江進(jìn)波，金童，詹坤，楊宸，章杰嘉，何晨駿

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，宜昌 443000)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路在線監(jiān)測已成為智能電網(wǎng)構(gòu)建中必不可少的一環(huán)，制約著在線監(jiān)測裝置發(fā)展的最大因素是如何獲取穩(wěn)定的在線能量，輸電線路在線取能已成為輸電線路在線監(jiān)測裝置的重要組成部分[1-2]。

考慮到輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性，研究人員將重點集中在輸電線路在線監(jiān)測和故障診斷上[3-4]，使高壓輸電線路實時監(jiān)測系統(tǒng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是高壓輸電線路實時監(jiān)測設(shè)備的供能電源不易獲取，而這一直是限制輸電線路在線實時監(jiān)測設(shè)備廣泛應(yīng)用的重要問題[5]。文獻(xiàn)[6-7]中利用太陽能在線取能和蓄電池相結(jié)合的辦法來為在線監(jiān)測裝置提供電源，文獻(xiàn)[8]介紹了利用架空輸電線路地線取能的方法，文獻(xiàn)[9-11]詳細(xì)介紹了電流互感器磁芯、負(fù)荷和功率之間關(guān)系，以及取電裝置注入電網(wǎng)的諧波含量與取電裝置容量的關(guān)系。

電流互感器在線取能雖然作為目前最穩(wěn)定、成本最低的取能方式，但母線電流的變換范圍小到幾安，大到幾千安，電流過大時可能會造成取能裝置的損壞，所以對負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)壓是十分必要的。文獻(xiàn)[12]提出了在電流互感器二次側(cè)并聯(lián)一個可調(diào)電子負(fù)載來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于電流互感器自取電的恒壓并聯(lián)電流補(bǔ)償方法，設(shè)計了補(bǔ)償電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。目前存在的穩(wěn)壓方法主要分為交流穩(wěn)壓和直流穩(wěn)壓，交流穩(wěn)壓主要利用穩(wěn)壓管和可控硅實現(xiàn)[14],但單個穩(wěn)壓管流經(jīng)的電流是有限的，一般需要通過并聯(lián)大量的穩(wěn)壓管來實現(xiàn)，而利用可控硅來穩(wěn)壓的技術(shù)已經(jīng)十分成熟了。直流穩(wěn)壓是通過實現(xiàn)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷來對電路進(jìn)行泄能處理[15]，闡述了脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)穩(wěn)壓原理，但如何利用該原理構(gòu)造一個自適應(yīng)穩(wěn)壓取能裝置也是一個值得思考的地方。

為此，基于電流互感器的電磁感應(yīng)原理，建立了能夠在電壓允許的條件下釋放掉多余能量的電路模型，保護(hù)負(fù)載的安全運(yùn)行。在負(fù)載前方并入絕緣柵雙極型晶體管，利用電流比較的方法控制晶體管的關(guān)斷與導(dǎo)通來對后級電路起保護(hù)作用，達(dá)到適應(yīng)大范圍電流變化的目的。

1 電流互感器取能裝置構(gòu)成原理

1.1 電流互感器電流變換原理

電流互感器取能原理如圖1所示，整個裝置由電流互感器、整流電路、DC-DC電路和儲能電源組成，其中儲能電源由鋰電池和取能負(fù)載組成，這些部分一同構(gòu)成了電流互感器取能裝置。

圖1 TA取能裝置結(jié)構(gòu)

將整流電路與其后級電路等效為阻性負(fù)載，其電流互感器(TA)取能電路模型如圖2所示，為簡化計算忽略整流橋損耗和二次側(cè)線圈和漏感影響；依據(jù)電磁感應(yīng)定律和全電流定律，則二次側(cè)輸出電壓為

圖2 TA取能電路模型

(1)

(2)

Φm=BmS=μHmS=μ0μrHmS

(3)

(4)

式中:Hm為鐵芯內(nèi)部磁場強(qiáng)度的最大值；E2為電流互感器二次側(cè)電壓；Φm為磁通量；S為鐵芯的橫截面積；μ0為真空磁導(dǎo)率與相對磁導(dǎo)率之積；f為頻率50 Hz；I1為一次側(cè)電流；I2為二次側(cè)電流；N2為電流互感器二次側(cè)線圈匝數(shù)；Bm為鐵芯內(nèi)部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對磁導(dǎo)率；N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)為1；l為平均磁路長度；Im為勵磁電流峰值。

電流互感器取能作為目前最穩(wěn)定取能裝置，所存在最大的不足母線電流變化范圍大，小到幾十安，大到幾千安；將電流互感器等效成一個變壓器，由于二次側(cè)電流與一次側(cè)電流成正比，若母線電流的變換范圍巨大也將導(dǎo)致二次側(cè)電流變化范圍大，最終導(dǎo)致取能裝置輸出電壓不穩(wěn)定。

