限制智能电网监测与管理的关键问题。传统的解决方案大多使用风能、太阳能等分布式能源，而分布式能源固有的不稳定性使得终端设备无法得到可靠的能源保证，在南方阴雨天气较多的环境下问题更加严重。另一方面，高压输/配线路上有着充足的电能却由于绝缘的要求而无法直接从高压侧取电，从而形成了一个突出的矛盾。
近年来，无线输电技术的迅速发展使得从高压侧直接向低压侧输电成为可能，为解决智能电网终端设备的能源供应提供了新的可能。无线输电技术（WPT）最先由无线输电技术之父尼古拉于19世纪提出，并于2007年由MIT马林索尔贾希克团队取得突破。MIT团队利用磁共振原理在2m的距离下成功点亮了一盏60W的灯泡。该成果极大地推进了无线输电技术在诸如工业电子、医疗、民用电子等多个领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高压输电线路的共振式无线供电系统，以实现高压、超高压环境下电网监测终端的可靠供电。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
用于高压输电线路的共振式无线供电系统，包括：
高压取电装置、高频电能发射装置和高频电能接收装置，高压取电装置和高频电能发射装置在高压线路上在线运行，高频电能接收装置设于低压侧，给负载在线监测装置供电；其中：
高压取电装置用来从高压线路获取交流电并将交流电转换为直流电，直流电传输至高频电能发射装置；
高频电能发射装置包括高频逆变单元和高频电能发射线圈，高频逆变单元用来将直流电转换为高频交流电，高频交流电通过高频电能发射线圈发射；
高频电能接收装置包括高频电能接收线圈和高频整流驱动单元，高频电能接收线圈接收高频交流电，高频整流驱动单元将高频交流电转换成直流电，并输至给负载在线监测装置；
所述的高频逆变单元以MOS管为开关管，采用单相全桥逆变电路，由两个桥臂并联构成，各桥臂均由上桥臂和下桥臂组成，同一桥臂中的上桥臂和下桥臂不能同时导通；
所述的高频整流驱动单元包括整流桥，整流桥为不控全桥整流，由四对肖特基二极管对组成，肖特基二极管对由两个肖特基二极管并联构成。
上述高压取电装置包括依次相连的取电电流互感器、整流模块、第一稳流模块、第一缓冲模块、取能电源模块，其中，第一缓冲模块由电池和超级电容并联构成。
高频逆变单元中MOS管优选为IRF470型号。
高频逆变单元的一种具体结构为：
包括二极管D1、D2、D3、D4和MOS管S2、S3、S4、S5，其中，二极管D1、D2、D3、D4反并联；MOS管S2和S3构成第一桥臂，S2为上桥臂，S3为下桥臂，S2和S3不能同时导通；MOS管S4和S5构成第二桥臂，S4为上桥臂，S5为下桥臂，S4和S5不能同时导通。
上述高频整流驱动单元包括依次相连的整流桥、第二稳流模块、第二缓冲模块，其中，第二缓冲模块由电池和超级电容并联构成。
整流桥中肖特基二极管优选为MBR1545CT型号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、在不破坏线路绝缘性的前提下为低压侧电网监测终端供电。
高压线路上绝缘等级越高，绝缘子长度也长，因此电能输送也必须有足够距离。本发明采用基于磁耦合共振的无线输电技术，即通过使高频电能发射线圈和高频电能接收线圈达到谐振频率来实现磁耦合共振，在不破坏线路绝缘性的前提下可实现一定距离的能量无线传输，从而可应用于低压侧电网检测终端的供电。
2、能较好适应恶劣环境。
高压输电杆塔位于高压强电环境，工频干扰多，且需暴露于室外，本发明装置能适应高压输电杆塔所处的恶劣环境，从而可保证高压输电线路长时间的可靠供电。
3、结构简单，安装方便。
本发明装置采用模块化设计，各模块功能明确，且便于安装，适合高空作业人员简单安全的进行安装。
4、稳定可靠。
本发明装置采用自动跟踪谐振点，在外界参数微小改变时能做出相应整定，以使装置始终工作于最佳状态。接收端在线监测装置中有通讯设备，能在不与发射端通信的前提下，实现系统传输功率的调节。
附图说明
图1为本发明系统的安装方式示意图；
图2为本发明系统的安装方式局部示意图；
图3为高压取电装置结构框图；
图4为高频电能发射装置结构和控制原理框图，其中，图（a）即高频电能发射装置结构框图，图（b）为高频逆变单元的控制原理框图；
图5为高频电能发射线圈和高频电能接收线圈组成的耦合谐振子原理图；
图6为高频整流驱动单元结构和控制原理示意图，其中，图（a）为高频整流驱动单元的结构框图，图（b）为高频整流驱动单元的控制原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
见图1~2，本发明共振式无线供电系统包括高压取电装置（1）、高频电能发射装置（2）和高频电能接收装置（3），高压取电装置（1）和高频电能发射装置（2）设于高压线路（5），高频电能接收装置（3）设于杆塔（6）并给负载在线监测装置（4）供电。
