CN105553119A - 电流感应取电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流感应取电装置及方法，所述装置包括：依次相连的电流感应单元、功率泄放控制单元、功率控制单元及储能单元；所述电流感应单元，用于利用电磁耦合效应从高压电缆中取电；所述功率泄放控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；所述功率控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出功率小于理论最大输出功率时，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。上述装置有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

Description

电流感应取电装置及方法

技术领域

本发明涉及感应取电技术领域，尤其涉及一种电流感应取电装置及方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，人们对电能的依赖程度也越来越高。电力行业在国内各行业中的地位至关重要，是国民经济发展的必要基础和良好保证。在集中式电网构架中，输电线路是非常重要的一环，承担着将发电厂发出的电能送往千万用户端的任务。因此，为了保障电力系统的安全运行，我国提出了“以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网”—智能电网。智能电网要求电力系统能更好的实时监测、管理电网的运行情况，需要在输电线路端加设各种智能监测设备，例如电子式电流互感器，高压开关柜测温仪，电力监测系统等，然而由于输电线路检测设备多被安装于野外与郊区，电源一般很难通过低压端直接供给，传统的电池供电不能为设备长期提供稳定的电源，且维护成本过高。因此，利用现有资源进行就地取电己经变成当下监测设备供电发展趋势。

现如今就地供能方式大致分为以下几种：

太阳能电池供电，主要有太阳能电池板，充放电控制电路与蓄电池三部分。当光照充足时，太阳能电池同时向负载供电与向电池充电，在阴天或夜间则直接由蓄电池进行供电，该方式不足之处在于，太阳能供电对于环境的依赖性较大，且所需而配置的蓄电池的维护更换成本过高。

电容分压供电，该种方式依靠从导线与其他区域形成的电势差，继而从其中获取一定的电场能量。该种方式电路简单，维护方便，成本低。但其对保护和绝缘有着较高的要求，且极易受到来自环境中的杂散电容的干扰。

电流互感器(CT)取能，该种方式通过取能电流互感器从高压母线获取交流电能，之后经过整流电路、滤波、稳压电路转化为稳定的电压源为设备供电。此外为了预防停电或取电不足的情况，需要在该取能装置中加装后备电源，并通过充放电电路设计使得CT取电可以在不同工作模式下进行切换。

电流互感器取电由于其安装方便，易于维护，有着良好的电气隔离性能，在高压取电上得到了较为广泛的应用。但由于输电线路中电流有着其不确定性，当输电线路发生短路时，电流可能达到几千安培，而当输电线路断电或空载时，有可能下降到几个安培。因此，CT取能往往要解决以下几个问题：

1)当输电线路中电流过大时，使得二次侧取能电压过高而烧坏元件，因此需要采用合理的泄能控制方式，保证电源的稳定输出。

2)当输电线路中电流过小时，需要在后备电路中添加储能设备，保证后部设备正常工作。

3)当输电线路电流过大时，需要防止CT长时间工作在深度饱和状态。

4)需要优化电路结构，提高CT取能的效率，保证电源能在同样的一次电流条件下获取最大的功率，进而减小取能电源所需的最小的一次启动电流。

现有的感应取电装置，通常利用取能线圈从高压输电线路上获取电能，并经过一系列滤波、整流、并结合DC-DC变换器为负载与后备蓄电池供电。然而，该方法在线路电流过大时，取电装置发热严重，磁芯饱和严重。并且其后备电源所采用的是锂电池，而锂电池受环境因素制约，不适合长期工作在也为输电线路上。

此外，还可以对电流互感器所取得交变电动势进行整流，并将其储存在储能电容中。将储能电容电压与基准电压作比较，根据比较结果输出控制信号，对取电装置进行调节。该方法虽然解决了取电装置在大电流与小电流的情况下的取电问题，但其取电效率较低，且电路结构稳定性较差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电流感应取电装置及方法，有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

第一方面，本发明提供一种电流感应取电装置，包括：

依次相连的电流感应单元、功率泄放控制单元、功率控制单元及储能单元；

所述电流感应单元，用于利用电磁耦合效应从高压电缆中取电；

所述功率泄放控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；

所述功率控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出功率小于理论最大输出功率时，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

优选地，所述装置还包括：整流单元，所述整流单元连接于所述功率泄放控制单元与所述功率控制单元之间。

所述整流单元，用于将所述电流感应单元二次侧交流电整合成直流电。

优选地，所述装置还包括：输出调整单元，所述输出调整单元与所述储能单元连接；

所述输出调整单元，用于对所述功率控制单元输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。

优选地，所述功率泄放控制单元包括：交流开关器件及第一控制器；

所述第一控制器分别与所述交流开关器件的控制端及所述电流感应单元的输出端连接；

所述第一控制器，用于周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压，并在所述输出电压大于预设电压时，通过控制所述交流开关器件对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压。