1.2 穩(wěn)壓原理

該文決定利用晶體管的通斷來對取能負(fù)載實施穩(wěn)壓，所設(shè)計的穩(wěn)壓模型如圖3所示，通過控制信號g(t)來控制晶體管的通斷來進(jìn)行穩(wěn)壓，在晶體管D1閉合期間，由其后方的儲能電容C繼續(xù)對其供電。

CT為電流互感器；i(t)為二次側(cè)經(jīng)過整流后的電流；u(t)為DC-DC變換器輸入電壓；g(t)為控制信號控制晶體管D1的通斷

設(shè)取能線圈輸出電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)圖像，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時就會形成短路，取能線圈輸出電流將不對后級電路供電，所以后級電路半個周期的電流表達(dá)式為

(5)

式(5)中：k為線圈輸出電流最大值；ω為角速度；U為DC-DC變換器實時輸入電壓；Umax為電容C最大電壓。

對儲能電容C設(shè)置一個最大電壓，通過公式推導(dǎo)出達(dá)到最大電壓的電流和導(dǎo)通時間；在t0～t1時刻晶體管關(guān)斷，取能負(fù)載吸收電能；在t1～t2時刻晶體管導(dǎo)通，由儲能電容繼續(xù)對后級電路進(jìn)行供電；通過設(shè)置擬合函數(shù)來達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間的效果，從而保障取能裝置的安全運(yùn)行。其中，圖4(a)為電流互感器二次側(cè)電流波形圖，圖4(b)為儲能電容C兩端電壓，圖4(c)為晶體管D1兩端電壓。其各元件時序曲線如圖4所示。

IL為電流互感器二次側(cè)實時電流；UC為儲能電容實時電壓Umin為儲能電容C最小電壓；UD為晶體管D1實時電壓

由于泄能電路的存在，為保證電容正常則工作線圈輸出電能的1/2必須大于負(fù)載消耗的電能，則有

(6)

式(6)中：T為一個周期；Pout為后級電路總功率；Vout為DC-DC變換器輸入電壓；η1為DC-DC變換器轉(zhuǎn)換效率；RL為負(fù)載電阻。

在儲能電容充電期間t1-t2的電壓方程為

(7)

式(7)中：C為電容C的數(shù)值；IC為流經(jīng)電容C的電流值。

若直接計算流入儲能電容的電流，由于儲能電容充放電的緣故不能直接利用歐姆定律來計算，可以利用電能的等效變換來計算。

(8)

進(jìn)行變換可得

(9)

為方便計算將儲能電容吸收能量階段視為直線，則電壓表達(dá)式為

(10)

(11)

式中：Umax和Umin分別為儲能電容電壓UC的最大值和最小值。

當(dāng)母線電流確定時，輸出電壓也會被確定，從而t1也會被確定。理論上電流越大t1的時間越短且呈正向比例關(guān)系，通過對公式進(jìn)行分析直接限制最大電壓通過改變電流使得無論t1變化為何值電壓有效值變化都不大。

為計算簡便將DC-DC變換器及負(fù)載電阻RL等效成了一個電阻，但實際DC-DC與負(fù)載電阻的等效阻值RL是與其輸入電壓呈線性關(guān)系，則有

(12)

式(12)中：Rm為取能負(fù)載電阻值。

此時的Umin變?yōu)?/p>

(13)

電壓有效值公式變化為

(14)

通過對式(11)、式(14)進(jìn)行分析，將DC-DC變換器及其后級電路等效成一個定值電阻來進(jìn)行計算并不影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以在后續(xù)計算中均利用式(11)進(jìn)行計算。

1.3 基于自適應(yīng)限流控制策略

若直接以儲能電容的電壓進(jìn)行判斷與最大電壓進(jìn)行比較，電容電壓是與晶體管的狀態(tài)呈相關(guān)關(guān)系的，若儲能電容達(dá)到最大電壓時，控制信號輸出為1，晶體管導(dǎo)通電流互感器短路；但同一時刻儲能電容又會放電導(dǎo)致電壓減小，控制信號輸出為0；兩者相結(jié)合即會導(dǎo)致儲能電容在該階段一直保持為最大電壓如圖5直接比較電壓曲線所示，無法實現(xiàn)理論中的圖4波形。

圖5 直接比較電壓曲線

以仿真模型對取能負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)壓無法達(dá)到預(yù)期的效果，這是因為取能負(fù)載的輸出電壓對晶體管具有反饋效果；所以對取能裝置進(jìn)行改善，設(shè)計泄能電路，客觀地利用泄能電路的電流進(jìn)行比較，從而調(diào)制控制信號對晶體管進(jìn)行控制。當(dāng)泄能電路電流i(t)≥im時，晶體管將會收到一個導(dǎo)通的控制信號。

(15)

