CN111105925B - 基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法。通过在CT铁芯的第二磁路分支上绕制去磁线圈及并联去磁电感，以及在第三磁路分支上绕制取能线圈及并联负载和等效助磁电容，实现了脉动磁通分量在第三磁路分支中的分流。进一步通过在第三磁路分支上增加抑制直流磁通单元（开气隙），实现了直流磁通分量在第二磁路分支中的分流。根据感应取能装置的总体结构，建立等效磁路模型，进而建立第三磁路分支中脉动磁通以及直流磁通的数学模型，通过改进感应取能CT的铁芯构造，增加了去磁线圈、去磁电感和等效助磁电容，在获取相同能量的情况下，获取了所需的能量，同时减小工程实现的代价。

Description

基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及 方法

技术领域

本发明涉及应用于高压直流输电线路在线监测系统的供电技术领域，具体为利用高压直流输电线路电流脉动变化纹波产生的变化磁场，通过电磁感应技术获取能量，实现对高压直流输电线路在线监测装置提供可靠电能供给的装置及方法。

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，对输电线路运行的状态进行在线监测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、太阳能或蓄电池组合供电、激光供电、电场、感应取电供电等。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；电场供电对地绝缘问题难于解决，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。感应取电更多适合于交流输电线路，目前尚未应用于直流输电线路。文献《高压架空输电线路在线取能方法研究》(谢彦斌,学位论文,重庆大学,2017,22～22.)认为：“直流输电线路的电流磁场不是交变场，因而也不能激发出涡旋电场，因此唯一可以用于取能的能量场是静电场”。

事实上，高压直流输电线路流过的电流中包含了很大的直流分量和很小的脉动变化分量(相对于直流分量而言)。这是因为高压直流输电采用了电子开关器件整流，电子开关器件通断频率必然是有限的，因此，该整流方式的工作原理决定了直流电流中必然包含一定的脉动变化纹波分量。在工程实际中，直流输电采用了大容量电感进行滤波后，可以确保该分量保持在工程上可接受的范围，但仍无法完全消除这一脉动变化的纹波分量。正因为脉动变化的纹波分量存在，而且需要获取的能量远小于高压直流输电线路所传输的能量，这就为利用电磁感应原理，采用类似电流互感器从交流输电线路上感应取能提供了可能。显然感应取电方式，不仅供电可靠性高，而且受环境影响小，但该方法目前主要用于交流输电领域，尚未用于高压直流输电线路领域，要应用于高压直流输电至少需要解决以下几方面问题：

1、确保一次侧较小的脉动变化纹波电流形成的变化磁场能量可以传输到二次侧的负载设备。

2、解决高压直流输电线路电流中直流分量引起的磁路饱和问题。

3、在获取相同能量的情况下，尽可能减小铁芯的体积。

发明内容

本发明目的是提供一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法。高压直流输电线中传输的电流包含大的直流分量和较小的脉动变化纹波分量，应用于高压直流输电线的该感应取能装置，可实现直流磁通(直流分量产生)和脉动磁通(脉动变化纹波分量产生)在并联磁路中的分流，从而达到提高供电可靠性、防止铁芯饱和提高电能质量的目的。

为达到上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置，包括CT铁芯，所述CT铁芯上设有三个并列的支路，分别作为第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3，所述第一磁路分支Y1上有高压直流输电线S1绕组，所述第二磁路分支Y2上绕有去磁线圈S2及并联去磁电感L，所述第三磁路分支Y3上绕有取能线圈S3及并联等效负载R和等效助磁电容C。

优选的，所述CT铁芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之间增加抑制直流磁通单元。

本发明设计的CT铁芯采用并联磁路结构，为脉动磁通和直流磁通提供不同的流通路径。通过在直流磁通支路上增加去磁线圈及并联去磁电感，用以抑制该支路中流过的脉动磁通；进一步通过在脉动磁通支路铁芯上增加抑制直流磁通单元(开气隙)，达到减小流过该支路直流磁通的目的；通过在脉动磁通支路上增加取能线圈及并联等效助磁电容，用于增大流过该支路的脉动磁通，综上实现了磁通滤波的目的。