优选地，所述交流开关器件为双向晶闸管。

优选地，所述功率控制单元包括：降压电路及第二控制器；

所述第二控制器分别与所述降压电路的控制端及所述电流感应单元的输出端连接；

所述第二控制器，用于周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压和输出电流计算输出功率；在所述输出功率小于理论最大输出功率时，通过控制所述降压电路，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

优选地，所述降压电路为buck电路。

第二方面，本发明提供一种基于上述任一电流感应取电装置的电流感应取电方法，包括：

电流感应单元利用电磁耦合效应从高压电缆中取电；

功率泄放控制单元周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压，在所述输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；

功率控制单元根据所述输出电压确定所述电流感应单元二次侧的输出功率，在所述输出功率小于理论最大输出功率时，对所述输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

优选地，在所述功率泄放控制单元周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压之前，所述方法还包括：

对所述电流感应单元二次侧电能进行整流。

优选地，所述方法还包括：

对所述功率控制单元输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。

由上述技术方案可知，本发明的电流感应取电装置及方法，通过功率泄放控制单元对电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；通过功率控制单元对所电流感应单元二次侧的输出功率输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。由此，有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的电流感应取电装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的电流感应取电装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的输出电压与输出功率的曲线关系图；

图4为本发明实施例提供的电流感应取电装置的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的控制信号生成过程的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的反激式开关电源的电路原理图；

图7为本发明实施例提供的输出调整单元的电路原理图；

图8为本发明一实施例提供的电流感应取电方法的流程示意图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的电流感应取电装置，如图1所述，本实施例的电流感应取电装置，包括：依次相连的电流感应单元11、功率泄放控制单元12、功率控制单元13及储能单元14。

电流感应单元11，用于从高压电缆中取电；

功率泄放控制单元12，用于在所述电流感应单元11二次侧的输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；

功率控制单元13，用于在所述电流感应单元11二次侧的输出功率小于理论最大输出功率时，对所述电流感应单元11二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

优选地，上述的电流感应取电装置还包括图2所示的整流单元15，所述整流单元15连接于所述功率泄放控制单元12与所述功率控制单元13之间。

上述整流单元15，用于将所述电流感应单元11二次侧交流电整合成直流电。

优选地，上述的电流感应取电装置还包括图2所示的输出调整单元16，所述输出调整单元16与所述储能单元14连接；

上述输出调整单元16，用于对所述功率控制单元11输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。

在实际应用中，上述的电流感应单元11利用电磁耦合从高压电缆中取电，可采用电流互感器从高压电缆中取电，具体应用时就选择参数适合的电流互感器作为电流感应单元11，电流互感器的参数包括：截面积、磁路平均长度、磁芯材料和二次侧匝数。例如，可选取磁芯材料为硅钢片，磁芯面积为12cm²，磁芯长度为30cm，线圈匝数为400的电流互感器作为上述的电流感应单元11。

优选地，可采用桥式整流电路作为上述的整流单元15，桥式整流电路中的二级管可采用正向压降较低的肖特基二极管。

如图2所示，上述的功率泄放控制单元12包括：交流开关器件121及第一控制器122；所述第一控制器122分别与所述交流开关器件121的控制端及所述电流感应单元11的输出端连接。

第一控制器122，用于周期性获取所述电流感应单元11二次侧的输出电压，并在所述输出电压大于预设电压时，通过控制所述交流开关器件121对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压。

可理解的是，高压电缆的电流，即电流互感器的一侧次电流存在着不确定性，通常会出现较大波动，使得二次侧的输出电压也会出现较大范围的变化。若一次侧电路中的电流过大时，二次侧的输出电压过高会将元件损坏。因此，需要根据实际应用来设置输出负载电路的最大电压，即上述的预设电压，在二次侧的输出电压大于预设电压时，对电流互感器的电能进行功率泄放，从而使得二次侧的输出电压保持在负载正常工作范围内。由此，较好的提高电路的稳定性。

在实际应用中，上述的交流开关器件121可采用双向晶闸管，第一控制器122可采用单片机。

进一步的，上述的功率控制单元13包括：降压电路131及第二控制器132。所述第二控制器分132别与所述降压电路131的控制端及所述电流感应单元11的输出端连接；

第二控制器132，用于周期性获取所述电流感应单元11二次侧的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压和输出电流计算输出功率；在所述输出功率小于理论最大输出功率时，通过控制所述降压电路131，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

