CN108899978B - 基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置及调控方法 - Google Patents

基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置及调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,包括取能电流互感器(取能CT),可调阻抗电路,AC‑DC变换电路,蓄电池与超级电容能量管理模块以及用电负载。通过研究二次侧负载对取能效果的影响,建立了取能CT输出的有功功率与二次侧阻抗的数学关系。采用在二次侧并联可调阻抗的方法,通过调节可调阻抗,实现一次侧电流大范围变化时,能够获取所需的功率输出。本发明通过并联谐振的方式,降低了取能CT一次侧电流阈值下限,利用可调阻抗分流的方式提升一次侧电流阈值上限,从而拓宽了取能CT的工作范围。并根据输出功率与二次侧阻抗的数学关系,实现取能CT在一次侧电流大范围波动的情况下,输出所需的目标功率。

Description

基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置及调控 方法
技术领域
本发明涉及应用于输电线路在线监测系统的供电技术领域,具体为一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置及调控方法。
背景技术
随着智能电网的快速发展,电力系统输电线路电压等级和输送容量都在不断提高,对高压输电线路运行状态进行在线监测,以及对线路故障的准确定位越来越为人们所重视。在高电压、强电磁环境中,稳定可靠的电源供给是在线监测装置长期稳定运行的前提和基础。
近年来,中外学者对输电线路在线监测装置供电问题进行了大量卓有成效的研究。输电线路在线监测系统常见的供电方法主要有蓄电池供电、风能太阳能蓄电池组合供电、激光供电、电场供电以及磁场供电等。现有的供电方法中,采用电池供电不适合对供电功率要求较高的场合,且更换频繁,难以保证在线监测设备长期运行;太阳能蓄电池供电不适合在阳光不足的地区使用,且灰尘不易清洗,降低了取能效率;激光供电需要在地面有低压电源产生激光,要求条件苛刻,且运行成本相对较高;电场供电不适合为地下电缆监测设备供电,且由于供电功率较低,难以保证大多数在线监测装置的可靠运行。
磁场供电利用电磁感应原理,采用电流互感器(取能CT)从输电线路上感应取能,为后续在线监测设备提供电能,具有供电可靠性高、受环境影响小等显著优点。如图1所示为一个典型的感应取能装置。由于应用场合的限制,电流互感器一次侧匝数为1匝,同时输电线路的运行条件和制造成本对取能装置的重量提出了较高要求,这导致取能CT的铁芯不能过大,因此当取能CT一次侧电流(正弦)大范围波动时,取能CT将可能无法在大范围工作条件下获取足够的能量。另一方面,由于取能CT在输电线路上安装条件限制,输电线路作为取能CT的一次侧要穿过取能CT铁芯,因此,取能CT的铁芯一般由两个半圆柱铁芯拼接而成,这将导致铁芯等效磁导率大幅下降,增加了取能CT获取足够能量的难度。综上,当输电线路电流大范围变化的情况下,取能装置需要兼顾到以下三种工作条件:
1、在一次侧电流较小时,取能装置能够获取足够的能量,满足二次侧用电负载需求。
2、在一次侧电流过大时,取能装置要防止铁芯发生饱和,避免二次侧电压波形畸变和峰值过高。
3、在一次侧电流大范围变化时,二次侧输出功率需尽可能满足用电负载需求,且保持相对稳定。
为兼顾上述三种要求,一种常见方法是在用电负载侧增加具有超级电容和蓄电池的能量管理模块,如图2所示。
1、当一次侧电流较小,即:小于阈值下限时,此时取能CT无法获取足够能量,开关S0、S1、S2闭合,超级电容和蓄电池工作在放电模式,与取能CT和AC/DC变换电路共同为用电负载提供电能。
2、当一次侧电流过大,即:大于阈值上限时,此时取能CT磁路饱和,无法为二次侧提供稳定的能量。为避免输出电压波形畸变和峰值过高,开关S0断开,S1、S2闭合,超级电容和蓄电池工作在放电模式,为用电负载提供电能。
3、当一次侧电流适中,即:位于阈值上下限之间时,取能CT能够获取足够能量,且磁路未饱和,开关S0、S1、S2闭合,蓄电池工作在充电模式,超级电容作为能量缓冲池,工作在稳压模式,为用电负载提供功率相对稳定的电能。
