CN114759686A - 一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线供电技术领域，具体涉及一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，包括CT取电单元、功率发射单元、中继线圈L 2‑L n‑1、功率接收单元、储能单元、控制器、电压传感器、电流传感器；CT取电单元包括取能线圈、第一整流器以及第一DC‑DC变换器；所述功率接收单元包括接收线圈、第二整流器；控制器根据电压传感器、电流传感器采集的数据进行计算并与设定的电流阈值比较，进而控制储能单元进行充放电以及调节第一DC‑DC变换器的占空比。本发明通过设定负载在最优效率运行的电流阈值，并以此控制储能单元的充放电状态，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。

Description

一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统
技术领域
本发明属于无线供电技术领域，具体涉及一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波、电磁波等)，将电能由电源侧传递到负载侧。其中，感应式WPT技术作为一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插系统存在的接触火花，漏电等安全问题，并使人类应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备，感应式加热器，电动车以及手机等移动设备的无线充电平台。
随着WPT技术的不断发展，其传输的距离比较远，为了实现远距离无线电能传输，通常会加入中继线圈，利用中继线圈的磁耦合谐振来实现远距离能量传输。
随着智能电网的不断发展，采用高压输电线路在线监测设备提前发现输电线路上的故障并进行预警是实现智能监测的重要一环。现有的高压输电线路在线监测设备供电方式通常采用新能源加储能设备的方案进行供电，但新能源发电供电受外界条件限制，且供电不稳定，增加了储能设备的使用频率，这会降低储能设备的使用寿命。因此提供一种稳定、可靠、高效的供电方式是高压输电线路在线监测设备亟待解决的一大难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，具体技术方案如下：
一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，包括CT取电单元、功率发射单元、中继线圈L2-Ln-1、功率接收单元、储能单元、控制器、电压传感器、电流传感器；
所述CT取电单元包括取能线圈、第一整流器以及第一DC-DC变换器；所述取能线圈放置在高压输电线路上，所述取能线圈、第一整流器、第一DC-DC变换器依次连接；
所述功率发射单元包括全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1；所述全桥逆变器与第一DC-DC变换器连接，所述全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1依次连接；发射线圈L1的寄生内阻为R1；
所述发射线圈L1与中级线圈L2耦合，其互感为M12；中继线圈L2、中继线圈L3、……、直端中继线圈Ln-1相互之间磁耦合，其互感分别为M23、M34、……、M(n-2)(n-1)；各个中继线圈分别连接各自的谐振补偿电容C2、C3、……、直至末端的中继线圈Ln-1连接对应的谐振补偿电容Cn-1；中继线圈L2-Ln-1的寄生内阻分别为R2-Rn-1；
所述功率接收单元包括接收线圈Ln、第二整流器；所述接收线圈Ln与中继线圈Ln-1耦合，所述第二整流器分别与接收线圈Ln、负载电阻RL连接；所述储能单元与第二整流器连接；所述接收线圈Ln和串联谐振电容Cn串联，且其寄生内阻为Rn；中继线圈L2-Ln-1分别固定在绝缘子的伞裙里面；
所述电压传感器用于采集负载电阻RL两端的电压，并将采集的数据传输至控制器；所述电流传感器用于采集负载电阻RL两端的电流，并将采集的数据传输至控制器；
所述控制器分别与电压传感器、电流传感器、第一DC-DC变换器、储能单元连接，用于根据电压传感器、电流传感器采集的数据进行计算并与设定的电流阈值比较，进而控制储能单元进行充放电以及调节第一DC-DC变换器的占空比。
优选地，所述设定的电流阈值与对应的负载电阻RL匹配。
优选地，所述设定的电流阈值与对应的负载电阻RL通过以下方式匹配：
(1)控制器根据电压传感器采集的负载电阻RL两端的电压VL以及电流传感器采集的流过负载电阻RL的电流IL以及欧姆定律计算负载电阻RL的值；
(2)根据负载电阻RL计算第二整流器交流输入侧等效负载Req；
(3)根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流；在求出各个回路电流的前提下，计算各个回路的有功功率，进而求出供电系统的传输效率模型η；
(4)基于供电系统的传输效率模型求解出当传输效率最大时对应的最优等效负载Req-opt,并求解此时直流负载上的额定电流Ie，并将求解得到的额定电流Ie作为控制器设定的电流阈值。
优选地，所述步骤(1)中负载电阻RL的值通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000021
优选地，所述步骤(2)中第二整流器交流输入侧等效负载Req通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000022
优选地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流：
Figure BDA0003656768540000031
根据矩阵分析相关理论，可求各回路电流为：I＝Z-1V；其中：
Figure BDA0003656768540000032
Figure BDA0003656768540000033
则供电系统的传输效率模型：
Figure BDA0003656768540000034
其中，Po为系统的输出有功功率；Pin为系统的输入的有功功率；
优选地，所述步骤(4)中最优等效负载Req-opt和额定电流Ie通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000035