高频电能发射装置包括高频逆变单元和高频电能发射线圈，高频电能接收装置包括高频电能接收线圈和高频整流驱动单元。高压取电装置从高压线路获取交流电，高压取电装置中整流器将交流电转换为直流电并传输至高频逆变单元，高频逆变单元将直流电转换成高频交流电，并通过高频电能发射线圈发射。高频电能接收线圈将接收的高频交流电传输至高频整流驱动单元，高频整流驱动单元将高频交流电转换成可供负载工作的直流电，从而实现高电压环境下的无线供电。本发明系统的电磁兼容性可满足高压强电环境下装置的正常工作，防护等级为IP67。
见图3，高压取电装置安装于高压线路，取电电流互感器将高压线路周围的交变磁场变为交变电能，整流模块将交变电能转换为直流电能。由于高压线路上电流是变化的，为保证高压取电装置输出侧获得稳定电压，取能电源模块输入侧还设有由电池和超级电容并联构成的第一缓冲模块。整流模块和第一缓冲模块间通过第一稳流模块相连，第一稳流模块用来控制流入第一缓冲模块的电流，保证第一缓冲模块处于稳定的充放电状态，从而在输出端得到稳定电压。本具体实施中，高压取电装置由TMS320F28335型DSP控制，DSP产生的PWM信号，通过驱动板驱动第一稳流模块的IGBT。
高压取电装置通过取电电流互感器从高压线路获取电能，然后输入取能电源模块，取能电源模块对高压取电装置输出进行整流滤波处理并实现隔离稳压输出。取能电源模块内含取电调节保护电路，可以实时的调节和限制输入的电能，吸收因雷击等特殊情况引起的瞬间大电流，保证输电导线电流不稳定时仍能输出稳定电压。
取电电流互感器从高压线路上抽取的能量大小与高压线路上电流大小有关，也与取电电流互感器和取能电源模块的型号有关，输电导线的电流越大，高压取电装置可以输出的功率也越大，高压取电装置的额定输出功率指输电导线上电流足够大时，高压取电装置能提供的最大功率输出。高压取电装置在工作期间会根据导线的电流大小和负载所需的功率自行调节工作模式。
高压取电装置的工作模式如下：
1、待机模式：当输电导线上电流非常小，甚至无法提供高压取电装置启动所需消耗的电能时，高压取电装置处于待机状态，不输出功率，此时输出电压为零。
2、间断工作模式：当输电线路电流增大到一定值，抽取的电能可以支持高压取电装置启动，但不足以支持负载正常工作时，高压取电装置会处于间断工作状态，断续对负载输出功率，此时输出电压值为额定输出电压和零伏跳跃变化的方波。
3、正常工作模式：当输电线路电流足够大，抽取的电能可以支持负载工作时，高压取电装置正常输出负载所需功率，并限制输入取能电源模块的多余能量，输出稳定的电压。
高压取电装置在所有工作模式下都不会输出额定电压值和零伏以外的异常电压值，以确保负载的安全工作。
高频电能发射装置包括高频逆变单元和高频电能发射线圈，高频逆变单元用来将高压取电装置输出的直流电转换成频率约1M的高频交流电，并通过高频电能发射线圈发送。高频逆变单元采用单相全桥逆变电路，开关管为MOS管。高频逆变单元由两个桥臂并联构成，各桥臂均由上桥臂和下桥臂组成，同一桥臂中的上桥臂和下桥臂不能同时导通，高频逆变单元的输入为直流侧，输出为交流侧。
见图4（a），本实施例中高频逆变单元包括二极管D1、D2、D3、D4和MOS管S2、S3、S4、S5，其中，二极管D1、D2、D3、D4反并联；MOS管S2和S3构成第一桥臂，S2为上桥臂，S3为下桥臂，S2和S3不能同时导通；MOS管S4和S5构成第二桥臂，S4为上桥臂，S5为下桥臂，S4和S5不能同时导通。本实施例中，MOS管型号为IRF470。
图4（b）为高频逆变单元的控制框图，DSP控制频率合成模块产生高频方波信号，高频方波信号分别经反相器和缓冲器后通过门驱动器驱动第一桥臂和第二桥臂，从而将直流电变成高频交流电，并通过高频电能发射线圈发送。
本发明中高频逆变单元驱动主电路的频率可达到1MHz以上，而一般IGBT的软开关频率最多只能达到几百KHz。本发明高频逆变单元中开关管采用MOS管，MOS管是单极性电压驱动器件，具有工作频率高、安全工作区宽以及输入阻抗高等优点。因此，在满足耐压前提下，本发明选择耐压较低、且体内寄生电容小的MOS管。
图5为高频电能发射线圈和高频电能接收线圈的原理示意图，下文将高频电能发射线圈和高频电能接收线圈分别简称为“发射线圈”和“接收线圈”。本发明中发射线圈和接收线圈采用低电阻、高Q值的绕组，当发射线圈和接收线圈的固有频率一致时，就会产生共振，从而达到无线能量传输达到最大。发射线圈和接收线圈也可适当使用高频铁心，达到提高发射线圈和接收线圈间的耦合系数的效果。
导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成的谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心、以空气为传输媒质的时变磁场。与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。发射线圈和接收线圈设计的关键是保持驱动电路频率、发射线圈的谐振频率和接收线圈的谐振频率保持高度一致，从而在共振状态下实现无线能量传输的最大化。