应该说明的是，在一次侧电流一定时，电流互感器的输出功率与输出电压的关系呈类抛物线的关系，参见图3。也就是说，在某一输出电压值上的输出功率达到最大，即上述的理论最大功率，在该电压值的取电效率也最高。在本实施例中，通过第二控制器132控制降压电路131，对二次侧的输出电压进行调节，从而使调节后的输出功率无限接近理论最大功率，由此提高了电流互感器的取电效率，减小了所需的一次启动电流，同时通过改变功率管导通占空比的大小，使其对于任何负载都能够取得理论最大功率，增加了对不同负载的适用性。

在实际应用中，上述的降压电路131可采用buck电路，上述的第二控制器132可采用单片机。

优选地，上述的第一控制器122与第二控制器132可采用同一单片机分别对双向晶闸管与buck电路进行控制。

本实施例的电流感应取电装置，通过功率泄放控制单元对电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；通过功率控制单元对所电流感应单元二次侧的输出功率输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。由此，有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

在一种可实施的方式中，本发明的电流感应取电装置可采用图4所示的电路图，其具体取电控制过程如下所述。

电流互感器T1作为电流感应单元从高压电缆中取电，双向晶闸管TR1和单片机组成功率泄放控制单元，单片机与双向晶闸管的控制极连接。桥式整流电路作为整流单元，buck电路和上述单片机组成功率控制单元，储能电容C2作为储能单元。最后连接如图4所示的调整电路作为输出调整单元来进行稳压后为负载供电。

具体来说，本发明所述的电流感应单元的二次侧输出电压，指图4所示的稳压电容C1两端的电压，本实施例以U₀表示上述的输出电压，U₁表示后续电路可保证正常工作的最小电压，U₂表示后续电路可保证正常工作的最大电压。U₁和U₂均在实际操作中测量或计算所得。以下分别以三种工作模式说明本实施例功率泄放单元的工作过程：

1)在0<U₀<U₁时，电流感应取电装置处于休眠模式，单片机输出的控制信号为占空比为100％的高电平信号，使得双向晶闸管处于导通状态，电流互感器二次侧短路。由于此时一次侧电流较小，为了保护后级电路，不采用电流感应取电装置作为供电设备，改用其他供电方式，如锂电池或太阳能电池为后级负载供电。

2)在U₁<U₀<U₂时，电流感应取电装置处于正常工作模式，此时功率泄放控制单元不参与控制，单片机输出的控制信号为低电平信号，双向晶闸管处于开路状态，电流感应取电装置处于最大取电功率模式下工作。

3)在U₀>U₂时，电流感应取电装置处于功率泄放模式，单片机根据U₀与U₂的比较值，向双向晶闸管输出控制信号，从而减小U₀到正常工作范围内。在调整输出电压U₀的同时，若调整后的输出电压U₀在5s内，都保持在U₀<U₂的状态，电流感应取电装置退出功率泄放模式，返回到正常工作模式下运行。

进一步地，上述的buck电路包括稳压电容C1、MOSFET管Q1、二极管D5及储能电感L1。上述的单片机与MOSFET管Q1的控制极连接，用于控制输出功率等于理论最大功率，以提高装置的取电效率。

具体来说，单片机以10MHz的频率采集稳压电容C1的电压值和电流值，并根据该电压值和电流值计算输出功率，通过比较前后两次的输出功率值对稳压电容C1的电压进行控制。

举例来说，单片机可采用自适应变步长爬山法对C1的电压，即输出电压进行控制。由于输出功率与输出电压呈类抛物线的关系，因此，越靠近关系曲线最大值处的曲线斜率越小。将输出功率对输出电压的微分dp/du作为变步长爬山法的选择变量，则MOSFET管Q1的占空比可为D_n＝D_n-1±k(dp/du)。当距离最大功率点较远时，选取较大步长，保证了其快速性，当距离最大功率点较近时，选取较小的步长，保证其稳定性，抑制波形震荡。

单片机输出占空比控制信号的过程如图5所示。首先进行程序的初始化，分别采用C1的电压值U(n)和电流值I(n)，由此计算当前输出功率P(n)。与前一次的输出功率P(n-1)作比较，在P(n)>P(n-1)时，进一步判断U(n)是否大于U(n-1)，当U(n)>U(n-1)时，将D(n)＝D(n-1)-k(dp/du)作为控制信号输出；当U(n)<U(n-1)时，将D(n)＝D(n-1)+k(dp/du)作为控制信号输出。在P(n)<P(n-1)时，进一步判断U(n)是否大于U(n-1)，当U(n)>U(n-1)时，将D(n)＝D(n-1)+k(dp/du)作为控制信号输出；当U(n)<U(n-1)时，将D(n)＝D(n-1)-k(dp/du)作为控制信号输出。

