CN113067417B - 基于无功补偿的取电ct输出功率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法，属于电路技术领域。在CT的副边线圈侧并联匹配电容，以补偿CT等效电路模型中激磁支路所消耗的无功功率，增大负载电流大小，从而提升CT在负载电阻上的最大输出有功功率；通过改变补偿电容C大小，能够控制负载获得功率大小。现有研究主要是针对大电流条件下CT的功率控制、抗饱和性能，取电CT所获取的功率能够满足后端设备功耗需求，因此并未较多开展针对获取功率不足情况下的CT功率提升方法。尤其是在原边电流为mA级条件下，为获取足够多的能量，可以在二次侧并联补偿电容，当电容与激磁电感谐振时，取电CT的最大输出有功功率将提升接近一倍。

Description

基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法。

背景技术

电流互感器(CT)结构简单、绝缘性好、成本低、安装方便等优势，是目前应用最为广泛、技术最为成熟的现场取电方式。但是输电线路CT在线取电方法存在以下问题：1)母线电流过小时取电功率不足，存在取电死区；2)母线电流过大时，磁芯更易饱和，发热严重，需要设计相应的泄能和保护电路。由于母线电流范围与取电功率之间存在矛盾，目前使用CT线圈进行在线取电的技术，主要针对抗饱和性能、功率控制、降低取能下限等方面展开研究。为了改善磁芯在大电流情况下的饱和现象，对磁芯开气隙，能够有效降低磁芯的等效磁导率；但是低磁导率的磁芯启动电流较大，在小电流情况下，取电功率不足。为了降低电流下限，则需要采用高磁导率的纳米晶等材料，以提高在小电流情况下的取电功率；但是高磁导率的磁芯更容易饱和，为了提高取电CT在大电流范围下的动态适应性能，部分研究人员采用不同磁导率的双线圈模式或是通过泄能旁路来防止磁芯饱和及发热。

现有研究表明，CT的取电功率与磁芯磁导率、气隙长度、内径大小有关，取电功率很大程度受到磁芯体积大小的限制。气隙对CT的输出功率影响最大，实际使用中应尽量减小气隙长度，而内径越小，CT的功率密度越高，磁芯等效横截面积越大，取电功率越大。然而CT取电存在最大功率点，对于CT的最大功率提取，目前主要依靠CT内阻与负载阻抗匹配，使得负载能够获得最大功率。通过建立CT的等效负载电路模型可以看出，负载电流相位、幅值随负载大小变化，其T型等效模型中的激磁电流也会随之变化，然而，激磁电流在激磁支路上，除铁耗以外会消耗大部分无功功率。由T型等效电路模型可知，原边电流是激磁电流与二次侧电流的矢量和。若通过无功补偿的方式，使得可以补偿激磁支路消耗的无功功率，保证负载支路上的电流保持恒定，则可以有效增大负载的取电功率。该方法依赖于建立完整的取电CT等效电路模型并获取其准确模型参数，以达到理论的无功补偿和阻抗匹配状态。

针对基于电流互感器(CT)的导线取电装置，建立取电CT的等效电路模型，利用参数辨识方法，得到等效模型的电路参数。采用电容值匹配的电容C对激磁支路的无功功率进行补偿，提高负载电流幅值大小，提升后端负载所获取的有功功率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法，该方法为：

S1：在线取电CT接补偿电容；

S2：建立取电CT带电阻性负载的等效电路模型；

S3：建立取电CT二次侧并联接入匹配补偿电容后的等效电路模型；

S4：对取电CT进行等效电路模型参数辨识操作。

可选的，所述S1具体为：取电CT内穿过通以原边电流I₁的导线，二次侧线圈匝数为N，闭合磁环内半径为r₁，外半径为r₂，高度为H，CT二次侧线圈同时并联一个匹配电容C和负载电阻R。

可选的，所述S2具体为：将等效电路模型归算到二次侧，其中，L₁′、R₁′分别为归算后的一次侧漏感和导线电阻，L₂、R₂分别为二次侧漏感和导线电阻，L_m′、R_m′分别为激磁支路的激磁电感和激磁电阻；推导出二次侧电压、负载电流和负载功率的理论表达式；

二次侧的感应电动势

负载电流

则负载R上获得的功率：

负载R获得的最大功率为：

可选的，所述S2具体为：所述等效模型中，随着负载电阻R的增大，负载电流I₂的模值逐渐减小，相位逐渐增大；激磁电流的模值逐渐增大，相位逐渐减小；在原边电流I₁一定的情况下，归算值I₁′保持不变，始终满足