一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能方法，包括如下步骤：

步骤1、高压直流输电线路中传输的电流为i_d0，将其进行傅里叶分解，得到包含直流分量和脉动分量的电流表达式

其中，k＝2,3,4…；i_d0为高压直流输电线上流过的电流；I_dc为对应的直流分量有效值；I_ac为脉动分量对应的基波电流有效值；f为脉动分量对应的基波电流频率；I₂为高压直流输电的交流侧电流有效值。

步骤2、设计如上所述的基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置。

步骤3、根据感应取能装置建立等效磁路模型，其中，φ_m1、φ_m2、φ_m3分别是流经CT铁芯的三个磁路分支的磁通，R_m1、R_m2、R_m3分别是三个磁路分支的磁阻，ξ_m'为去磁线圈产生的磁动势，ξ_m”为取能线圈产生的磁动势，根据磁路基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律，得：

其中，脉动分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_acsinωt (3)

直流分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_dc (4)

其中，N₁＝1为高压直流输电线通过铁芯的匝数，公式(1)中高频谐波分量产生的磁动势在公式(3)、(4)中忽略不计。

步骤4、去磁线圈电路中，脉动磁通通过时去磁线圈中产生的磁动势为：

其中，N₂为去磁线圈匝数，L为去磁线圈并联的去磁电感的电感值；

直流磁通通过时，产生磁动势为0；当脉动磁通流过时，由去磁线圈和去磁电感共同作用产生的磁动势，增大脉动磁通的磁阻。

步骤5、取能线圈电路中，取能线圈产生的磁动势为：

其中，N₃为取能线圈匝数，C为等效助磁电容的等效电容值，R为等效负载电阻；

当直流磁通通过时，产生磁动势为0，当脉动磁通流过时，由等效助磁电容共同作用产生的磁动势，减小脉动磁通的磁阻。

步骤6、根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得到，交流分量产生的通过第三磁路分支的脉动磁通为：

其中，

直流分量产生的通过第三磁路分支的直流磁通为：

通过选择等效助磁电容C的等效容抗值，有效增大通过第三磁路分支的脉动磁通，从而获得感应电能。

本发明将CT铁芯通过采用并联磁路结构，为脉动磁通和直流磁通提供不同的流通路径，实现了从直流输电脉动分量获取能量。通过在CT铁芯的第二磁路分支上绕制去磁线圈及并联去磁电感，以及在第三磁路分支上绕制取能线圈及并联等效负载和等效助磁电容，实现了脉动磁通分量在第三磁路分支中的分流。进一步通过在第三磁路分支上增加磁阻(抑制直流磁通单元，例如开气隙)，实现了直流磁通分量在第二磁路分支中的分流。根据感应取能装置的总体结构，建立等效磁路模型，进而建立第三磁路分支中脉动磁通以及直流磁通的数学模型，通过改进感应取能CT的铁芯构造，增加了去磁线圈、去磁电感和等效助磁电容，在获取相同能量的情况下，获取了所需的能量，同时减小工程实现的代价。

附图说明

图1表示并联磁路结构的示意图。

图2表示本发明所提供的基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置总体结构图。

图3表示本发明所提供的基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置等效磁路图。

图4表示等效助磁电容C的等效容抗值与φ_m3(ac)的变化关系。

图中：Y1-第一磁路分支，Y2-第二磁路分支，Y3-第三磁路分支，S1-高压直流输电线，S2-去磁线圈，S3-取能线圈，B-气隙。

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。

一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置，如图1所示，包括CT铁芯，CT铁芯上设有三个并列的支路，分别作为第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3。如图2所示，第一磁路分支Y1上有高压直流输电线S1绕组，第二磁路分支Y2上绕有去磁线圈S2及并联去磁电感L，第三磁路分支Y3上绕有取能线圈S3及并联等效负载R和等效助磁电容C(即也可以将负载中的无功分量等效进电容C一并考虑)。并且，CT铁芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之间增加抑制直流磁通单元(例如通过开有气隙B，达到抑制直流磁通的目的)。

