CN111564909A - 一种用于高压输电线路的电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高压输电线路的电源装置，包括：CT取能单元和电能转换单元；其中，CT取能单元用于从高压输电线路感应出交流电压；电能转换单元用于将交流电压转换为高频方波，包括将交流电压转换为固定直流电压的整流滤波模块、将直流电压转换为高频方波的高频逆变模块、用于提供驱动信号的驱动模块、将固定直流电压转换为所需直流电压的辅助电源模块、控制PWM信号频率的控制模块。本发明提供的用于高压输电线路的电源装置，通过对CT取能单元、电能转换单元的优化，满足在几十到几百A的电流范围内的正常取能需要；通过将CT取能单元与电能转换单元封装在同一个装置内，满足集约化需要，具有良好的工程应用前景和价值。

Description

一种用于高压输电线路的电源装置

技术领域

本发明涉及高电压技术领域，尤其是涉及一种用于高压输电线路的电源装置。

背景技术

随着技术的发展，工作在高压输电线路上的电气设备越来越多，由于大多数的输电线路地处偏远，难以按常规方法解决电源供给问题。为解决高压输电线路所搭载的智能监测设备的供电问题，实现对高压输电线路的在线实时监测，保证高压输电线路的安全性与稳定性，可应用于高压复杂电磁场环境的稳定可靠取电装置具有重要的工程实用价值。

常规情况下采用的是光伏取电，但是这种取电方式极易受到外部环境的影响，并且缺乏长期免维护能力；特别是在冬天，长时间的阴天雪天都会大大降低上述电源的取电能力，产生较大的人力和维护成本。因此，从高压输电线路本身感应取电是目前解决智能监测设备供电的一个主要思路。

高压输电线路感应取能方式中，电压互感方式安全性和可靠性低，需要更加严格的电压防护设计，且易受周围环境因素影响等；电流互感器取能可以将电网高电压能量传递到低电压的二次侧，并能将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，保证二次设备和人身的安全，供电稳定可靠。

目前，市场上有不少基于电磁感应原理制作的电源装置，但这些电源装置大多体积大、重量重、允许工作电流范围小，而实际上输电线路上的电流变化范围很大，现有电源装置不能满足实际取能需求。

另外，由于从高压输电线路获得的工频电流是不稳定的，因此不能直接用于接入无线电能传输装置，需要经过电能转换单元处理转换为高频方波。现有用于输电线路的电源装置，大多将CT取能单元和电能转换单元封装在不同装置内，集约化程度低，CT取能单元和电能转化单元之间需要通过裸露在外部的导线连接，增加了雷电击中、短路的风险。同时动态范围窄、取电效率低、稳定性差、易于损坏都是市场上非专业感应电能转化单元常见的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高压输电线路的电源装置，以解决现有电源装置不能满足实际取能需求、集约化程度低的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，包括：

CT取能单元和与所述CT取能单元连接的电能转换单元；

其中，所述CT取能单元用于从所述高压输电线路感应出交流电压；

所述电能转换单元用于将所述交流电压转换为高频方波，包括整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块；

所述整流滤波模块连接所述高频逆变模块和所述辅助电源模块，用于将所述交流电压转换为固定直流电压；

所述辅助电源模块连接所述整流滤波模块和所述控制模块，用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压；

所述控制模块连接所述辅助电源模块和所述驱动模块，用于控制输出至所述驱动模块的PWM信号频率；

所述驱动模块连接所述高频逆变模块和所述控制模块，用于为所述高频逆变模块提供驱动信号，其中，所述驱动信号的频率由所述PWM信号控制；

所述高频逆变模块连接所述整流滤波模块和所述驱动模块，用于根据所述驱动信号将所述直流电压转换为系统所需的高频方波。

可选地，将所述CT取能单元和所述电能转换单元封装在同一个装置内。

可选地，所述CT取能单元为开启式圆环结构，内置一个开口式的环形取能铁芯。

可选地，所述高频逆变模块为增强型GaN晶体管。

可选地，所述驱动模块的驱动电压为+6V的正向驱动电压。

可选地，在所述整流滤波模块中增加钳位电路以实现前端冲击保护与能量泄放功能，增加限压保护电路以实现后端限压保护功能。

可选地，所述辅助电源模块用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压进一步包括：所述辅助电源模块利用DC-DC降压电路将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压。

