CN109842183B - 一种输电线路感应取电装置及其获取最大功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输电线路感应取电技术领域，更具体而言，涉及一种输电线路感应取电装置及其获取最大功率的方法，该装置由蓄电池充电模块、负载供电模块和保护模块组成，该方法以输电线路感应取电装置获取最大功率为目标函数，求取负载变化的目标值；通过感应取电装置为储能蓄电池充电，为负载终端设备持续稳定供电，通过负载为非纯电阻时的输出功率与负载为纯阻性时的输出功率的关系，得到装置输出的最大功率，为提高感应取电效率提供了一种高效的手段，本发明为线路设备提供长期、稳定的供电保障，保障输电线路安全运行。

Description

一种输电线路感应取电装置及其获取最大功率的方法

技术领域

本发明涉及输电线路感应取电技术领域，更具体而言，涉及一种输电线路感应取电装置及一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法。

背景技术

目前的监测设备供电电源主要有：太阳能供电，该方式稳定性差，受气象条件影响较大，极端情况下无法使用，阳光不充足的地区不适合使用。蓄电池供电，电池寿命有限，维护工作量大，蓄电池一旦损坏或者达到使用寿命，电池的更换与检修工作繁重又复杂，还会造成环境污染。激光供电的成本较高，需要采用低压电源来产生所需激光。电磁感应取电，为后续监测设备提供电能，这种方法设备体积小、成本低，从输电线取电可靠并且安装方便，但是这种方式的电源输出都必须保持稳定，绝不可以采用常规CT，加装简单整流、稳压电路的方式进行取电。从长远来看，上述的几种供电方式不符合可持续发展的经济性条件，导致高压输电线路上难以普及性实现在线实时监控功能。

输电线路上传输的电流，正常情况下变化平稳。然而当线路发生短路时，会伴随短路电流和冲击电流，冲击电流幅值高，变化快，侵入取电装置的系统中，威胁取电装置的安全运行。同时取电线圈二次侧会产生瞬态高电压，使得监测设备的工作状态受到极大影响，可见输电线路短路时，取电装置不能为负载正常供电，因此，输电线路短路情况下设备的取电是一大技术难题。在感应取电的应用中，由于应用场合的限制，电流互感器原边匝数固定为单匝，这导致副边感应电流较低。由于应用于输电线上，互感器铁芯体积受到限制。这些限制都不利于取电装置取得足够的能量，相应的最大功率的获取方法也不明确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电线路感应取电装置及其获取最大功率的方法，解决现有技术中的感应取电装置电源输出不稳定的问题和感应取电装置由于原边单匝以及体积受限导致取能不足的问题。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种输电线路感应取电装置，包括蓄电池充电模块、负载供电模块和保护模块；所述蓄电池充电模块包括感应取电电流互感器、整流桥、滤波电路和储能蓄电池；所述负载供电模块包括DC-DC变换器和负载终端；所述保护模块包括继电器开关和比较装置；所述感应取电电流互感器的输出端依次通过整流桥和滤波电路，所述滤波电路输出端分别连接DC-DC变换器和储能蓄电池的输入端，为整个电路提供能源；所述DC-DC变换器的输出端连接负载终端，将储能蓄电池的输出电压变换成稳定的负载终端所需的电压，为负载终端供电；所述储能蓄电池的输出端连接比较装置，输出电压值通过与预设的电压值Vref进行比较，当输出电压值大于预设值时，储能蓄电池充电饱和，比较装置将闭合信号传输至继电器开关，继电器开关常开触点连接感应取电电流互感器，感应取电电流互感器二次侧输出短路，短路后由储能蓄电池维持负载终端设备能量供应。

进一步地，所述DC-DC变换器采用超宽电压DC-DC变换器，所述DC-DC变换器电压范围为13V-380V。

一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，包括以下步骤：

S1、计算负载的输出功率；

S2、计算负载总阻抗值：

式中：f为原边电流频率，单位为Hz；μ为铁芯磁导率；S为磁通通过的铁芯截面积；N₁为原边线圈匝数；R_L为际负载电阻值；l为磁路平均长度；

S3、输电线路感应取电装置获取最大功率为：

式中：f为原边电流频率，单位为Hz；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；为X_C为实际并联容抗值；R_L为际负载电阻值；Z₂为二次侧负载阻抗值；R_m为磁阻。

进一步地，所述S1中负载的输出功率计算方法为

当负载为纯阻性时，输出功率为：

式中，E₂为副边感应电动势；Z₂为二次侧负载阻抗值；N₂为副边线圈匝数；f为原边电流频率；i′为原边电流；R_m为磁阻；

通过负载为纯阻性时的输出功率可得负载为非纯阻性时，输出功率为：

式中，f为原边电流频率；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；X_m为励磁感抗值；R_m为磁阻；R₂为负载等效电阻；X₂为负载等效容抗。