源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产生电动势，同时向其电容充电。当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。若系统没有负载（包括线圈的寄生电阻）消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达到最大值(各时刻两线圈包含的能量之和)；若系统有负载消耗能量，源线圈将源源不断的向负载线圈传递能量，实现无线能量传输。
见图6（a），高频整流驱动单元采用整流桥将高频交流电整流成直流电，并依次通过第二稳流模块、第二缓冲模块稳定直流供电端的电压，为负载供电。因为高频交流电的频率很高，因此整流桥必须使用超高速快恢复二极管。整流桥和第二缓冲模块间采用第二稳流模块相连，第二缓冲模块由电池和超级电容并联构成。第二稳流模块用来控制流入第二缓冲模块的电流，保证第二缓冲模块处在稳定的充放电状态。
见图6（b），整流桥为不控全桥整流，由四对肖特基二极管对组成，肖特基二极管对由两个肖特基二极管并联构成。本实施例中，所采用肖特基二极管型号为MBR1545CT。该整流桥可减少损耗，从而为电路提供高可靠性。
负载在线监测装置（4）核心是S3C6410型ARM处理器，其可将摄像头拍摄的系统状态通过GPRS模块发送到控制中心。另外，其还可通过CAN总线与高频电能发射装置和高频电能接收装置进行通讯，获取无线供电系统的运行状态（包括电压、电流、发射功率和接收功率等）、输电线路、配电线路在线监测装置采集的数据。另一方面，它还为本发明系统的参数调整提供通讯信道，如因线圈老化造成谐振频率点失调，则可通过GRPS远程调整线圈频率。
本发明具有如下特点：
（1）可通过GPRS、CDMA、3G等无线网络通信技术将无线供电系统的状态等信息采集至控制中心，供维护人员查看并历史归档，便于事件回放和故障分析。在GPRS通讯模式，考虑到通讯速度限制，可在无线供电系统的空闲状态发生信息。
（2）静电放电抗扰度能承受“GB/T17626.2—1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验”第5章规定4级的静电放电试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（3）射频电磁场辐射抗扰度能承受“GB/T17626.3—1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验”第5章规定的试验等级为3级的辐射电磁场干扰试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（4）脉冲磁场抗扰度能承受“GB/T17626.9—1998电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验”第5章规定的试验等级为4级的脉冲磁场干扰试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（5）工频磁场抗扰度能承受“GB/T17626.8—1998电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验”第5章表1和表2规定的试验等级为4级的工频磁场干扰试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（6）浪涌（冲击）抗干扰度能承受“GB/T17626.5—1999电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗干扰度试验”第5章规定的试验等级为4级的浪涌（冲击）干扰试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（7）电压暂降、短时中断和电压变化抗干扰度能承受“GB/T17626.11—1999电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化抗干扰度试验”中规定的电压突降△Ｕ为100%、电压中断为0.5s的电压暂降、短时中断和电压变化抗干扰试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（8）电快速瞬变脉冲群抗扰度能承受“GB/T17626.4—1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验”第5章规定的试验等级为4级的电快速瞬变脉冲群抗扰度干扰试验。在试验期间及试验后，当智能电网在线监测终端无线供电装置按预期使用时，其性能降低或功能丧失不允许低或可容许的性能丧失。在试验过程中，性能下降是允许的，但不允许实际运行状态或存贮数据有所改变。