上述方案一定程度上实现了取能CT一次侧电流大范围变化时,取能CT二次侧尽可能保持输出功率相对稳定的目标。但同时也带来了,铁芯体积过大、电池充放电频繁、电池寿命限制等诸多不利因素,从而对整个取能装置适用范围、造价成本以及运行可靠性方面造成不利影响。
发明内容
本发明目的是提供一种基于可调阻抗的输电线路上高可靠性大范围感应取能装置及调控方法。基于该方法,当输电线路(取能CT一次侧)电流发生大范围波动时,通过调节可调阻抗,实现在电流小于阈值下限Imin时,取能装置工作在获取最大功率模式;电流大于阈值上限Imax,s时,取能装置工作在避免铁芯饱和模式;电流处于阈值上下限[Imin,Imax,s]之间时,使得输出功率相对稳定,为在线监测设备提供稳定可靠的电源供给。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案实现:
一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,包括取能CT,所述取能CT的二次侧通过AC/DC变换电路连接用电负载,在用电负载侧并联能量管理模块,所述取能CT的二次侧并联可调阻抗电路。
本发明通过在取能CT二次侧并联可调阻抗,实现了感应取能装置高可靠性和大工作范围的目标。根据取能CT一次侧电流工作范围、二次侧需要提供的目标功率以及可调阻抗的变化范围,建立了取能CT二次侧目标功率与系统参数的模型关系式,据此提出了通过调节可调阻抗改变取能CT二次侧等效阻抗的优化设计方法。基于该设计方法,研制了相应的感应取能装置,该装置实现了在一次侧电流大范围变化时,二次侧负载仍能获得所需的输出功率,达到感应取能装置高可靠性和大工作范围的目的。
一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,包括如下步骤:
步骤1、取能CT一次侧电流阈值下限为Imin,取能CT二次侧需要获取的目标功率为
Figure BDA0001725459460000041
根据取能CT一次侧电流阈值下限Imin和需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000043
确定取能CT中铁芯几何尺寸,得下式(1):
Figure BDA0001725459460000042
其中,μeq为取能CT的铁芯等效磁导率,f为取能CT一次侧电流的频率,h为铁芯高度,D为铁芯外径,d为铁芯内径。
步骤2、根据取能CT中铁芯几何尺寸,确定取能CT磁路饱和对应的一次侧电流阈值上限Imax,s
利用式(1)所确定的铁芯几何参数和铁芯等效磁导率,依据磁路的欧姆定律,得铁芯饱和点处对应的励磁电流Is
Figure BDA0001725459460000051
其中,Bs为铁芯BH曲线饱和点对应的磁感应强度;
根据式(2)和取能CT的参数,得到取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流阈值上限Imax,s为:
Figure BDA0001725459460000052
其中,
Figure BDA0001725459460000053
为铁芯等效磁阻;N2为取能CT二次侧匝数;Z1=R1+jX1为未并联可调阻抗时取能CT二次侧负载的复阻抗,R1是Z1的实部,X1是Z1的虚部,即AC/DC变换电路的输入阻抗;ω=2πf,为取能CT一次侧电流角频率;
步骤3、根据取能CT参数,确定取能CT激磁电抗XL
Figure BDA0001725459460000054
步骤4、通过调节可调阻抗Z,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,从而在取能CT参数和目标功率
Figure BDA0001725459460000055
相同的条件下,降低取能CT一次侧电流阈值下限,确定取能CT二次侧并联可调阻抗电路后的其一次侧电流阈值下限I′min
若,可调阻抗Z的调节范围为[Zmin,Zmax],即:Z∈[Zmin,Zmax],此时取能CT一次侧电流阈值下限I′min应满足下式:
Figure BDA0001725459460000056
由式(1)和式(5)可知,当调节可调阻抗Z,使得Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时,取能CT一次侧电流阈值下限降低为:
Figure BDA0001725459460000061
步骤5、根据可调阻抗调节范围,确定取能CT并联可调阻抗Z后的一次侧电流阈值上限I′max,s
在取能CT参数和目标功率