Req-opt为上式求导等于零后的解，即最优等效负载；
Figure BDA0003656768540000036
Uo为负载侧直流输出电压。
优选地，所述控制器根据电流传感器的检测的流过负载电阻RL的电流，若是流过负载电阻RL的电流大于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元充电，若是流过负载电阻RL的电流小于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元放电，以维持负载以设定的电流阈值充电。
优选地，控制器根据高压输电线路上的母线电流，计算得到第一DC-DC变换器的输出电压Vdc，并调节第一DC-DC变换器占空比，保持第一DC-DC变换器的输出直流电压Vdc不变。
优选地，所述第一DC-DC变换器的输出电压Vdc通过以下方式计算
Figure BDA0003656768540000041
其中：T为工频周期，ω为工频下的角频率，IP为输电线路交流母线电流，N为取能线圈匝数，tsat为磁芯饱和时间，R'为CT取电单元后级电路等效负载。
本发明的有益效果为：本发明通过设定负载在最优效率运行的电流阈值，并以此控制储能单元的充放电状态，如此保证负载始终维持在最优效率运行，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的原理图。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，包括CT取电单元、功率发射单元、中继线圈L2-Ln-1、功率接收单元、储能单元、控制器、电压传感器、电流传感器；
所述CT取电单元包括取能线圈、第一整流器以及第一DC-DC变换器；所述取能线圈放置在高压输电线路上，所述取能线圈、第一整流器、第一DC-DC变换器依次连接；
所述功率发射单元包括全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1；所述全桥逆变器与第一DC-DC变换器连接，所述全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1依次连接；发射线圈L1的寄生内阻为R1；
所述发射线圈L1与中级线圈L2耦合，其互感为M12；中继线圈L2、中继线圈L3、……、直端中继线圈Ln-1相互之间磁耦合，其互感分别为M23、M34、……、M(n-2)(n-1)；各个中继线圈分别连接各自的谐振补偿电容C2、C3、……、直至末端的中继线圈Ln-1连接对应的谐振补偿电容Cn-1；中继线圈L2-Ln-1的寄生内阻分别为R2-Rn-1；
所述功率接收单元包括接收线圈Ln、第二整流器；所述接收线圈Ln与中继线圈Ln-1耦合，所述第二整流器分别与接收线圈Ln、负载电阻RL连接；所述储能单元与第二整流器连接；所述接收线圈Ln和串联谐振电容Cn串联，且其寄生内阻为Rn；中继线圈L2-Ln-1分别固定在绝缘子的伞裙里面；
所述电压传感器用于采集负载电阻RL两端的电压，并将采集的数据传输至控制器；所述电流传感器用于采集负载电阻RL两端的电流，并将采集的数据传输至控制器；
所述控制器分别与电压传感器、电流传感器、第一DC-DC变换器、储能单元连接，用于根据电压传感器、电流传感器采集的数据进行计算并与设定的电流阈值比较，进而控制储能单元进行充放电以及调节第一DC-DC变换器的占空比。
其中，所述设定的电流阈值与对应的负载电阻RL匹配，具体通过以下方式匹配：
(1)控制器根据电压传感器采集的负载电阻RL两端的电压VL以及电流传感器采集的流过负载电阻RL的电流IL以及欧姆定律计算负载电阻RL的值；负载电阻RL的值通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000051
(2)根据负载电阻RL计算第二整流器交流输入侧等效负载Req；第二整流器交流输入侧等效负载Req通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000052
(3)根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流；在求出各个回路电流的前提下，计算各个回路的有功功率，进而求出供电系统的传输效率模型η；具体包括以下步骤：
根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流：
Figure BDA0003656768540000061
根据矩阵分析相关理论，可求各回路电流为：I＝Z-1V；其中：
Figure BDA0003656768540000062
Figure BDA0003656768540000063
则供电系统的传输效率模型：
Figure BDA0003656768540000064
其中，Po为系统的输出有功功率；Pin为系统的输入的有功功率。
(4)基于供电系统的传输效率模型求解出当传输效率最大时对应的最优等效负载Req-opt,并求解此时直流负载上的额定电流Ie，并将求解得到的额定电流Ie作为控制器设定的电流阈值。最优等效负载Req-opt和额定电流Ie通过以下方式计算：
Figure BDA0003656768540000065
Req-opt为上式求导等于零后的解，即最优等效负载；
Figure BDA0003656768540000066
Uo为负载侧直流输出电压。
控制器根据电流传感器的检测的流过负载电阻RL的电流，若是流过负载电阻RL的电流大于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元充电，若是流过负载电阻RL的电流小于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元放电，以维持负载以设定的电流阈值充电，即当Io＞Ie时，储能设备进行充电；当Io＜Ie时，储能设备进行放电。
控制器根据高压输电线路上的母线电流，计算得到第一DC-DC变换器的输出电压Vdc，并调节第一DC-DC变换器占空比，保持第一DC-DC变换器的输出直流电压Vdc不变。
优选地，所述第一DC-DC变换器的输出电压Vdc通过以下方式计算
Figure BDA0003656768540000071
其中：T为工频周期，ω为工频下的角频率，IP为输电线路交流母线电流，N为取能线圈匝数，tsat为磁芯饱和时间，R'为CT取电单元后级电路等效负载，且R'＝Vdc/I1。