通过比拟电路中的阻感滤波器(滤低频，通高频)，在该感应取能装置的CT铁芯设计中提出了通滤波法，其中通高频磁通和滤除低频磁通分别采用在铁芯上增加抑制直流磁通单元(如增加气隙B)和增加并联去磁电感的去磁线圈来实现，综上在感应取能装置铁芯上设计磁通滤波器可实现直流磁通滤波。

基于上述去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置的实现方法，包括如下步骤：

步骤1、不妨设，高压直流输电线路中传输的电流为整流输出周期性六脉波电流i_d0(更多脉波整流，如十二脉波、滤波电路以及晶闸管导通角的变化不影响本发明的正确性和有效性)，将其进行傅里叶分解，得到包含直流分量和脉动分量的电流表达式

其中，k＝2,3,4…；i_d0为高压直流输电线上流过的电流；I_dc为对应的直流分量有效值；I_ac为脉动分量对应的基波电流有效值；f为脉动分量对应的基波电流频率；I₂为高压直流输电的交流侧电流有效值，该电流产生的磁通为较大的直流磁通和较小的脉动磁通的叠加。

步骤2、感应取能装置的铁芯采用并联磁路结构，如图1所示，该结构中第一磁路分支Y1为总磁通流通的路径，第二磁路分支Y2和第三磁路分支Y3分别为直流磁通和脉动磁通的主要流通路径，该磁路结构为磁通滤波器的基础结构。

对于并联磁路结构中的直流磁通支路而言，在第二磁路分支Y2上去磁线圈中流过直流磁通无法产生感应电动势，因此并联电感L的去磁线圈S2不会对直流磁通的通过产生影响。同时，通过在第三磁路分支Y3上增加抑制直流磁通单元(如：开气隙B)，从而达到减小第三磁路分支Y3中流过的直流磁通的目的。

对于并联磁路结构中的脉动磁通支路而言，在第二磁路分支Y2上增加去磁线圈S2及并联去磁电感L。当脉动磁通流过该支路时，去磁线圈S2中感应出感应电动势，并产生感应电流，进而产生反向感应磁动势。由于并联电感的去磁线圈S2的去磁效应，阻碍了脉动磁通流过第二磁路分支Y2，因此脉动磁通主要由第三磁路分支Y3通过，从而达到增大第三磁路分支Y3中流过的脉动磁通的目的。

对于并联磁路结构中的脉动磁通支路而言，在第三磁路分支Y3上绕制取能线圈S3，并在取能线圈S3上并联等效助磁电容C(负载中的无功阻抗部分可等效进助磁电容C)，其中等效助磁电容C具有助磁作用，从而达到减小第三磁路分支Y3对应的脉动分量的磁阻，进而增大第三磁路分支Y3中流过的脉动磁通，以便取能线圈S3传送至等效负载R获取最大能量。

步骤3、根据步骤1和步骤2中关于磁通滤波的分析，通过采用并联磁路结构、并联去磁电感的去磁线圈、助磁电容，建立基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置的结构如图2所示。根据该总体结构建立等效磁路模型如图3所示。其中，φ_m1、φ_m2、φ_m3分别是流经三个磁路分支的磁通，R_m1、R_m2、R_m3分别是三个磁路分支的磁阻，ξ_m'为去磁线圈产生的磁动势，ξ_m”为取能线圈产生的磁动势。根据磁路基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律，可得：

其中，脉动分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_acsinωt (3)

直流分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_dc (4)

其中，N₁＝1为高压直流输电线通过铁芯的匝数，公式(1)中高频谐波分量产生的磁动势在公式(3)、(4)中忽略不计。

步骤4、去磁线圈电路如图3所示，脉动磁通通过时去磁线圈中产生的磁动势为：

其中，N₂为去磁线圈匝数，L为去磁线圈并联的去磁电感的电感值。

当直流磁通通过时，产生磁动势为0；当脉动磁通流过时，由去磁线圈和去磁电感共同作用产生的磁动势，增大了脉动磁通的磁阻。

步骤5、取能线圈电路如图2所示，取能线圈产生的磁动势为：

其中，N₃为取能线圈匝数，C为等效助磁电容的等效电容值，R为等效负载电阻。

当直流磁通通过时，产生磁动势为0；当脉动磁通流过时，由等效助磁电容共同作用产生的磁动势，减小了脉动磁通的磁阻。

步骤6、根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得到，交流分量产生的通过第三磁路分支的脉动磁通为：