Figure BDA0001725459460000062
相同的条件下,通过利用二次侧并联的可调阻抗Z进行分流,提高取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流,当Z=Zmin时,取能CT一次侧电流阈值上限提高为I′max,s
Figure BDA0001725459460000063
其中,
Figure BDA0001725459460000064
为取能CT二次侧输出阻抗,Z1//Zm表示AC/DC变换电路的输入阻抗Z1与取能CT二次侧输出阻抗Zm的并联;
从式(7)可知,通过调节可调阻抗,提升后的一次侧电流阈值上限
Figure BDA0001725459460000065
式中,
Figure BDA0001725459460000066
步骤6、确定取能CT一次侧电流I1、可调阻抗Z、以及需要获取的目标功率为
Figure BDA0001725459460000067
的函数关系
当取能CT一次侧电流位于[I′min,I′max,s]区间时,根据取能CT一次侧电流I1,对取能CT二次侧并联的可调阻抗Z进行调节,取能CT仍能满足获取足够功率,且不发生铁芯饱和的要求;综合步骤1~步骤5,得下述关系式:
Figure BDA0001725459460000068
其中,I1为取能CT一次侧电流,Z2=R2+jX2,为取能CT二次侧等效阻抗,Z2由可调阻抗Z与AC/DC输入阻抗Z1并联得到;利用式(8)根据取能CT一次侧电流I1调节可调阻抗Z,实现对取能CT输出功率的调节。
步骤7、根据取能CT一次侧电流I1大小,通过调节可调阻抗Z,使其工作在容性、感性和阻性不同阻抗性质与阻抗模值情况下,取能装置将有以下五种工作模式:
(1)、当I1<I′min时,开关S0、S1、S2闭合;可调阻抗Z工作在容性状态,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式;能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在放电模式,与取能CT和AC/DC变换电路共同为用电负载提供电能;
(2)、当I′min≤I1<Imin时,开关S0、S1闭合,S2闭合或打开;可调阻抗Z工作在容性状态,根据式(8)调节可调阻抗Z,使其与励磁电感XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式,满足获取目标功率
Figure BDA0001725459460000071
的要求;
(3)、当Imin≤I1<Imax,s时,开关S0、S1、S2闭合;根据式(8),调节可调阻抗Z,提供需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000073
此时,能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在充电模式;
(4)、当Imax,s≤I1<I′max,s时,开关S0、S1、S2闭合;可调阻抗Z工作在感性状态,通过可调阻抗的分流作用,减小励磁电流,避免取能CT铁芯工作在饱和状态,同时,满足需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000072
此时,能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在充电模式;
(5)、当I1≥I′max,s时,开关S0断开,S1、S2闭合;取能CT工作在保护模式;能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在放电模式,单独为用电负载供电。
本发明通过在取能CT二次侧并联可调阻抗电路(如图3b所示),较好兼顾了以下三种工作条件要求。
1、在一次侧电流小于阈值下限时,通过调节可调阻抗,使之与取能CT的激磁阻抗发生并联谐振,此时取能CT工作在获取最大功率方式,可在更大范围内为用电负载提供所需能量,降低了一次侧电流阈值下限。
2、在一次侧电流大于阈值上限时,通过调节可调阻抗,利用其分流作用,抑制取能CT铁芯磁路过早发生饱和,提高了一次侧电流阈值上限。
3、在一次侧电流在阈值上下限之间变化时,通过调节可调阻抗,使得取能CT获取的功率满足用电负载需求,且保持相对稳定。
本发明在较好兼顾以上三方面要求的同时,不但可以降低蓄电池充放电频次,提高蓄电池的寿命和整个装置的可靠性,而且可以优化取能CT的铁芯设计,扩大取能装置工作范围,或减小铁芯体积,等效降低了取能装置成本。