进一步地，

式中，X_C为实际并联容抗值；R_L为实际负载电阻值。

进一步地，输电线路的感应取电装置以最大效率取能，并为储能蓄电池充电，在储能蓄电池储满能量之前，先不对负载终端输出电压和功率，当储能蓄电池储满能量后，取得的功率与负载终端消耗的功率相等，并对负载终端供电。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种输电线路感应取电装置及其获取最大功率的方法，在储能蓄电池充电饱和时，此时取得的功率与负载消耗的功率相等，比较装置给继电器开关闭合信号，将感应取电电流互感器二次侧输出短路，短路后由储能蓄电池为负载终端设备持续稳定供电，本方法为线路设备提供长期、稳定的供电保障，保障输电线路安全运行。通过负载为非纯电阻时的输出功率与负载为纯阻性时的输出功率的关系计算出输电线路感应取电装置承载的最大功率，该功率与负载消耗的功率相等，严格限制多余的能量进入电路，保护电路正常工作，本方法为提高感应取电效率提供了一种高效的手段。

附图说明

图1为本发明提供的输电线路感应取电装置的示意图；

图2为本发明负载为纯阻性时的电流向量图；

图3为本发明的负载为纯阻性时等效负载电路图；

图4为本发明的负载为非纯阻性时等效负载电路图；

图5为本发明的负载为非纯阻性时实际负载电路图。

图中：1为蓄电池充电模块、2为负载供电模块、3为保护模块、4为感应取电电流互感器、5为整流桥、6为滤波电路、7为储能蓄电池、8为DC-DC变换器、9为负载终端、10为继电器开关、11为比较装置。

具体实施方式

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种输电线路感应取电装置，包括蓄电池充电模块1、负载供电模块2和保护模块3；蓄电池充电模块1包括感应取电电流互感器4、整流桥5、滤波电路6和储能蓄电池7；负载供电模块2包括DC-DC变换器8和负载终端9；保护模块3包括继电器开关10和比较装置11；感应取电电流互感器4的输出端依次连接整流桥5和滤波电路6，滤波电路6输出端分别连接DC-DC变换器8和储能蓄电池7的输入端，DC-DC变换器8的输出端连接负载终端9，储能蓄电池7的输出端连接比较装置11，通过比较装置11将输出电压值与预设的电压值进行比较，当输出电压值大于预设的电压值时，储能蓄电池7充电饱和，比较装置11将闭合信号传输至继电器开关10，继电器开关10常开触点连接感应取电电流互感器4，感应取电电流互感器4二次侧输出短路，短路后由储能蓄电池7维持负载终端9设备能量供应。

在本实施例中，DC-DC变换器采用超宽电压DC-DC变换器。

一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，包括以下步骤：

S1、计算负载的输出功率：

当负载为纯阻性时，输出功率为：

式中，E₂为副边感应电动势；Z₂为二次侧负载阻抗值；N₂为副边线圈匝数；f为原边电流频率；i′为原边电流；R_m为磁阻；

根据P'＝i_L1 ²Z₂

可得负载为纯电阻时流过负载的电流i_L1为：

式中，X_m为励磁感抗值；

并联电容后负载为非纯电阻，此时负载等效电阻R₂，等效容抗X₂，等效电路的源可以看作电流源，故负载为纯电阻时的原边电流i′与负载为非纯电阻时的原边电流i相等。

负载为非纯电阻时的功率表达式为：

P＝i_L2 ²R₂

其中，负载为非纯电阻时流过负载的电流i_L2为：

由此可得负载为非纯电阻时的输出功率与负载为纯电阻时的输出功率的关系为：

其中X_m为励磁感抗值；R₂为负载等效电阻；X₂为负载等效容抗；Z₂为二次侧负载阻抗值；

当负载为非纯阻性时，输出功率表达式为：

上式中，f为原边电流频率；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；X_m为励磁感抗值；R_m为磁阻；R₂为负载等效电阻；X₂为负载等效容抗；Z₂为二次侧负载阻抗值。

实际操作时，负载端是阻性负载并联电容的形式，

计算得

式中，R_L为实际负载电阻值，X_C为实际并联容抗值，由此可得，当负载为非纯阻性时，输出功率表达式为：

S2、计算负载总阻抗值：

为补偿励磁电感分流的影响，需匹配负载总阻抗值为：

式中：f为原边电流频率，单位为Hz；μ为铁芯磁导率；S为磁通通过的铁芯截面积；N₁为原边线圈匝数；R_L为际负载电阻值；l为磁路平均长度；

S3、输电线路感应取电装置获取最大功率为：

式中：f为原边电流频率，单位为Hz；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；为X_C为实际并联容抗值；R_L为际负载电阻值；Z₂为二次侧负载阻抗值；R_m为磁阻。

输电线路感应取电装置获取最大功率的原理如下：

根据电磁感应定律可知，副边绕组的感应电势为:

式中，N₂为副边线圈匝数，φ为主磁通，t为主磁通变化时间。

假设主磁通φ是按正弦规律变化的，则有：

φ＝φ_msinωt (2)

式中，φ_m为主磁通最大值。

将(2)式代入(1)式可得：

e₂＝N₂ωφ_msin(ωt-90°) (3)