可选的，所述S3具体为：二次侧电流I₂为负载电阻电流I_R和电容电流I_C的矢量和；

电压U₂：

求得负载电阻电流I_R表达式：

原边电流I₁′不变，当电容C和电阻R达到一定条件时，电阻电流I_R约等于原边电流I₁′：

根据式(8)，通过建立实部、虚部包含未知数电容C和电阻R的方程组，求解得到符合补偿条件的电容C和电阻R值，使得负载电阻电流I_R基本上与原边电流I₁′相同；取电CT在最大功率输出点，负载电流约为原边电流的

完全补偿后的负载电流约等于原边电流。

可选的，所述S4具体为：在取电CT副边接入不同功率因数的负载，改变原边电流I₁′大小和负载大小，得到CT副边电压U₂的负载特性；通过设定初始解，代入式(6)进行计算，并与实验结果对比；若不满足收敛条件，则将可行解进行迭代变换，循环代入式(6)计算，直到计算结果与实验结果差异满足收敛条件；最后输出最优解，即模型各参数值。

本发明的有益效果在于：

(1)通过参数辨识算法，能够得到取电CT完整的T型等效电路模型参数。

(2)根据模型参数，快速选取匹配电容值，无需在线测试选取匹配电容。

(3)有效提升取电CT的最大输出有功功率。完全补偿时，最大输出功率接近传统CT的两倍。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为CT在线取电无功补偿原理示意图；

图2为归算到二次侧的CT带负载等效电路模型；

图3为电流矢量关系图；

图4为带补偿电容的等效电路模型；

图5为模型参数辨识操作流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明是一种针对在线取电CT的最大输出功率提升方法，该方法是在CT的副边线圈侧并联匹配电容，以补偿CT等效电路模型中激磁支路所消耗的无功功率，增大负载电流大小，从而提升CT在负载电阻上的最大输出有功功率；通过改变补偿电容C大小，能够控制负载获得功率大小。现有研究主要是针对大电流条件下CT的功率控制、抗饱和性能，取电CT所获取的功率能够满足后端设备功耗需求，因此并未较多开展针对获取功率不足情况下的CT功率提升方法。尤其是在原边电流为mA级条件下，为获取足够多的能量，可以在二次侧并联补偿电容，当电容与激磁电感谐振时，取电CT的最大输出有功功率将提升接近一倍。因此，本发明对于微电流条件下的CT取电功率提升具有重要意义。同时，该方法也可以通过调节电容C的大小，以达到控制后端输出功率大小的目的。

如图1，是在线取电CT接补偿电容的示意图。取电CT内穿过通以原边电流I₁的导线，二次侧线圈匝数为N，闭合磁环内半径为r₁，外半径为r₂，高度为H，CT二次侧线圈同时并联一个匹配电容C和负载电阻R。

如图2，是传统取电CT带电阻性负载的等效电路模型。为方便分析与计算，该模型参数归算到二次侧，其中，L₁′、R₁′分别为归算后的一次侧漏感和导线电阻，L₂、R₂分别为二次侧漏感和导线电阻，L_m′、R_m′分别为激磁支路的激磁电感和激磁电阻。由此，推导出二次侧电压、负载电流、负载功率的理论表达式。

二次侧的感应电动势

负载电流

则负载R上获得的功率：

因此，负载R获得的最大功率为：

如图3，是等效模型中原边电流、激磁电流与负载电流的矢量关系图。结合式(2)作出理论分析，随着负载电阻R的增大，负载电流I₂的模值逐渐减小，相位逐渐增大；激磁电流的模值逐渐增大，相位逐渐减小。且认为在原边电流I₁一定的情况下，其归算值I₁′也保持不变，因此，始终满足

如图4，是取电CT二次侧并联接入匹配补偿电容后的等效电路模型。二次侧电流I₂为负载电阻电流I_R和电容电流I_C的矢量和。

电压U₂：

进一步，求得负载电阻电流I_R表达式：

由此可见，由于原边电流I₁′不变，当电容C和电阻R达到一定条件时，电阻电流I_R约等于原边电流I₁′。即：

根据式(8)，通过建立实部、虚部包含未知数电容C和电阻R的方程组，求解得到符合补偿条件的电容C和电阻R值，使得负载电阻电流I_R基本上与原边电流I₁′相同。现有研究表明，取电CT在最大功率输出点，其负载电流约为原边电流的

(统一归算后)，因此，完全补偿后的负载电流约等于原边电流，根据式(4)，此时取电CT的最大输出功率约为传统CT的两倍。

如图5，是对取电CT进行等效电路模型参数辨识操作的流程图。在取电CT副边接入不同功率因数的负载，改变原边电流I₁′大小和负载大小，得到CT副边电压U₂的负载特性。随后通过设定初始解，代入式(6)进行计算，并与实验结果对比；若不满足收敛条件，则将可行解进行迭代变换，循环代入式(6)计算，直到计算结果与实验结果差异满足收敛条件；最后输出最优解，即模型各参数值。