本发明设计合理,通过研究取能CT二次侧负载对取能效果的影响,建立了取能CT输出的有功功率与二次侧阻抗的数学关系。采用在二次侧并联可调阻抗的方法,通过调节可调阻抗,实现一次侧电流大范围变化时,能够获取所需的功率输出。本发明通过并联谐振的方式,降低了取能CT一次侧电流阈值下限,利用可调阻抗分流的方式提升一次侧电流阈值上限,从而拓宽了取能CT的工作范围。并根据输出功率与二次侧阻抗的数学关系,实现取能CT在一次侧电流大范围波动的情况下,输出所需的目标功率。
附图说明
图1表示现有典型的感应取能装置结构示意图。
图2表示现有在负荷侧增加具有超级电容和蓄电池的能量管理模块的感应取能装置结构示意图。
图3a表示本发明所提供的基于可调阻抗的输电线路上高可靠性大工作范围感应取能装置总体结构图。
图3b表示本发明所提供的基于可调阻抗的输电线路上高可靠性大工作范围感应取能装置进行调控的原理图。
图4a表示取能CT的铁芯结构侧视示意图。
图4b表示取能CT的铁芯结构正视示意图。
图5表示单相全桥电压型PWM整流器主电路拓扑结构图。
图6表示单相半桥电压型PWM整流器主电路拓扑结构图。
图7表示单相全桥电流型PWM整流器主电路拓扑结构图。
图8表示单相半桥电流型PWM整流器主电路拓扑结构图。
图9表示功率因数校正(PFC)电路原理图。
图中:1-取能CT,11-铁芯,12-输电线路,13-气隙,2-AC/DC变换电路,3-能量管理模块,31-超级电容,32-蓄电池,4-用电负载,5-可调阻抗电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,该装置包括取能电流互感器(取能CT),可调阻抗电路,AC-DC变换电路,具有蓄电池与超级电容的能量管理模块以及用电负载。如图3a所示,取能CT 1的二次侧通过AC/DC变换电路2连接用电负载4,在用电负载4侧并联能量管理模块3,取能CT 1的二次侧并联可调阻抗电路5。
所述可调阻抗电路5采用单相全桥电压型PWM整流器或者单相全桥电流型PWM整流器。
所述可调阻抗电路5采用单相半桥电压型PWM整流器或者单相半桥电流型PWM整流器。
所述可调阻抗电路5采用功率因数校正电路。
综合输电线路运行工况与用电负载的能耗要求,不妨设,取能CT一次侧电流阈值下限为Imin,取能CT二次侧需要获取的目标功率为
Figure BDA0001725459460000101
由于所需目标功率仅为瓦级,且在总铁耗中涡流损耗所占比重极小,为简化步骤和说明,因此本发明未考虑涡流等效电阻的影响。如若需要考虑涡流损耗,亦不影响本发明的正确性和有效性。
一种基于可调阻抗的高可靠性大范围感应取能装置的调控方法,包括下列步骤:
步骤1、根据取能CT一次侧电流阈值下限Imin,确定取能CT中铁芯几何尺寸
不妨设,铁芯由左右两个半圆柱拼接而成,如图4a和4b所示。根据取能CT一次侧电流阈值下限Imin和需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000111
可得下式:
Figure BDA0001725459460000112
其中,μeq为取能CT铁芯等效磁导率,为获得较大初始磁导率,一般选取高导磁率材料为铁芯材料。f为取能CT一次侧电流的频率。h为铁芯高度,D为铁芯外径,d为铁芯内径。结合取能装置所装设的实际环境,式(1)可确定取能CT铁芯的几何尺寸。
步骤2、根据取能CT中铁芯几何尺寸,确定取能CT磁路饱和对应的一次侧电流阈值上限Imax,s
利用式(1)所确定的铁芯几何参数和铁芯等效磁导率,依据磁路的欧姆定律,可得铁芯饱和点处对应的励磁电流Is
Figure BDA0001725459460000113
其中,Bs为铁芯BH曲线饱和点对应的磁感应强度。
根据式(2)和取能CT的参数,得到取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流阈值上限Imax,s为:
Figure BDA0001725459460000114
其中,
Figure BDA0001725459460000115
为铁芯等效磁阻,N2为取能CT二次侧匝数,Z1=R1+jX1为未并联可调阻抗时取能CT二次侧负载的复阻抗,即AC/DC变换电路的输入阻抗,ω=2πf为取能CT一次侧电流角频率。
