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配電網(wǎng)中取能電源設(shè)計(jì)

宋嬌1孟德奇2

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目前，國(guó)內(nèi)的各行業(yè)發(fā)展迅速，其中電力行業(yè)在國(guó)內(nèi)各行業(yè)中的地位至關(guān)重要，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要基礎(chǔ)和良好保證?？v觀國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的發(fā)展，火力發(fā)電占到很大的比例。從國(guó)內(nèi)看，在全部的發(fā)電量中火力發(fā)電能夠占到80%以上，而且多采用集中發(fā)電的形式。火力發(fā)電排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境有很大的影響；集中供電方式有大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)性，這些都會(huì)給有關(guān)國(guó)家和地區(qū)造成巨大的損失[1]。如1999年紐約因持續(xù)的高溫停電19個(gè)小時(shí)；2003年美國(guó)東北部大規(guī)模停電給這個(gè)區(qū)域所造成約60億美元的經(jīng)濟(jì)損失，五千萬(wàn)人因此受到影響[2]；2012年，印度九個(gè)邦電網(wǎng)崩潰，大面積停電造成了大規(guī)模的交通癱瘓、居民用水困難；由于沒(méi)有完善的監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備，集中發(fā)電形勢(shì)下的大規(guī)模停電一旦發(fā)生帶來(lái)的損失就很巨大。這樣的實(shí)例還有很多，所有這些都充分暴露了大型互聯(lián)同步電網(wǎng)的脆弱性，牽一發(fā)而動(dòng)全身。集中式的發(fā)電、單一的供電途徑以及缺少有效地監(jiān)測(cè)智能設(shè)備等一系列的原因使得目前的電網(wǎng)模式不能很好地滿足對(duì)于電網(wǎng)提出的安全、高效、可靠、自恢復(fù)性等要求，建設(shè)更加穩(wěn)定、高質(zhì)的電網(wǎng)還有一段路程要探索。在改善原有電網(wǎng)運(yùn)行模式的研究上，美國(guó)、加拿大以及歐洲各國(guó)等都進(jìn)行了各種研究，全美第一個(gè)智能電網(wǎng)城市在美國(guó)科羅拉多州波爾得市成功建立，法國(guó)也將普通電表更新為智能電表[3]。我國(guó)也提出“以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能化電網(wǎng)[1]。”隨著電力體系的改革和堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)，智能電網(wǎng)必將成為我國(guó)電網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展方向[4]。

智能電網(wǎng)要求能更好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理電網(wǎng)的運(yùn)行情況，各種智能元件設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。通常智能元件要求的電壓不高，采用低壓直流供電，而且要求具有較高的穩(wěn)定性和絕緣性，如配電網(wǎng)供電線路中故障檢測(cè)定位裝置，高壓開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)，電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電子式電流互感器，導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)裝置等。這些設(shè)備目前多采用電池供電，這樣的方式供電時(shí)間有限，對(duì)裝置的功率限制較大，不利于設(shè)備大范圍的使用。同時(shí)在野外、山區(qū)等偏僻、交通不便的地方，線路電池更換不便。因此，設(shè)計(jì)一種能代替電池、在與一次系統(tǒng)保持很好的電氣隔離的情況下從一次側(cè)獲取能量的電源成為智能電網(wǎng)發(fā)展的需求。

電流互感器能夠?qū)⒁淮蝹?cè)的大電流、高電壓轉(zhuǎn)換為小電流、低電壓，供計(jì)量與繼電保護(hù)所用，同時(shí)一次側(cè)與二次側(cè)有很好的電氣隔離，利用這一特征設(shè)計(jì)取能電源。配電網(wǎng)中線路電流變化范圍較大，設(shè)計(jì)取能電源能夠在這樣的變化下正常工作，經(jīng)過(guò)取能、沖擊保護(hù)、整流濾波以及DC/DC轉(zhuǎn)換等部分最終實(shí)現(xiàn)電源的設(shè)計(jì)。此外，考慮到線路發(fā)生短路或者雷擊時(shí)的線路電流會(huì)很大，設(shè)計(jì)補(bǔ)償線圈實(shí)現(xiàn)線圈能量抵消或者泄放。當(dāng)一次側(cè)電流很小時(shí)，電流互感器能量獲取不足，采用無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)能量獲取。

根據(jù)電流互感器取能的原理，完成對(duì)電流互感器的鐵芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括鐵芯材料的對(duì)比選擇，截面積、內(nèi)外徑的計(jì)算、氣隙設(shè)計(jì)等。根據(jù)互感器原理計(jì)算二次側(cè)線圈匝數(shù)，設(shè)計(jì)前端沖擊保護(hù)電路、整流濾波電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)確定補(bǔ)償線圈的投入點(diǎn)，選擇簡(jiǎn)單易行的方式投入補(bǔ)償線圈。完成無(wú)線取能電源的設(shè)計(jì)，首先采用諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸，該部分需要設(shè)計(jì)能量發(fā)射電路和能量接收電路。最終選擇合適的切換點(diǎn)及切換方式，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)電流變化時(shí)取能裝置三種工作模式之間的正常切換。

