CN110048471A - 一种改进的磁场能量收集自寻优方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的磁场能量收集自寻优方法和系统。一是磁场能量收集装置中电流互感器参数优化方法，通过建模、数学计算的方式给出合理参数的设计过程，二是磁场能量收集最大功率追踪的方法，采用自适应步长的控制方式达到前后级电路的阻抗匹配，从而获取最大功率，本发明还提出了一种磁场能量收集最大功率追踪系统。包括：能量采集装置，整流单元，电压转换单元，能量自寻优控制单元，PWM驱动单元稳压输出单元，储能单元。本发明提出的磁场能量收集自寻优方法和系统能够在不同情况下系统的持续稳定工作，并且能够提升正常工作的原边电流范围，达到高效率的取能与变换，消除供电死区，提升系统性能。
Description
技术领域
本发明专利公开了一种改进的磁场能量收集自寻优方法，涉及电磁学和电力电子领域。
背景技术
随着智能电网的发展和全球能源互联网战略的提出，高压输电线路的铺设越来越广泛。高压输电线路上需要有自动化巡检装置对其工作状态进行检测，以及时排除故障，保证线路的正常运行。而巡检装置在运行过程中会消耗能量，因此，对其进行稳定有效的供电是保证其在长时间巡检过程中正常工作的重要因素。输电线路是能量来源最可靠而长久的途径，直接从高压输电线路上采集能量对巡检设备进行供电具有很大可行性。基于电磁感应原理，使用电流互感器将输电线路上的电磁场能量收集并进行降压稳压，从而为巡检设备供电是较为可行的实施方式。
传统的电流互感器进行磁场取能具有一定的局限性：由于用电侧负载的波动，输电线路上的电流变化范围较大。当电流较小时，电流互感器无法取得足够的能量启动装置，产生供电死区；当电流较大时，电流互感器易工作于饱和状态，容易发热，降低使用寿命。
申请号为CN201410121363.0的中国专利，提供了一种电流互感器取电控制方法及系统，该装置采用储能单元，对电流互感器取电绕组中产生的交变电流互感器取电电动势进行整流后的电能，并将储能电压与基准电压进行比较，输出控制信号来控制输出耗能和输出电压。当储能单元电压过高时，短路电流互感器取电，保护磁芯；当储能单元电压过低，截至限流功率管，达到维持高效率，并缓启动负载的目的。
CN201410121363.0的中国专利采用储能单元来控制二次侧输出电压的稳定性。其在实施过程中有以下问题：
第一，储能单元采用电容，在实际工程应用中，大容量储能电容体积较大，不适用于高压输电线路上的安装。第二，在原边电流较小时，无法维持对负载的供电。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题是：为克服现有技术中存在的不足，提供一种改进的磁场能量收集自寻优方法，可以对磁场取能装置中电流互感器的参数包括二次侧匝数、磁芯截面积、磁路长度，气隙等进行优化设计，并从输电线路上通过自适应的控制方法获取最大功率。
本发明专利为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明的第一方面涉及磁场能量收集装置中电流互感器参数优化方法，包括以下部分：
根据电磁学知识建立电流互感器的基本电路模型；
根据电路模型进行分析及数学运算，得到取得功率与各参数的表达式；
根据工作环境指标及负载要求，由表达式得到各参数的优化值。
该方法可优化的参数包括但不限于磁芯材料、二次侧匝数、磁芯截面积、磁路长度，气隙等。
本发明的第二方面还提出磁场能量收集最大功率追踪的方法。该方法采用一种应用于交流电路的自适应步长控制的方法，实施步骤如下：
(1)电压采样与电流采样装置采集电流互感器输出的电压U(k0)和电流I(k0)，通过计算得到电压有效值U(k)与电流有效值I(k)，并与上一采样时刻的有效值值相减，得到ΔU＝U(k)-U(k-1)，ΔI＝I(k)-I(k-1),ΔP＝U(k)I(k)-U(k-1)I(k-1)。通过最低限幅0.0001模块滤除ΔU过小的部分，以消除误差，令其中，m为步长调整因子，是一常数。
(2)判断ΔP是否大于0，若是，执行步骤(3)，否则跳转执行步骤(4)。
(3)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(5)，否则跳转执行步骤(6)。