一般地,输电线路正常运行工况下,取能CT一次侧电流上限Imax远大于取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流阈值上限Imax,s。对于Imax≤Imax,s的情况可作为一种特例,不影响本发明的分析结果。
步骤3、根据取能CT参数,确定取能CT激磁电抗XL
Figure BDA0001725459460000121
步骤4、调节可调阻抗Z,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,从而确定取能CT并联可调阻抗后的一次侧电流阈值下限I′min
为满足取能CT一次侧电流在更大范围内波动时,取能CT仍能获取足够的功率且不发生饱和的要求,采用在取能CT二次侧并联可调阻抗Z的方法。通过调节可调阻抗Z,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,从而在取能CT参数和目标功率
Figure BDA0001725459460000122
相同的条件下,降低了取能CT一次侧电流阈值下限,即:扩大了取能CT的工作范围。不妨设,可调阻抗的调节范围为[Zmin,Zmax],即:Z∈[Zmin,Zmax],此时取能CT一次侧电流阈值下限I′min应满足下式:
Figure BDA0001725459460000123
由式(1)和式(5)可知,当调节可调阻抗Z,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时,一次侧电流阈值下限降低为:
Figure BDA0001725459460000124
步骤5、根据可调阻抗调节范围,确定取能CT并联可调阻抗Z后的一次侧电流阈值上限I′max,s
在取能CT参数和目标功率
Figure BDA0001725459460000131
相同的条件下,通过利用二次侧并联的可调阻抗Z进行分流,提高了取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流,即:扩大了取能CT的工作范围。当Z=Zmin时,取能CT一次侧电流阈值上限提高为I′max,s
Figure BDA0001725459460000132
其中,
Figure BDA0001725459460000133
为取能CT二次侧输出阻抗(忽略涡流等效电阻),Z1//Zm表示AC/DC变换电路的输入阻抗Z1与取能CT二次侧输出阻抗Zm的并联。从式(7)可知,通过调节可调阻抗Z,提升后的取能CT一次侧电流阈值上限
Figure BDA0001725459460000134
式中,
Figure BDA0001725459460000135
步骤6、确定取能CT一次侧电流I1、可调阻抗Z、以及需要获取的目标功率为
Figure BDA0001725459460000136
的函数关系
当取能CT一次侧电流位于[I′min,I′max,s]区间时,根据取能CT一次侧电流I1,对取能CT二次侧并联的可调阻抗Z进行调节,取能CT仍能满足获取足够功率,且不发生铁芯饱和的要求。在其他条件相同情况下,这就拓宽了取能CT的工作范围,或等效减小了铁芯的重量、体积,或装置成本。
综合步骤1~步骤5,可得下述关系式:
Figure BDA0001725459460000137
其中,I1为取能CT一次侧电流,Z2=R2+jX2为取能CT二次侧等效阻抗,Z2由可调阻抗Z与AC/DC变换电路的输入阻抗Z1并联得到。在其余参数已知的条件下,利用式(8)就可以根据取能CT一次侧电流I1调节可调阻抗Z,实现对取能CT输出功率的调节。
步骤7、综上,取能CT二次侧并联可调阻抗后,取能装置有以下五种模式
根据取能CT一次侧电流I1大小,通过调节可调阻抗Z,使其工作在容性、感性和阻性不同阻抗性质与阻抗模值情况下,取能装置将有以下五种工作模式:
(1)、当I1<I′min时,开关S0、S1、S2闭合。可调阻抗Z工作在容性状态,使得Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式。超级电容和蓄电池工作在放电模式,与取能CT和AC/DC变换电路共同为用电负载提供电能。
(2)、当I′min≤I1<Imin时,开关S0、S1闭合,S2闭合或打开。可调阻抗Z工作在容性状态,根据式(8)调节可调阻抗Z,使其与励磁电感XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式,满足获取目标功率
Figure BDA0001725459460000141
的要求。