本发明通过确定储能设备的充放电状态，使得负载始终维持在最优效率运行，从而使系统在能量传输过程中始终工作在高效状态，有效改善了远距离无线电能传输过程中效率较低的问题。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，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，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，包括CT取电单元、功率发射单元、中继线圈L2-Ln-1、功率接收单元、储能单元、控制器、电压传感器、电流传感器；
所述CT取电单元包括取能线圈、第一整流器以及第一DC-DC变换器；所述取能线圈放置在高压输电线路上，所述取能线圈、第一整流器、第一DC-DC变换器依次连接；
所述功率发射单元包括全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1；所述全桥逆变器与第一DC-DC变换器连接，所述全桥逆变器、发射线圈L1和串联谐振电容C1依次连接；发射线圈L1的寄生内阻为R1；
所述发射线圈L1与中级线圈L2耦合，其互感为M12；中继线圈L2、中继线圈L3、……、直端中继线圈Ln-1相互之间磁耦合，其互感分别为M23、M34、……、M(n-2)(n-1)；各个中继线圈分别连接各自的谐振补偿电容C2、C3、……、直至末端的中继线圈Ln-1连接对应的谐振补偿电容Cn-1；中继线圈L2-Ln-1的寄生内阻分别为R2-Rn-1；
所述功率接收单元包括接收线圈Ln、第二整流器；所述接收线圈Ln与中继线圈Ln-1耦合，所述第二整流器分别与接收线圈Ln、负载电阻RL连接；所述储能单元与第二整流器连接；所述接收线圈Ln和串联谐振电容Cn串联，且其寄生内阻为Rn；中继线圈L2-Ln-1分别固定在绝缘子的伞裙里面；
所述电压传感器用于采集负载电阻RL两端的电压，并将采集的数据传输至控制器；所述电流传感器用于采集负载电阻RL两端的电流，并将采集的数据传输至控制器；
所述控制器分别与电压传感器、电流传感器、第一DC-DC变换器、储能单元连接，用于根据电压传感器、电流传感器采集的数据进行计算并与设定的电流阈值比较，进而控制储能单元进行充放电以及调节第一DC-DC变换器的占空比。
2.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述设定的电流阈值与对应的负载电阻RL匹配。
3.根据权利要求2所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述设定的电流阈值与对应的负载电阻RL通过以下方式匹配：
(1)控制器根据电压传感器采集的负载电阻RL两端的电压VL以及电流传感器采集的流过负载电阻RL的电流IL以及欧姆定律计算负载电阻RL的值；
(2)根据负载电阻RL计算第二整流器交流输入侧等效负载Req；
(3)根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流；在求出各个回路电流的前提下，计算各个回路的有功功率，进而求出供电系统的传输效率模型η；
(4)基于供电系统的传输效率模型求解出当传输效率最大时对应的最优等效负载Req-opt,并求解此时直流负载上的额定电流Ie，并将求解得到的额定电流Ie作为控制器设定的电流阈值。
4.根据权利要求3所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述步骤(1)中负载电阻RL的值通过以下方式计算：
Figure FDA0003656768530000021
5.根据权利要求3所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述步骤(2)中第二整流器交流输入侧等效负载Req通过以下方式计算：
Figure FDA0003656768530000022
6.根据权利要求3所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
根据N线圈等效电路模型，列写KVL回路方程，求其各个回路电流：
Figure FDA0003656768530000023
根据矩阵分析相关理论，可求各回路电流为：I＝Z-1V；其中：
Figure FDA0003656768530000024
Figure FDA0003656768530000025
则供电系统的传输效率模型：
Figure FDA0003656768530000026
其中，Po为系统的输出有功功率；Pin为系统的输入的有功功率。
7.根据权利要求3所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述步骤(4)中最优等效负载Req-opt和额定电流Ie通过以下方式计算：
Figure FDA0003656768530000031
Req-opt为上式求导等于零后的解，即最优等效负载；
Figure FDA0003656768530000032
Uo为负载侧直流输出电压。
8.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述控制器根据电流传感器的检测的流过负载电阻RL的电流，若是流过负载电阻RL的电流大于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元充电，若是流过负载电阻RL的电流小于设定的电流阈值，则控制器控制储能单元放电，以维持负载以设定的电流阈值充电。
9.根据权利要求1所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，控制器根据高压输电线路上的母线电流，计算得到第一DC-DC变换器的输出电压Vdc，并调节第一DC-DC变换器占空比，保持第一DC-DC变换器的输出直流电压Vdc不变。
10.根据权利要求9所述的一种高压输电线路在线监测设备可持续无线供电系统，其特征在于，所述第一DC-DC变换器的输出电压Vdc通过以下方式计算
Figure FDA0003656768530000033
其中：T为工频周期，ω为工频下的角频率，IP为输电线路交流母线电流，N为取能线圈匝数，tsat为磁芯饱和时间，R'为CT取电单元后级电路等效负载。
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