可选地，所述装置为开启式空心柱型结构。

可选地，所述电能转换单元的外部还设有金属屏蔽盒。

可选地，所述电能转换单元的电气器件设置在多个半圆环形双层印刷电路板上，其中，所述电路板的大小形状相同。

本发明提供的用于高压输电线路的电源装置，包括：CT取能单元和与所述CT取能单元连接的电能转换单元；其中，所述CT取能单元用于从所述高压输电线路感应出交流电压；所述电能转换单元用于将所述交流电压转换为高频方波，包括整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块；所述整流滤波模块连接所述高频逆变模块和所述辅助电源模块，用于将所述交流电压转换为固定直流电压；所述辅助电源模块连接所述整流滤波模块和所述控制模块，用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压；所述控制模块连接所述辅助电源模块和所述驱动模块，用于控制输出至所述驱动模块的PWM信号频率；所述驱动模块连接所述高频逆变模块和所述控制模块，用于为所述高频逆变模块提供驱动信号，其中，所述驱动信号的频率由所述PWM信号控制；所述高频逆变模块连接所述整流滤波模块和所述驱动模块，用于根据所述驱动信号将所述直流电压转换为系统所需的高频方波。

本发明提供的用于高压输电线路的电源装置，带来的有益效果是：

(1)通过对CT取能单元、电能转换单元的优化，满足在几十到几百A的电流范围内的正常取能需要，即较低启动电流时能保证较大的功率输出，较高启动电流时铁芯不会饱和；

(2)通过将CT取能单元与电能转换单元封装在同一个装置内，满足小型化、集约化的需要，具有良好的工程应用前景和价值。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的原理示意图；

图2为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的取能功率随铁芯内外径的变化关系图；

图3为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的取能功率随铁芯高度的变化关系图；

图4为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的取能功率随二次侧匝数的变化关系图；

图5为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的开启式空心柱型结构示意图；

图6为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的内部结构示意图；

图7为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的半圆形双层印刷电路板示意图；

图8为本发明实施例一种用于高压输电线路的电源装置的金属屏蔽盒示意图。

其中，1表示CT取能单元，2表示金属屏蔽盒，3表示电能转换单元，4表示外壳，5表示防水密封圈。

具体实施方式

无线电能传输：一种基于电磁感应原理的非接触式供电技术；

高压导线电流互感器感应取能技术：一种利用电流互感器原理把部分高压导线上能量转换为电能输出技术。

本发明实施例提供了一种用于高压输电线路的电源装置，以解决现有电源装置不能满足实际取能需求、集约化程度低的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，包括：CT取能单元1和与所述CT取能单元1连接的电能转换单元3；

其中，所述CT取能单元1用于从所述高压输电线路感应出交流电压；

所述电能转换单元3用于将所述交流电压转换为高频方波，包括整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块；

所述整流滤波模块连接所述高频逆变模块和所述辅助电源模块，用于将所述交流电压转换为固定直流电压；

所述辅助电源模块连接所述整流滤波模块和所述控制模块，用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压；

所述控制模块连接所述辅助电源模块和所述驱动模块，用于控制输出至所述驱动模块的PWM信号频率；

所述驱动模块连接所述高频逆变模块和所述控制模块，用于为所述高频逆变模块提供驱动信号，其中，所述驱动信号的频率由所述PWM信号控制；

所述高频逆变模块连接所述整流滤波模块和所述驱动模块，用于根据所述驱动信号将所述直流电压转换为系统所需的高频方波。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，是一种用于高压输电线路的高性能的小型化集约型电源装置，主要由CT取能单元1和电能转换单元3两部分组成，通过将高性能电源装置环扣在高压输电线路上，获取能量，输出可用于后续无线电能传输装置的稳定高频方波，其原理图如图1所示。其中，CT取能单元1为开启式圆环结构，利用一个环形感应取能铁芯，将它套在高压输电线路上，然后根据电磁感应原理从铁芯所绕线圈两端感应出交流电压；电能转换单元3由整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块组成。将CT取能单元1输出的工频交流电压转换为高频方波，为后续无线电能传输装置供电。