(3)、当Imin≤I1<Imax,s时,开关S0、S1、S2闭合。根据式(8),调节可调阻抗Z,提供需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000142
此时,超级电容和蓄电池工作在充电模式。
(4)、当Imax,s≤I1<I′max,s时,开关S0、S1、S2闭合。可调阻抗Z工作在感性状态,通过可调阻抗的分流作用,减小励磁电流,避免取能CT铁芯工作在饱和状态。同时,满足需要获取的目标功率
Figure BDA0001725459460000153
此时,超级电容和蓄电池工作在充电模式。
(5)、当I1≥I′max,s时,开关S0断开,S1、S2闭合,取能装置工作在保护模式。超级电容和蓄电池工作在放电模式,单独为用电负载供电。
具体实施如下:
1、可调阻抗Z可由如图5所示的单相全桥电压型(或电流型,图7所示)PWM整流器实现;也可采用相应的半桥电路实现(如图6、8所示);电路中直流侧电阻RL可根据实际采用的电路与实际需求(如用于装置的加热、散热)选装或不选装。
2、本发明不仅适用于取能CT二次侧阻抗Z2性质为阻容或阻感性质,对于二次侧为纯阻性负载,本发明仍然使用,此时二次侧负载阻抗为Z2=R2,用于可调阻抗作用的相应电路还可以由功率因数校正(PFC)电路实现(如图9所示)。当二次侧电阻
Figure BDA0001725459460000151
时,输出有功功率处于最大值点;根据式(8),通过可调阻抗电路,使得取能CT工作在最大功率点处。
3、当所需调节的阻抗值超出调节范围时,即:
Figure BDA0001725459460000152
仍可根据本发明方法,得到在[Zmin,Zmax]范围内可获取的最大功率。
4、对于在正常运行工况下,取能CT一次侧电流上限Imax<Imax,s的情况,可作为一种特例。即:只需考虑步骤7中前3种模式,本发明亦适用。
5、对于需要考虑涡流损耗情况,可在Zm中增加电阻分量,重复步骤1~7,本发明同样适用。
6、对于取能CT一次侧电流大于阈值下限电流Imin时,可以通过可调阻抗Z的调节裕度,实现输出功率相对稳定。若可调阻抗Z工作在容性条件下,取能装置将能够获取大于目标功率
Figure BDA0001725459460000161
的功率,此时,可将多余的能量用于装置的加热或降温辅助功能。
7、设计取能CT铁芯结构和几何尺寸时,如需在一次侧电流较小的情况下获取更大功率,还可通过减小铁芯等效磁阻的方法实现,也可以选择更大几何尺寸的铁芯实现。
8、本发明不仅可以用于高压输电线路等高电压大电流的场合,也可用于导体中流过交流电,导体周围存在可变磁场的其他场合。
有益效果:本发明通过采用在输电线路取能CT二次侧并联可调阻抗的方法,实现了一次侧电流大范围变化时,二次侧负载仍能得到所需的功率输出,提高了取能装置工作范围、工作可靠性,或减小了取能CT的铁芯体积,相对降低了装置成本。根据调节可调阻抗工作在容性模式,使得等效负载中的电容分量与取能CT激磁电抗发生并联谐振,实现对最大输出功率的获取。通过调节可调阻抗工作在感性模式,抑制磁路饱和,扩大工作范围。可调阻抗的灵活性使得相同条件下,获取能量水平大幅提升,装置工作范围扩大,可靠性提高。
以上对本发明所述基于可调阻抗的输电线路上高可靠性大范围感应取能装置及调控方法进行了详细介绍,文中部分应用了具体实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,在具体实施方式及应用范围上均会有所改变。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,包括取能CT(1),所述取能CT(1)的二次侧通过AC/DC变换电路(2)连接用电负载(4),在用电负载(4)侧并联能量管理模块(3),其特征在于:所述取能CT(1)采用拼接的单铁芯结构;所述取能CT(1)二次侧同时连接AC/DC变换电路(2)和可调阻抗电路(5);所述取能CT(1)的二次侧并联阻抗值在容性到感性范围内连续可调的阻抗电路(5),实现取能CT(1)在一次侧电流小于其阈值下限Imin时获取更多有功功率,取能CT(1)在一次侧电流大于取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流阈值上限Imax,s且小于取能CT并联可调阻抗Z后的一次侧电流阈值上限I′max,s时,避免铁芯(11)饱和。