其中，

从公式(7)中可以看出，通过合理的选择取能线圈N₃的匝数和等效助磁电容C的等效容抗值，可以有效增大磁通φ_m3(ac)，即：第三磁路分支流过的脉动部分将相对较大。

直流分量产生的通过第三磁路分支的直流磁通为：

公式(8)可以看出，当R_m2(或R_m2/R_m3)较小时，φ_m3(dc)将很小，即：第三磁路分支流过的直流部分将很小。

如图4所示，给出了参数选择N₁＝1，N₂＝100，N₃＝10，R＝1000Ω，I₀＝50A，R_m1＝87838Ω，R_m2＝40541Ω，R_m3＝87838Ω，L＝0.0025H，f＝300Hz时，等效助磁电容C的等效容抗值与φ_m3(ac)的变化关系，显然可以通过选择等效助磁电容C的等效容抗值，有效增大第三磁路通过的脉动磁通，从而获得感应电能。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置，其特征在于：包括CT铁芯，所述CT铁芯上设有三个并列的支路，分别作为第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3，所述第一磁路分支Y1上有高压直流输电线S1绕组，所述第二磁路分支Y2上绕有去磁线圈S2及并联去磁电感L，所述第三磁路分支Y3上绕有取能线圈S3及并联等效负载R和等效助磁电容C；

所述CT铁芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之间开气隙，作为抑制直流磁通单元。

2.一种基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、高压直流输电线路中传输的电流为i_d0，将其进行傅里叶分解，得到包含直流分量和脉动分量的电流表达式

其中，k＝2,3,4…；i_d0为高压直流输电线上流过的电流；I_dc为对应的直流分量有效值；I_ac为脉动分量对应的基波电流有效值；f为脉动分量对应的基波电流频率；I₂为高压直流输电的交流侧电流有效值；

步骤2、设计基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置

感应取能装置包括CT铁芯，所述CT铁芯上设有三个并列的支路，分别作为第一磁路分支Y1、第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3，所述第一磁路分支Y1上有高压直流输电线S1绕组，所述第二磁路分支Y2上绕有去磁线圈S2及并联去磁电感L，所述第三磁路分支Y3上绕有取能线圈S3及并联等效负载R和等效助磁电容C；

步骤3、根据感应取能装置建立等效磁路模型，其中，φ_m1、φ_m2、φ_m3分别是流经CT铁芯的三个磁路分支的磁通，R_m1、R_m2、R_m3分别是三个磁路分支的磁阻，ξ_m'为去磁线圈产生的磁动势，ξ_m”为取能线圈产生的磁动势，根据磁路基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律，得：

其中，脉动分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_acsinωt (3)

直流分量产生的磁动势为

ξ_m＝N₁I_dc (4)

其中，N₁＝1为高压直流输电线通过铁芯的匝数；

步骤4、去磁线圈电路中，脉动磁通通过时去磁线圈中产生的磁动势为：

其中，N₂为去磁线圈匝数，L为去磁线圈并联的去磁电感的电感值；

步骤5、取能线圈电路中，取能线圈产生的磁动势为：

其中，N₃为取能线圈匝数，C为等效助磁电容的等效电容值，R为等效负载电阻；

步骤6、根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)得到，交流分量产生的通过第三磁路分支的脉动磁通为：

其中，

直流分量产生的通过第三磁路分支的直流磁通为：

通过选择等效助磁电容C的等效容抗值，有效增大通过第三磁路分支的脉动磁通，从而获得感应电能。

3.根据权利要求2所述的基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能方法，其特征在于：步骤2中，所述CT铁芯上位于第二磁路分支Y2及第三磁路分支Y3之间增加抑制直流磁通单元。

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