（9）高温性能能承受“GB/T2423.2试验Bb”中严酷等级为：温度＋70℃、持续时间16h的高温试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（10）低温性能能承受“GB/T2423.1试验Ab”中严酷等级为：温度﹣45℃、持续时间16h的低温试验。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（11）交变湿热性能满足“GB/T2424.4试验Db”中高温温度为＋55℃，试验周期1天，原地恢复2h的试验要求。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（12）耐高压性能能满足“GB/T16927.1—1997高电压试验技术第一部分一般试验要求”中距离被检装置0.5m，试验电压不低于110kV，电压波形为正弦，试验电压频率为45～55Hz，持续时间60s的交流电压试验。装置应无破坏性放电发生。在试验期间及试验后，本发明系统能正常工作。
（13）振动性能在非工作、非包装状态下智能电网在线监测终端无线供电装置应能通过如下严酷等级的正弦振动试验，本发明系统能正常工作。
（14）运输性能a）产品包装后应按“GB/T6587.6—1986电子测量仪器运输试验”中规定进行试验，能承受该标准表1中等级为Ⅱ的运输试验（包括自由跌落、翻滚试验）。试验后，装置能正常工作。b）产品包装后应按“QJ/T815.2—1994产品公路运输加速模拟试验方法”中规定进行试验，能承受该标准中等级为三级公路中级路面的运输试验。经过2h试验时间后，本发明系统能正常工作。
（15）外壳防护符合GB4208中规定的外壳防护等级IP67的要求。
（16）防雷a）终端装置有防雷击和防过电压的保护措施，并能与主地网可靠连接。b)串口和网络通信具有防雷措施。
（17）可靠性指标在雷击过电压、一次回路操作、一次设备故障、二次回路操作及其它强干扰作用下，装置不损坏。装置的快速瞬变干扰试验、高频干扰试验、浪涌试验、静电放电干扰试验、辐射电磁场干扰试验等满足《远动终端设备》GB/T13729-2002规定中4级的要求；平均无故障时间不小于50000小时。
Claims (6)
1.用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是，包括：
高压取电装置、高频电能发射装置和高频电能接收装置，高压取电装置和高频电能发射装置在高压线路上在线运行，高频电能接收装置设于低压侧，给负载在线监测装置供电；其中：
高压取电装置用来从高压线路获取交流电并将交流电转换为直流电，直流电传输至高频电能发射装置；
高频电能发射装置包括高频逆变单元和高频电能发射线圈，高频逆变单元用来将直流电转换为高频交流电，高频交流电通过高频电能发射线圈发射；
高频电能接收装置包括高频电能接收线圈和高频整流驱动单元，高频电能接收线圈接收高频交流电，高频整流驱动单元将高频交流电转换成直流电，并输至给负载在线监测装置；
所述的高频逆变单元以MOS管为开关管，采用单相全桥逆变电路，由两个桥臂并联构成，各桥臂均由上桥臂和下桥臂组成，同一桥臂中的上桥臂和下桥臂不能同时导通；
所述的高频整流驱动单元包括整流桥，整流桥为不控全桥整流，由四对肖特基二极管对组成，肖特基二极管对由两个肖特基二极管并联构成。
2.如权利要求1所述的用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是：
所述的高压取电装置包括依次相连的取电电流互感器、整流模块、第一稳流模块、第一缓冲模块、取能电源模块，其中，第一缓冲模块由电池和超级电容并联构成。
3.如权利要求1所述的用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是：
所述的MOS管型号为IRF470。
4.如权利要求1所述的用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是：
所述的高频逆变单元包括二极管D1、D2、D3、D4和MOS管S2、S3、S4、S5，其中，二极管D1、D2、D3、D4反并联；MOS管S2和S3构成第一桥臂，S2为上桥臂，S3为下桥臂，S2和S3不能同时导通；MOS管S4和S5构成第二桥臂，S4为上桥臂，S5为下桥臂，S4和S5不能同时导通。
5.如权利要求1所述的用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是：
所述的高频整流驱动单元包括依次相连的整流桥、第二稳流模块、第二缓冲模块，其中，第二缓冲模块由电池和超级电容并联构成。
6.如权利要求1所述的用于高压输电线路的共振式无线供电系统，其特征是：
所述的肖特基二极管型号为MBR1545CT。
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