2.根据权利要求1所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,其特征在于:所述可调阻抗电路(5)采用单相全桥电压型PWM整流器或者单相全桥电流型PWM整流器。
3.根据权利要求1所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,其特征在于:所述可调阻抗电路(5)采用单相半桥电压型PWM整流器或者单相半桥电流型PWM整流器。
4.根据权利要求1所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置,其特征在于:所述可调阻抗电路(5)采用功率因数校正电路。
5.一种基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1、若取能CT一次侧电流阈值下限为Imin,取能CT二次侧需要获取的目标功率为
Figure FDA0003249371300000021
根据取能CT一次侧电流阈值下限Imin和需要获取的目标功率
Figure FDA0003249371300000022
确定取能CT中铁芯几何尺寸,得下式(1):
Figure FDA0003249371300000023
其中,μeq为取能CT的铁芯等效磁导率,f为取能CT一次侧电流的频率,h为铁芯高度,D为铁芯外径,d为铁芯内径;
步骤2、根据取能CT铁芯几何尺寸,确定取能CT磁路饱和对应的一次侧电流阈值上限Imax,s
利用式(1)所确定的铁芯几何参数和铁芯等效磁导率,依据磁路的欧姆定律,得铁芯饱和点处对应的励磁电流Is
Figure FDA0003249371300000024
其中,Bs为铁芯BH曲线饱和点对应的磁感应强度;
根据式(2)和取能CT的参数,得到取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流阈值上限Imax,s为:
Figure FDA0003249371300000025
其中,
Figure FDA0003249371300000026
为铁芯等效磁阻;N2为取能CT二次侧匝数;Z1=R1+jX1为未并联可调阻抗时取能CT二次侧负载的复阻抗,R1是Z1的实部,X1是Z1的虚部,即AC/DC变换电路的输入阻抗;ω=2πf,为取能CT一次侧电流角频率;
步骤3、根据取能CT参数,确定取能CT激磁电抗XL
Figure FDA0003249371300000031
步骤4、通过调节可调阻抗Z,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,从而在取能CT参数和目标功率
Figure FDA0003249371300000032
相同的条件下,降低取能CT一次侧电流阈值下限,确定取能CT二次侧并联可调阻抗电路后的其一次侧电流阈值下限I′min
若,可调阻抗Z的调节范围为[Zmin,Zmax],即:Z∈[Zmin,Zmax],此时取能CT一次侧电流阈值下限I′min应满足下式:
Figure FDA0003249371300000033
由式(1)和式(5)可知,当调节可调阻抗Z,使得Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时,取能CT一次侧电流阈值下限降低为:
Figure FDA0003249371300000034
步骤5、根据可调阻抗调节范围,确定取能CT并联可调阻抗Z后的一次侧电流阈值上限I′max,s
在取能CT参数和目标功率
Figure FDA0003249371300000035
相同的条件下,通过利用二次侧并联的可调阻抗Z进行分流,提高取能CT铁芯饱和点处对应的一次侧电流,当Z=Zmin时,取能CT一次侧电流阈值上限提高为I′max,s
Figure FDA0003249371300000036
其中,
Figure FDA0003249371300000037
为取能CT二次侧输出阻抗,Z1//Zm表示AC/DC变换电路的输入阻抗Z1与取能CT二次侧输出阻抗Zm的并联;
从式(7)可知,通过调节可调阻抗,提升后的一次侧电流阈值上限
Figure FDA0003249371300000041
式中,
Figure FDA0003249371300000042
步骤6、确定取能CT一次侧电流I1、可调阻抗Z、以及需要获取的目标功率为
Figure FDA0003249371300000043
的函数关系