裝置的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)部分：第一部分是獲取能量，采用電流互感器從線路取能，同時(shí)利用無(wú)線取能的方式較好的解決一次側(cè)線路電流較小時(shí)能量獲取的難點(diǎn)。該部分主要研究?jī)?nèi)容為電流互感器的設(shè)計(jì)、處理電路的搭建及無(wú)線取能電路的設(shè)計(jì)。其中，互感器鐵芯材料選擇、鐵芯形狀設(shè)計(jì)、電路參數(shù)計(jì)算、電路整體設(shè)計(jì)及布線格局等問(wèn)題是該部分的重點(diǎn)問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置有較小的啟動(dòng)電流，較好的實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求；第二部分是電源的保護(hù)、整流濾波部分，該部分需設(shè)置雷電沖擊防護(hù)裝置以保證線路大電流時(shí)裝置的正常運(yùn)行。此外，整流濾波部分能將獲得的交流電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電源；第三部分為電源轉(zhuǎn)換模塊，將電源轉(zhuǎn)換為負(fù)載適用的電壓等級(jí)，滿足負(fù)載對(duì)電壓的要求；第四部分是模式切換部分，主要解決不同取能方式之間的切換問(wèn)題：線路電流很小時(shí)，通過(guò)合理的切換裝置投入無(wú)線取能部分，保證電源在此時(shí)的正常供電；在母線短路或者電流很大時(shí)有較好的措施保護(hù)電源裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，該設(shè)計(jì)采用補(bǔ)償線圈方式，在母線電流較大時(shí)抵消掉一部分能量來(lái)保證電流較大時(shí)的正常運(yùn)行。該裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1示。

圖1 取能電源結(jié)構(gòu)框圖

裝置分三種工作模式，在一次側(cè)線路電流不同的情況下使用不同的工作模式。正常范圍工作模式：當(dāng)一次側(cè)電流在20-800A的正常范圍時(shí)通過(guò)電流互感器取能，獲取能量后經(jīng)過(guò)沖擊保護(hù)、整流、濾波獲得穩(wěn)定的直流，之后采用電源轉(zhuǎn)換獲取3.3及5V的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電路供能。

本設(shè)計(jì)采用電流互感器等方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)取能，能很好的解決故障監(jiān)測(cè)裝置、高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等的供能問(wèn)題，代替電池的使用，有廣泛的應(yīng)用空間。這樣的方式從現(xiàn)場(chǎng)取能，能很好的增大裝置的使用年限同時(shí)解決因電池功率限制導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，對(duì)于各種智能設(shè)備的廣泛使用有很好的技術(shù)支持作用，也將成為配電網(wǎng)不斷發(fā)展的必然趨勢(shì)。另外從經(jīng)濟(jì)效益上講，取能電源的能量來(lái)自于一次側(cè)感應(yīng)出的磁場(chǎng)，這部分能量不需要額外費(fèi)用，減少了電池的費(fèi)用支出。電源的成功設(shè)計(jì)能代替鋰電池的使用，在環(huán)境的保護(hù)上具有很大的進(jìn)步意義。最終，裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地對(duì)智能設(shè)備供能，使得各種檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備等能很好的實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題避免大規(guī)模的停電，從而減少經(jīng)濟(jì)損失及停電給消費(fèi)者帶來(lái)的不便。推動(dòng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的安全、高效，促進(jìn)智能設(shè)備的廣泛使用，推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)及電力事業(yè)的不斷發(fā)展。

[1]牛朋超,康積濤,李愛(ài)武等.智能電網(wǎng)開(kāi)啟電網(wǎng)運(yùn)行新形式[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(19):240-243.

[2]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)的基本概念[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2011,44(5):377-384.

[3]張文亮,劉壯志,王明俊等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1-11.

[4]李興源,魏巍,王渝紅等.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(17):1-7.

宋嬌(1988-)，女，漢族，山東泰安，碩士研究生，山東現(xiàn)代學(xué)院，研究方向電氣工程自動(dòng)化，控制理論，電路分析，電工電子技術(shù)以及配電網(wǎng)設(shè)備研究；孟德奇(1989-)，男，漢族，山東棗莊，本科，山東德輝光伏科技有限公司，研究方向太陽(yáng)能發(fā)電，逆變器、最大效率跟蹤，新能源市場(chǎng)開(kāi)發(fā)及拓展。