请参阅图1，本发明实施例中的整流滤波模块：输电线路上的电流变化范围很大，大到几百A，小到几A，CT取能单元1从高压输电线路上取得的工频交流电是不稳定的，不能直接应用于后续无线电能传输系统，因此，需要通过整流滤波电路将接收到的工频交流转换成可以内部应用的直流电(48V)。本发明实施例中的整流滤波电路由两部分电路组成：一是整流电路，其作用是把正弦波交流电压转变成单向的脉动电压；二是滤波电路，是将单向脉动电压通过滤波形成直流电压。整流滤波电路输出的直流电压，是高频逆变电路实现稳压逆变输出的前提。

本发明实施例中的高频逆变模块：高频逆变电路将整流滤波电路输出的直流电(48V)转换为满足无线电能传输需要的高频方波，采用一般电力电子逆变拓扑。

本发明实施例中的辅助电源模块：用于电能转换单元3内部供电，通过DC-DC降压电路将整流滤波模块输出的48V直流变成控制模块和驱动模块中芯片所需的供电直流电压(一般为5V和15V)。

本发明实施例中的控制模块：主要由控制芯片及其外围电路组成(一般可采用微处理芯片，如STM32F103RCT6等)，通过将采集到的实际输出信号频率与设定值对比，控制输出至驱动模块的PWM信号频率。

本发明实施例中的驱动模块：主要为高频逆变模块中的GaN开关管提供驱动信号，驱动信号的频率由控制模块输出的PWM信号控制。

本发明实施例对CT取能单元1进行优化的方案为：

根据电磁感应原理，能量是通过铁芯这个媒介来传递的，铁芯材料的性能影响取能效率的高低，而且铁芯的结构参数对感应的电压和能量有着直接的影响。由于铁磁材料在交变磁场的作用下，会发生反复的磁化过程，此时磁畴会不停的转动，相互之间会不断摩擦，因而要消耗一定的能量，产生磁滞损耗，在设计铁芯结构时要尽量减少磁滞损耗。另外，当一次电流较大，导致铁芯饱和后，电流的增加只能产生很小的磁通增量，此时磁通的波形为平顶波形，即，磁通与电动势波形中都含有不同程度的谐波成分，此时感应电动势包含有丰富的奇次谐波。本发明实施例从铁芯内外径、高度、取能匝数的变化，提升CT取能单元1的性能，使其满足在几十到几百A的电流范围内的正常取能需要，即较低启动电流时能保证较大的功率输出，较高启动电流时铁芯不会饱和。具体优化内容如下：

1、采取给铁芯开气隙的方式引入磁阻来减小磁导率，在此选取的取能铁芯是开口式的。

2、适当增加增加铁芯径向厚度b-a、铁芯高度h。

请参阅图2，以铁芯气隙＝0.6mm，铁芯高h＝2cm，二次侧绕组匝数N2＝400为例，仿真计算取能功率随铁芯内外径的变化。(a为铁芯内径，b为铁芯外径，b-a为铁芯厚度)

取能功率与铁芯径向厚度[b-a]存在单调增加的关系，但铁芯径向厚度的取值范围不能一味增加，它们还受到安装规范及导线自挂重的约束，且增加后取能功率增势不明显，经济效应将会明显下降。

请参阅图3，随着铁芯高度h的变化，线圈取能功率首先稳步上升再基本保持不变，因此在铁芯高度较小时，通过提升铁芯高度的方法来增加线圈取能功率是十分有效的。

3、根据特定的铁芯内径a，铁芯外径b，铁芯高度h，基于仿真计算最佳铁芯气隙δ及二次侧绕组匝数N2。在此选取两个半圆间的气隙最小的铁芯，此时存在一个最优的二次侧匝数N2满足取能功率最大。