若电势用有效值表示，根据f为原边电流频率，可得副边感应电动势：

根据磁势平衡可知：

F＝I₁N₁+I₂N₂＝I_mN₁＝R_mφ (5)

式中，i'为原边电流，I₁为主边电流，I₂为副边电流，I_m为励磁电流，N₁为原边线圈匝数，N₂为原边线圈匝数，R_m为磁阻。

由图2负载为纯阻性时的电流向量图可知电流关系：

式中

Z₂为二次侧负载阻抗值，当负载为纯阻性时电路图如图3所示。其输出功率表达式为：

负载为纯电阻时功率计算可以推广到负载为非纯电阻时的功率计算。负载为非纯电阻时等效负载电路图如图4所示。

负载为非纯电阻时，有

R₂为并联电容后负载等效电阻，X₂为并联电容后负载等效容抗。并且由于输电线路上取能装置的能量来源都是输电线上的电流，因此等效电路的源可以看作电流源，故有i＝i',i'为负载为纯电阻时的原边电流，i为负载为非纯电阻时的原边电流。

负载为纯电阻时的功率表达式为：

P'＝i_L1 ²Z₂ (8)

其中，i_L1为负载为纯电阻时流过负载的电流：

其中，X_m为励磁感抗值。

负载为非纯电阻时的功率表达式为：

P＝i_L2 ²R₂ (10)

其中，i_L2为负载为非纯电阻时流过负载的电流：

由(8)、(9)、(10)、(11)两式，得负载为非纯电阻时的输出功率与负载为纯电阻时的输出功率的关系为：

由(7)、(12)式可得：

实际操作时，负载端是阻性负载并联电容的形式，对应的实际负载电路图如图5所示。

此时，

式中，R_L为实际负载电阻值，X_C为实际并联容抗值。

由(14)式得：

将(15)、(16)式代入(13)式得：

感应取电装置的励磁电感为：

由磁路欧姆定律得励磁电流I_m为：

其中，磁阻R_m为：

式中，μ为铁芯磁导率，l为磁路平均长度，S为磁通通过的铁芯截面积。

将(19)、(20)式代入(18)式得励磁电感值为：

为补偿励磁电感分流的影响，需匹配负载总阻抗值为：

此时，实际输出功率达到最大，由(17)式得最大输出功率为：

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算负载的输出功率；

S2、计算负载总阻抗值：

式中：f为原边电流频率，单位为Hz；μ为铁芯磁导率；S为磁通通过的铁芯截面积；N₁为原边线圈匝数；R_L为实际负载电阻值；l为磁路平均长度；

S3、输电线路感应取电装置获取最大功率为：

式中：f为原边电流频率；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；X_C为实际并联容抗值；R_L为实际负载电阻值；Z₂为二次侧负载阻抗值；R_m为磁阻；

所述输电线路感应取电装置，包括蓄电池充电模块(1)、负载供电模块(2)和保护模块(3)；所述蓄电池充电模块(1)包括感应取电电流互感器(4)、整流桥(5)、滤波电路(6)和储能蓄电池(7)；所述负载供电模块(2)包括DC-DC变换器(8)和负载终端(9)；所述保护模块(3)包括继电器开关(10)和比较装置(11)；所述感应取电电流互感器(4)的输出端依次连接整流桥(5)和滤波电路(6)，所述滤波电路(6)输出端分别连接DC-DC变换器(8)和储能蓄电池(7)的输入端，所述DC-DC变换器(8)的输出端连接负载终端(9)，所述储能蓄电池(7)的输出端连接比较装置(11)，通过比较装置(11)将输出电压值与预设的电压值进行比较，当输出电压值大于预设的电压值时，储能蓄电池(7)充电饱和，比较装置(11)将闭合信号传输至继电器开关(10)，继电器开关(10)常开触点连接感应取电电流互感器(4)，感应取电电流互感器(4)二次侧输出短路，短路后由储能蓄电池(7)维持负载终端(9)设备能量供应。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，其特征在于：所述DC-DC变换器采用超宽电压DC-DC变换器。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，其特征在于，所述S1中负载的输出功率计算方法为：

当负载为纯阻性时，输出功率为：

式中，E₂为副边感应电动势；Z₂为二次侧负载阻抗值；N₂为副边线圈匝数；f为原边电流频率；i′为原边电流；R_m为磁阻；

通过负载为纯阻性输出功率，可得当负载为非纯阻性时，输出功率为：

式中，f为原边电流频率；N₂为副边线圈匝数；I₁为原边电流；X_m为励磁感抗值；R_m为磁阻；R₂为负载等效电阻；X₂为负载等效容抗。

4.根据权利要求3所述的一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，其特征在于：

式中，X_C为实际并联容抗值，R_L为实际负载电阻值。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种输电线路感应取电装置获取最大功率的方法，其特征在于：输电线路的感应取电装置以最大效率取能，并为储能蓄电池(7)充电，在储能蓄电池(7)储满能量之前，先不对负载终端(9)输出电压和功率，当储能蓄电池(7)储满能量后，取得的功率与负载终端消耗的功率相等，并对负载终端(9)供电。

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