本实施例的输出调整单元可采用反激式开关电源，反激式开关电源可包括：PWM控制芯片、变压器、MOSFDT管，其电路图如图6所示。由图6可知，变压器的输出端经电阻R1和R2分压与PWM控制芯片VF引脚与COMP引脚连接，R4、电容C4与C5依次与Vref端与时钟端连接为开关电源选择适合的时钟振荡周期，PWM控制芯片输出端经R5、R6分压后与MOSFDT管栅极相连，变压器的输入端与MOSFDT管漏极相连。

此外，还可采用图7所示的放大器调整输出电路作为输出调整单元。如图7所示，放大器同向输入端连接于电阻R5与稳压二极管DZ2之间，以此设置基准电压。放大器反向输入端连接于电阻R3与R4之间，以采集输出电压，完成电压反馈回路。放大器输出端接在三极管T2的射极与调整管T3的栅极，调整管T3的射极与调整管T4的栅极连接，以起到放大作用。调整管T2、电阻R1、R2和稳压二极管DZ1构成调整管T3、T4的启动电路，当储能电容C2上的电压值高于DZ1的稳压值时，稳压管DZ1两端电压使T2导通，放大器输出端建立电位使得T2、T3导通，电路进入工作状态。当输出电压过大时，电容C3电压过高，放大器将电容C3的电压与基准值比较，截止限流调整管T2、T3，使得输出电压下降。

本实施例的电流感应取电装置，通过功率泄放控制单元对电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；通过功率控制单元对所电流感应单元二次侧的输出功率输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。由此，有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

基于上述任一电流感应取电装置，本发明还提供一种电流感应取电方法，如图8所示，本实施例的电流感应取电方法如下所述。

801、电流感应单元从高压电缆中取电。

802、功率泄放控制单元周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压，在所述输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压。

在实际应用中，在上述的步骤802之前，本实施例的电流感应取电方法还包括图中未示出的步骤802’。

802’、对所述电流感应单元二次侧电能进行整流。

803、功率控制单元根据所述输出电压确定所述电流感应单元二次侧的输出功率，在所述输出功率小于理论最大输出功率时，对所述输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

优选地，本实施例的电流感应取电方法还包括图中未示出的步骤803’。

803’、对所述功率控制单元输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。

本发明的电流感应取电方法，通过对电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；通过对所电流感应单元二次侧的输出功率输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。由此，有效地提高了取电效率及电路的稳定性，提高了对不同种类负载的适用性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种电流感应取电装置，其特征在于，所述装置包括：

依次相连的电流感应单元、功率泄放控制单元、功率控制单元及储能单元；

所述电流感应单元，用于利用电磁耦合效应从高压电缆中取电；

所述功率泄放控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；

所述功率控制单元，用于在所述电流感应单元二次侧的输出功率小于理论最大输出功率时，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：整流单元，所述整流单元连接于所述功率泄放控制单元与所述功率控制单元之间。

所述整流单元，用于将所述电流感应单元二次侧交流电整合成直流电。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：输出调整单元，所述输出调整单元与所述储能单元连接；

所述输出调整单元，用于对所述功率控制单元输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述功率泄放控制单元包括：交流开关器件及第一控制器；

所述第一控制器分别与所述交流开关器件的控制端及所述电流感应单元的输出端连接；

所述第一控制器，用于周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压，并在所述输出电压大于预设电压时，通过控制所述交流开关器件对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述交流开关器件为双向晶闸管。

6.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述功率控制单元包括：降压电路及第二控制器；

所述第二控制器分别与所述降压电路的控制端及所述电流感应单元的输出端连接；

所述第二控制器，用于周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压和输出电流计算输出功率；在所述输出功率小于理论最大输出功率时，通过控制所述降压电路，对所述电流感应单元二次侧的输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述降压电路为buck电路。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的电流感应取电装置的电流感应取电方法，其特征在于，所述方法包括：

电流感应单元利用电磁耦合效应从高压电缆中取电；

功率泄放控制单元周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压，在所述输出电压大于预设电压时，对所述输出电压进行调节，以使调节后的输出电压小于或等于所述预设电压；

功率控制单元根据所述输出电压确定所述电流感应单元二次侧的输出功率，在所述输出功率小于理论最大输出功率时，对所述输出电压进行调节，以使调节后输出功率等于所述理论最大输出功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述功率泄放控制单元周期性获取所述电流感应单元二次侧的输出电压之前，所述方法还包括：

对所述电流感应单元二次侧电能进行整流。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述功率控制单元输出的电能进行稳压及直流变换处理，以使处理后的电能电压适用于负载。