(4)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(6)，否则跳转执行步骤(5)。
(5)令Uref(k)＝Uref(k-1)+ΔUref，执行步骤(7)。
(6)令Uref(k)＝Uref(k-1)-ΔUref，执行步骤(7)。
(7)令U(k-1)＝U(k)，I(k-1)＝I(k),返回步骤(1)。
本方法中输入控制器进行运算的值是电压电流的有效值，输出的值是PWM驱动模块的比较信号Uref。本方法与传统控制方式相比，具有稳态振荡小，抗扰性能好等优点。
本发明还涉及一种磁场能量收集最大功率追踪系统。包括：能量收集装置，整流单元，电压转换单元，能量自寻优控制单元，PWM驱动单元稳压输出单元，储能单元。能量收集装置与整流单元、电压转换单元、稳压输出单元依次连接，能量自寻优控制单元与能量收集装置、PWM驱动单元、电压转换单元依次连接。电压转换单元与储能单元相连接。
优选的是，本系统中能量收集收集装置采用经优化的电流互感器单元。
优选的是，电压变换单元采用Buck电路实现。
本系统的控制方法是通过能量自寻优控制单元输出占空比变化的PWM波形，经PWM驱动单元驱动电压变换单元，从而改变能量收集装置二次侧的等效负载，达到与能量收集装置的阻抗匹配，获得最大功率，经稳压单元输出为负载供电的同时为储能单元进行供电。当原边电流过低时，系统工作状态切换，由储能单元为负载进行供电。
本发明通过磁场能量收集装置中电流互感器参数优化方法对电流互感器进行优化，同时采用能量收集自寻优控制方法，在磁场能量收集最大功率追踪系统中进行控制，达到优化取能性能，提升系统工作稳定性并且实现多种工作环境下的能量收集自寻优。
附图说明
图1是电流互感器取电装置示意图。
图2是建立的电流互感器等效电路模型。
图3是二次侧匝数选取示例。
图4是不同气隙情况下电流互感器励磁电流波形。
图5是电流互感器收集到的功率与二次侧电压的关系示意图。
图6是磁场能量收集最大功率追踪的控制流程图。
图7是磁场能量收集最大功率追踪系统示意图。其中，能量收集装置与整流单元、电压转换单元、稳压输出单元依次连接，能量自寻优控制单元与能量收集装置、PWM驱动单元、电压转换单元依次连接。电压转换单元与储能单元相连接。
图8是采用本发明提出的方法进行控制得到的功率波形及与传统方法的对比示意图。
图9为本发明控制方式的负载扰动下的功率响应波形。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明,下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是电流互感器取电装置示意图。高压输电线路从电流互感器中间穿过，电流为ip(t)，副边有n匝线圈。根据电磁感应的相关知识，副边可视为的电流源。
根据电磁学的相关知识，我们建立了如图2所示的等效电路模型。根据图2，将取电装置的主体等效成理想变压器，忽略铁耗电流，变压器副边视为并联励磁电感，二次侧负载用等效电阻R代替。
根据图2的电路模型，我们可以通过计算得到二次侧负载可获得的最大功率表达式：其中，Ip是原边电流有效值，f是电流频率，A是电流互感器磁芯截面积，μ是磁芯磁导率，l是磁芯长度。根据该表达式，电流互感器所能收集到的最大功率与电流特性、磁芯特性有关，而与副边匝数无关。
二次侧匝数的选取除去电流比值的因素，还需要考虑启动电流大小的影响。根据图2的电路模型，我们可以得到当二次侧负载的阻值和额定电流固定时，原边电流与二次侧匝数的关系由该式可得启动电流与二次侧匝数的数学关系。
给出二次侧匝数选取的示例如图3。图3给出了在确定负载和额定电流情况下原边电流与二次侧匝数的关系。可以看出，当原边电流为150A时，副边线圈选取为200匝符合要求，400匝则不符合。
原边输电线路上电流变化范围比较大，随着原边电流增大，磁通增大，磁路出现饱和。磁通为正弦波，励磁电流呈现出尖顶波的形态。此时的励磁电流除了基波，还包括其他奇次谐波，其中以三次谐波为最大，。磁路越饱和，励磁电流的波形尖顶就越严重，谐波也越显著，对于系统运行有较大危害。