当取能CT一次侧电流位于[I′min,I′max,s]区间时,根据取能CT一次侧电流I1,对取能CT二次侧并联的可调阻抗Z进行调节,取能CT仍能满足获取足够功率,且不发生铁芯饱和的要求;综合步骤1~步骤5,得下述关系式:
Figure FDA0003249371300000044
其中,I1为取能CT一次侧电流,Z2=R2+jX2为取能CT二次侧等效阻抗,Z2由可调阻抗Z与AC/DC输入阻抗Z1并联得到;利用式(8)根据取能CT一次侧电流I1调节可调阻抗Z,实现对取能CT输出功率的调节;
步骤7、根据取能CT一次侧电流I1大小,通过调节可调阻抗Z,使其工作在容性、感性和阻性不同阻抗性质与阻抗模值情况下,取能装置将有以下五种工作模式:
(1)、当I1<I′min时,开关S0、S1、S2闭合;可调阻抗Z工作在容性状态,使得取能CT二次侧等效阻抗Z2中的电容分量与取能CT激磁电抗XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式;能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在放电模式,与取能CT和AC/DC变换电路共同为用电负载提供电能;
(2)、当I′min≤I1<Imin时,开关S0、S1闭合,S2闭合或打开;可调阻抗Z工作在容性状态,根据式(8)调节可调阻抗Z,使其与励磁电感XL发生并联谐振,此时取能CT工作在从一次侧获取最大功率模式,满足获取目标功率
Figure FDA0003249371300000051
的要求;
(3)、当Imin≤I1<Imax,s时,开关S0、S1、S2闭合;根据式(8),调节可调阻抗Z,提供需要获取的目标功率
Figure FDA0003249371300000053
此时,能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在充电模式;
(4)、当Imax,s≤I1<I′max,s时,开关S0、S1、S2闭合;可调阻抗Z工作在感性状态,通过可调阻抗的分流作用,减小励磁电流,避免取能CT铁芯工作在饱和状态,同时,满足需要获取的目标功率
Figure FDA0003249371300000054
此时,能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在充电模式;
(5)、当I1≥I′max,s时,开关S0断开,S1、S2闭合;取能CT工作在保护模式;能量管理模块中超级电容和蓄电池工作在放电模式,单独为用电负载供电。
6.根据权利要求5所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:可调阻抗Z由单相全桥电压型或电流型PWM整流器实现;
或者,可调阻抗Z由单相半桥电压型或电流型PWM整流器实现。
7.根据权利要求5所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:当取能CT二次侧的用电负载为纯阻性负载时,此时二次侧负载阻抗为Z2=R2,用于可调阻抗作用的相应电路由功率因数校正电路实现;当二次侧电阻
Figure FDA0003249371300000052
时,输出有功功率处于最大值点;根据式(8),通过可调阻抗电路,使得取能CT工作在最大功率点处。
8.根据权利要求5所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:当所需调节的阻抗值超出调节范围时,即:
Figure FDA0003249371300000061
仍能通过权利要求5所述方法得到在[Zmin,Zmax]范围内获取的最大功率。
9.根据权利要求5所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:对于在正常运行工况下,取能CT一次侧电流上限Imax<Imax,s的情况,作为特例,即:只需考虑步骤7中前3种模式。
10.根据权利要求5所述的基于可调阻抗的高可靠性大工作范围感应取能装置的调控方法,其特征在于:对于取能CT一次侧电流大于阈值下限电流Imin时,通过可调阻抗Z的调节裕度,实现输出功率相对稳定;若可调阻抗Z工作在容性条件下,取能CT将能够获取大于目标功率
Figure FDA0003249371300000062
的功率,此时,将多余的能量用于装置的加热或降温辅助功能。
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