请参阅图4，以铁芯内径a＝4cm，铁芯外径b＝9cm，铁芯高度h＝4cm为例，仿真计算可得取能功率随铁芯气隙及二次侧绕组匝数的变化关系。则优化后的CT取能线圈参数如表1(优化后的CT取能线圈参数)所示。

表1

本发明实施例对电能转换单元3进行优化的方案为：

电能转换单元3的作用是对CT取能单元1获取的工频交流电进行控制，使之转换成目标应用所需的可控稳定输出，是整个高性能电源装置的核心。本发明实施例的电能转换单元3由整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块组成，本发明实施例从器件选择、电路设计等方面提升电能转换模块性能。具体优化方案如下：

1、高频逆变模块将整流滤波模块输出的直流电转换为满足无线电能传输需要的高频交流电，本发明实施例采用一般电力电子逆变拓扑。但与传统使用功率半导体器件还是Si基二极管、功率MOSFET以及IGBT等器件搭建电路相比，本发明实施例采用新型功率半导体器件—增强型GaN晶体管，以满足电源轻、薄、小、高效的发展趋势。

2、驱动模块主要是针对高频逆变模块设计，对于GaN EHEMT来说，与Si MOSFET类似，栅极的驱动电压都有范围的限制。GaN EHEMT常用的正向驱动电压为+5V～+6V，要低于电压上限+7V约1V以上。在导通电流相同的情况下，导通电阻随着VGS(+5V～+6V)的增大而减小。因此，本发明实施例选择+6V的正向驱动电压，此时导通电阻较小，可以减低导通损耗，获取更高的效率。

3、控制模块主要用于对最终输出的频率进行控制，本发明实施例采用锁相环频率跟踪式电路实现对共振频率的跟踪，检测的信号经过处理后反馈给系统的控制模块，控制模块发出相应的两路互补PWM波使系统能够自动谐振耦合，从而使电源输出的高频方波满足无线电能传输系统的需要。

4、考虑高压母线电流跟随线路负载的变化而在很大的范围变化，使二次侧的感应电压也随之在很大的范围变化，在整流滤波模块中增加前端冲击保护与能量泄放功能，同时增加后端限压保护功能，保证装置在短路等原因造成的过电流及冲击电流下能够可靠保护电源。其中，前端冲击保护和能量泄放功能可由钳位电路实现，即由可控精密稳压源、光隔离三端双向可控硅驱动器芯片和大功率可控硅及电压抑制器等构成，限压保护电路由运算放大器和开关管构成。

5、辅助电源模块用于控制模块以及驱动模块供电，本发明实施例采用DC-DC降压电路将整流滤波模块输出的直流稳压电源转换为5V及3.3V的辅助电源，同时结合锂电池充供电单元，保证高压母线电流过低时系统依旧能够稳定工作。

考虑本发明实施例提供的电源装置用于高压输电线路，其所处的环境复杂多变，可能面临日晒雨淋的考验，本发明实施例将CT取能单元1和电能转换单元3均置于开启式空心柱型结构内，外壳4表面打磨平滑，保证没有尖端，其结构如图5所示。外壳4采用优质ABS材料，抗老化，耐腐防腐，盒内加入优质防水密封圈5，保证外壳4轻便，同时有效绝缘度高，防潮防雨，耐冲击。