为了防止磁芯饱和带来的危害，本发明采用加开气隙的方式降低磁芯等效磁导率，延缓气隙饱和。根据计算，得到开气隙之后的等效励磁电感值其中μ是磁芯磁导率，μ0是空气磁导率，l0是气隙长度。由于μ0远远小于μ，加开气隙之后的励磁电感大大降低，那么在相同饱和磁通下，由电流饱和阈值可大大提升。
不同气隙情况下的励磁电流波形如图4所示，可看出，加开气隙后，尖顶励磁电流波形基波分量降低，波形接近正弦波。说明加开气隙可有效延缓磁芯饱和，且气隙宽度越大，饱和阈值提升越大，但同时所收集的功率降低。
根据[0034]-[0041]的内容，本发明提出了一种电流互感器参数优化的方法。具体包括：
根据电磁学知识建立电流互感器的基本电路模型；
根据电路模型进行分析及数学运算，得到取得功率与各参数的表达式；
根据工作环境指标及负载要求，由表达式得到各参数的优化值。
给出具体应用的实例如下：要求指标为原边电流150A、50Hz，波动为50-500A，负载50Ω，功率10W。首先确定电流互感器磁芯材料，经综合考虑，采用饱和磁密高、饱和磁密为1.5T、相对磁导率为7000的硅钢片磁芯。设定磁路长度l为0.2m，加开0.1mm气隙，经计算等效磁导率1555.7，设定磁芯截面为5cm*5cm，则经计算，所能获得的最大功率为86.3W，满足功率要求。同时，副边线圈设置为200匝，符合启动电流要求。饱和电流阈值为610A，即当电流大于610A时，励磁电流波形才会失真。以上参数符合应用指标的各项要求并能够较好地延缓原边电流饱和。
本发明的第二部分涉及磁场能量收集最大功率追踪的方法。
根据图5显示的收集功率P与二次侧电压U的关系图，P-U曲线存在唯一峰值点，根据图5，我们可得：
当时，实际工作点位于最大功率点处；
当时，实际工作点位于最大功率点左侧；
当时，实际工作点位于最大功率点右侧。
对于线性电路来说，当负载电阻等于电源的内阻时，电源即有最大功率输出。虽然电流互感器电源是交流的，后级电路也是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节后级电路的等效电阻使它在数值上始终等于电源的阻抗，就可以实现电流互感器电源的最大输出，即使得系统的实际工作点位于最大功率点。
图6是控制工作点位于最大功率点的控制策略流程图。该流程图的具体实施方式如下。
(1)电压采样与电流采样装置采集电流互感器输出的电压U(k0)和电流I(k0)，通过计算得到电压有效值U(k)与电流有效值I(k)，并与上一采样时刻的有效值值相减，得到ΔU＝U(k)-U(k-1)，ΔI＝I(k)-I(k-1),ΔP＝U(k)I(k)-U(k-1)I(k-1)。通过最低限幅0.0001模块滤除ΔU过小的部分，以消除误差，令其中，m为步长调整因子，是一常数。
(2)判断ΔP是否大于0，若是，执行步骤(3)，否则跳转执行步骤(4)。
(3)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(5)，否则跳转执行步骤(6)。
(4)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(6)，否则跳转执行步骤(5)。
(5)令Uref(k)＝Uref(k-1)+ΔUref，执行步骤(7)。
(6)令Uref(k)＝Uref(k-1)-ΔUref，执行步骤(7)。
(7)令U(k-1)＝U(k)，I(k-1)＝I(k),返回步骤(1)。
在本发明的控制方式中，当工作点远离最大功率点处时，扰动步长ΔUref较大，有利于快速跟踪到最大功率点；当工作点靠近最大功率点处时，扰动步长ΔUref降低，这有利于降低振荡，提高跟踪精度。
本发明还涉及一种磁场能量收集最大功率追踪系统，如图7所示。其中，能量收集装置与整流单元、电压转换单元、稳压输出单元依次连接，能量自寻优控制单元与能量收集装置、PWM驱动单元、电压转换单元依次连接。电压转换单元与储能单元相连接。
通过能量自寻优控制单元输出参考电压Uref进入PWM驱动单元，与锯齿波比较产生占空比为d的控制信号给电压转换单元，由于本发明需要变换器后级输出稳定电压给巡检设备，该电压等级较小，因此我们采用Buck变换器作为这一级电压转换单元。
对于Buck电路而言，当工作于电感电流连续模式时，那么从电流互感器二次侧观察，后级的输入电阻