本发明结合在实际应用中的实施，具体的工作步骤如下：

1)准备工作

根据现场实施需要准备待测的CT，准备电流发生器、各类导线、示波器、负载箱、电阻电容器件等实验器材，按照图1所示的示意图，搭建离线条件下的模拟测试试验平台。

2)取电CT负载特性测试

为获得较为准确的CT电路模型参数，在对CT进行负载特性试验时，采用可变功率因数负载箱，即同时接入电容和电阻负载，电路图如图4所示。试验中，在CT副边分别接入功率因数为1、0.8的负载，通过改变电容C和电阻R的大小，得到多组二次侧电压U₂的值；通过设置电流发生器输出电流大小，改变原边电流激励I₁′，重复进行不同功率因数下的负载试验，得到多组二次侧电压U₂的值。

3)取电CT等效电路模型参数辨识

将不同的电容C、电阻R以及二次侧电压的值代入参数辨识算法，根据上述公式(6)，得到CT等效电路模型中各参数(激磁电感和激磁电阻L_m′、R_m′，二次侧漏感和导线电阻L₂、R₂)。

4)计算得到匹配电阻电容值

将得到的电路模型参数L_m′、R_m′、L₂、R₂，代入式(8)，计算得到在完全补偿条件下的补偿电容C和匹配电阻R的大小。

5)取电CT最大功率测试

将步骤4)中计算得到的电容C和电阻R接入CT，如图1所示，设置电流发生器输出电流I₁，示波器测试电阻电压(有效值)U₂，利用公式

计算得到此时的负载功率，并与不接补偿电容时的电阻负载功率进行对比。

本发明通过多模式的负载特性实验，结合参数辨识算法，快速得到取电CT的准确等效模型参数；进一步，理论计算得到用以补偿激磁支路所消耗无功功率的匹配电容大小，增大负载电阻电流，从而有效提升在mA级原边电流条件下，负载电阻上获得的最大有功功率；此外，还可以通过调节补偿电容C大小，在一定范围内控制负载获得功率大小。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法，其特征在于：该方法为：

S1：在线取电CT接补偿电容；

S2：建立取电CT带电阻性负载的等效电路模型；

S3：建立取电CT二次侧并联接入匹配补偿电容后的等效电路模型；

S4：对取电CT进行等效电路模型参数辨识操作；

所述S2具体为：将等效电路模型归算到二次侧，其中，L₁′、R₁′分别为归算后的一次侧漏感和导线电阻，L₂、R₂分别为二次侧漏感和导线电阻，L_m′、R_m′分别为激磁支路的激磁电感和激磁电阻；推导出二次侧电压、负载电流和负载功率的理论表达式；

二次侧的感应电动势

为激磁电流相量；

为原边电流归算至二次侧的归算值相量；I₁'为原边电流归算至二次侧的归算值；

负载电流

则负载R上获得的功率：

负载R获得的最大功率为：

所述S2具体为：所述等效模型中，随着负载电阻R的增大，负载电流I₂的模值逐渐减小，相位逐渐增大；激磁电流的模值逐渐增大，相位逐渐减小；在原边电流I₁一定的情况下，归算值I₁′保持不变，始终满足

所述S3具体为：二次侧电流I₂为负载电阻电流I_R和电容电流I_C的矢量和；

副边电压U₂：

求得负载电阻电流I_R表达式：

原边电流I₁′不变，当电容C和电阻R达到一定条件时，电阻电流I_R约等于原边电流I₁′：

根据式(8)，通过建立实部、虚部包含未知数电容C和电阻R的方程组，求解得到符合补偿条件的电容C和电阻R值，使得负载电阻电流I_R基本上与原边电流I₁′相同；取电CT在最大功率输出点，负载电流约为原边电流的

完全补偿后的负载电流约等于原边电流。

2.根据权利要求1所述的基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法，其特征在于：所述S1具体为：取电CT内穿过通以原边电流I₁的导线，二次侧线圈匝数为N，闭合磁环内半径为r₁，外半径为r₂，高度为H，CT二次侧线圈同时并联一个匹配电容C和负载电阻R。

3.根据权利要求1所述的基于无功补偿的取电CT输出功率提升方法，其特征在于：所述S4具体为：在取电CT副边接入不同功率因数的负载，改变原边电流I₁′大小和负载大小，得到CT副边电压U₂的负载特性；通过设定初始解，代入式(6)进行计算，并与实验结果对比；若不满足收敛条件，则将可行解进行迭代变换，循环代入式(6)计算，直到计算结果与实验结果差异满足收敛条件；最后输出最优解，即模型各参数值。

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