请参阅图6，将外壳4打开后，各部件在装置内部位置如图6所示。防水密封圈5位于盒内装置开合处，内置电能转换模块的金属屏蔽盒2与CT取能单元1分别置于装置内两侧。

请参阅图7，电能转换单元3的电气器件布置在若干大小形状相同的半圆环形双层印刷电路板上，其形状如图7所示，半圆形结构与传统的方形结构相比更可充分利用盒内空间。

请参阅图8，为降低高压输电线路强电磁场干扰，保证装置控制电路工作正常，增加了相应的电磁兼容设计，将印刷电路板置于金属屏蔽盒2(内阻小，任意两点内阻不超过2mΩ)内，屏蔽盒外形设计如图8所示，印刷电路板固定后盖上屏蔽盒前加入导热密封胶，在防止器件移动的同时保证散热。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，通过对CT取能单元1、电能转换单元3的优化，满足在几十到几百A的电流范围内的正常取能需要，即较低启动电流时能保证较大的功率输出，较高启动电流时铁芯不会饱和；通过将CT取能单元1与电能转换单元3封装在同一个装置内，满足小型化、集约化的需要，具有良好的工程应用前景和价值。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，将CT取能单元1与电能转换单元3封装在均置于开启式空心柱型结构内，外壳4表面打磨平滑，保证没有尖端，外壳4采用优质ABS材料，抗老化，耐腐防腐，盒内加入优质防水密封圈5，保证外壳4轻便，同时有效绝缘度高，防潮防雨，耐冲击。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，电能转换单元3的电气器件布置在若干大小形状相同的半圆环形双层印刷电路板上，半圆形结构与传统的方形结构相比更可充分利用盒内空间。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，增加了相应的电磁兼容设计，将印刷电路板置于金属屏蔽盒2，印刷电路板固定后盖上屏蔽盒前加入导热密封胶，在防止器件移动的同时保证散热，降低高压输电线路强电磁场干扰，保证装置控制电路工作正常。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，从铁芯内外径、高度、取能匝数的变化，提升CT取能单元1的性能，使其满足在几十到几百A的电流范围内的正常取能需要，即较低启动电流时能保证较大的功率输出，较高启动电流时铁芯不会饱和。

本发明实施例提供的用于高压输电线路的电源装置，从器件选择、电路设计等方面提升电能转换模块性能，使其满足输出频率可控且输出高度稳定的需要。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，包括：

CT取能单元和与所述CT取能单元连接的电能转换单元；

其中，所述CT取能单元用于从所述高压输电线路感应出交流电压；

所述电能转换单元用于将所述交流电压转换为高频方波，包括整流滤波模块、高频逆变模块、驱动模块、辅助电源模块、控制模块；

所述整流滤波模块连接所述高频逆变模块和所述辅助电源模块，用于将所述交流电压转换为固定直流电压；

所述辅助电源模块连接所述整流滤波模块和所述控制模块，用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压；

所述控制模块连接所述辅助电源模块和所述驱动模块，用于控制输出至所述驱动模块的PWM信号频率；

所述驱动模块连接所述高频逆变模块和所述控制模块，用于为所述高频逆变模块提供驱动信号，其中，所述驱动信号的频率由所述PWM信号控制；

所述高频逆变模块连接所述整流滤波模块和所述驱动模块，用于根据所述驱动信号将所述直流电压转换为系统所需的高频方波。

2.根据权利要求1所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，将所述CT取能单元和所述电能转换单元封装在同一个装置内。

3.根据权利要求1或2所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述CT取能单元为开启式圆环结构，内置一个开口式的环形取能铁芯。

4.根据权利要求1所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述高频逆变模块为增强型GaN晶体管。

5.根据权利要求1所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述驱动模块的驱动电压为+6V的正向驱动电压。

6.根据权利要求1所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，在所述整流滤波模块中增加钳位电路以实现前端冲击保护与能量泄放功能，增加限压保护电路以实现后端限压保护功能。

7.根据权利要求1所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述辅助电源模块用于将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压进一步包括：所述辅助电源模块利用DC-DC降压电路将所述固定直流电压转换为所述控制模块和所述驱动模块所需的供电直流电压。

8.根据权利要求2所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述装置为开启式空心柱型结构。

9.根据权利要求2所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述电能转换单元的外部还设有金属屏蔽盒。

10.根据权利要求2所述的用于高压输电线路的电源装置，其特征在于，所述电能转换单元的电气器件设置在多个半圆环形双层印刷电路板上，其中，所述电路板的大小形状相同。

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