因此，改变占空比d，即可改变输入电阻，也就是改变负载特性。根据[0046]段的分析，当输入电阻与电流互感器励磁电感的感抗在数值上相同时，负载即可获得最大功率，因此，通过能量自寻优控制d改变二次侧输入电阻是使得系统达到阻抗匹配的可行实施方式。
图8为传统控制方式与本发明提出的改进的能量自寻优控制方法得到的功率波形对比，通过对比可以看出，达到稳定状态之后，采用本发明的控制方式得到的波形振荡更小，控制精度更高。
图9为本发明控制方式的负载扰动下的功率响应波形。通过图9的波形可以看出，本控制方式具有良好的抗负载扰动能力，当负载发生突变后，系统能够较快地稳定到新的工作点继续工作。
本发明提出的系统的具体工作状态为：在原边电流正常时，采用能量自寻优控制单元稳压输出为负载供电，并为储能单元进行充电；当原边电流较小时，由储能单元为负载供电。从而达到在不同情况下系统的持续稳定工作，并且能够提升正常工作的原边电流范围，达到高效率的取能与变换，提升系统性能。
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明,但本领域的技术人员可以理解,可以做出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述,但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改,均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种磁场能量收集装置中电流互感器参数优化方法，包括：对电流互感器的材料、磁芯形状、二次侧匝数、气隙等参数进行设计优化的步骤；其特征在于，还包括以下步骤：
根据电磁学知识建立电流互感器的基本电路模型；
根据电路模型进行分析及数学运算，得到取得功率与各参数的表达式；
根据工作环境指标及负载要求，由表达式得到各参数的优化值。
2.根据权利要求1所述的电流互感器参数优化方法，其特征在于，所建立的电流互感器电路模型，其中电流互感器等效为原副边匝数比为1:n的理想变压器，副边并联励磁电感Lms，二次侧负载等效成电阻R，并联在Lms两侧。
3.一种磁场能量收集最大功率追踪的方法，包括：采用自适应步长控制的方式，达到前后级电路的阻抗匹配，从而从电流互感器电源获得最大功率。
4.根据权利要求3所述的磁场能量收集最大功率追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电压采样与电流采样装置采集电流互感器输出的电压U(k0)和电流I(k0)，通过计算得到电压有效值U(k)与电流有效值I(k)，并与上一采样时刻的有效值值相减，得到ΔU＝U(k)-U(k-1)，ΔI＝I(k)-I(k-1),ΔP＝U(k)I(k)-U(k-1)I(k-1)。通过最低限幅0.0001模块滤除ΔU过小的部分，以消除误差，令其中，m为步长调整因子，是一常数。
(2)判断ΔP是否大于0，若是，执行步骤(3)，否则跳转执行步骤(4)。
(3)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(5)，否则跳转执行步骤(6)。
(4)判断ΔU是否大于0，若是，执行步骤(6)，否则跳转执行步骤(5)。
(5)令Uref(k)＝Uref(k-1)+ΔUref，执行步骤(7)。
(6)令Uref(k)＝Uref(k-1)-ΔUref，执行步骤(7)。
(7)令U(k-1)＝U(k)，I(k-1)＝I(k),返回步骤(1)。
5.一种磁场能量收集最大功率追踪系统。包括：能量收集装置，整流单元，电压转换单元，能量自寻优控制单元，PWM驱动单元稳压输出单元，储能单元。能量收集装置与整流单元、电压转换单元、稳压输出单元依次连接，能量自寻优控制单元与能量收集装置、PWM驱动单元、电压转换单元依次连接。电压转换单元与储能单元相连接。
6.根据权利要求5所述的磁场能量收集最大功率追踪系统，其特征在于，引入经参数优化的电流互感器作为能量收集装置，采用磁场能量收集最大功率追踪方法作为自寻优控制方法，保证系统的原边电流宽范围连续工作，消除供电死区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190723 |
|
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