式(15)中：im為晶體管D1導(dǎo)通時流經(jīng)電阻RZ的電流值；RZ為泄能支路中電阻的阻值。

圖6為原理分析改善而成的一種實現(xiàn)自適應(yīng)限流取能電源的電路形式。

RV為壓敏電阻主要起保護(hù)電路的作用；C1和R1主要起吸收晶體管關(guān)斷和閉合之時產(chǎn)生的振蕩電壓的作用；FWB為整流橋起將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的作用；泄能電阻RZ和晶體管D1一同組成了泄放支路；D2為單向二級管，起電流單向?qū)ㄗ饔?；將圖3中的儲能電容C換成了C2:C3為濾波電容；DC-DC單元的作用是把輸入的電能轉(zhuǎn)換為一固定大小的直流電壓以供負(fù)載消耗；PWM1為占空比50%后半個周期為1的脈沖信號；PWM2為占空比50%且前半個周期信號大于設(shè)定電流值im的脈沖信號。

對以上電路模型進(jìn)行分析，得出圖7各元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為泄能電阻電流、儲能電容電壓和泄放支路電流狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。在初始狀態(tài)下，電流互感器分別對二次側(cè)供電，儲能電容電壓UC2、泄能電阻URZ和電流iRZ(t)=i(t)的大小都在緩慢上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)了所規(guī)定的儲能電容電壓最大值時，URZ也到達(dá)最大值，此時通過歐姆定律可以計算出電流iRZ(t)=i(t)的大小，在同一時刻晶體管導(dǎo)通。URZ和iRZ(t)直接變?yōu)?，儲能電容由于對RL供電UC2緩慢減小，而泄能支路則承受了整個取能裝置的所有電流，直至一個周期結(jié)束，整個取能裝置又重新恢復(fù)為初始狀態(tài)。

k為電流互感器變比

2 晶體管控制策略

如何獲得有效的控制信號是研究的關(guān)鍵，圖8控制信號形成流程圖，PWM1、PWM2均為脈沖信號，PWM1和泄能支路電流信號首先通過乘法模塊相乘得出Product信號，然后在與PWM2信號通過Sum模塊相加，最后通過信號比較模塊進(jìn)行比較得到控制信號。

圖8 控制信號形成流程圖

當(dāng)電流互感器開始正常工作時，輸出二次側(cè)電流i(t)的電流信號，當(dāng)其與PWM1相乘后將會得到后半周期為0的電流信號；由于PWM2幅值大于所設(shè)定的電流最大值，與Product信號相乘后可得到前半周期正常、后半周期幅值大于最大電流的信號，所以當(dāng)其與最大電流比較時，只需要比較前半周期；當(dāng)Sum信號小于最大電流時輸出信號為0，晶體管關(guān)斷，負(fù)載正常吸收電能，整個取能裝置正常運(yùn)行；當(dāng)Sum信號大于最大電流時輸出信號為1，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載由儲能電容供電，電流互感器電流全流入二次側(cè)，i(t)=ksinωt，在此以后二次側(cè)電流必然會大于所規(guī)定的最大電流，負(fù)載由儲能電容供電直至這個周期結(jié)束。

通過上述理論構(gòu)造控制信號如下，圖9(a)為晶體管控制信號曲線g(t)，圖9(b)為泄能電路電流經(jīng)過調(diào)制后未經(jīng)比較前的調(diào)制信號Sum(t)，圖9(c)為泄能支路的實時電流i(t)。通過觀察控制信號形成時序曲線(圖9)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過上述流程的調(diào)制能夠輸出第一節(jié)理論中的控制信號g(t)來控制晶體管。

圖9 控制信號形成時序曲線

3 試驗驗證

為驗證自適應(yīng)限流控制電路的導(dǎo)通時間與母線電流的之間的聯(lián)系，根據(jù)以上分析搭建了試驗平臺，設(shè)計電源輸出最大電壓為5.2 V，電壓輸出有效值為3 V，RV型號為10D680K，BR為低壓降整流橋MB2S；R1為10 Ω，RZ為30 Ω，C1=51 μF，C3=10 pF，將DC-DC變換器和RL等效為30Ω的電阻，C2為200μF耐壓100 V的電解電容。

為避免磁芯在大電流時過早的飽和，需要采用帶氣隙的鐵芯，本設(shè)計直接采用電流比為200/10 A的BH-0.66Ⅲ型電流互感器。利用大電流發(fā)生器提供不同幅值的電流，頻率為50 Hz，其中脈沖調(diào)制信號由型號為STC89C52的單片機(jī)調(diào)制。

圖10為取能負(fù)載電壓輸出圖像，圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)分別為母線峰值電流20、50、100 A時的取能負(fù)載輸出電壓波形；隨著母線電流逐漸增加，晶體管的導(dǎo)通間隔也逐漸增加，后級電路被短路的時間也越長；所得波形與理論上的波形幾乎完全一致，可證明上述理論的正確性。最后通過改變?nèi)∧茇?fù)載電阻的大小達(dá)到改變輸出電壓的效果。表1為不同電流的穩(wěn)壓值，最終得到不同電流下的輸出電壓值。將表1中的數(shù)據(jù)繪制成圖，得到不同電流的穩(wěn)壓圖(圖11)，隨著電流的增加輸出電壓值幾乎不變，可證明利用該方法能夠有效地穩(wěn)定電壓。在線取能實驗系統(tǒng)如圖12所示，由電路板、取能鐵芯、信號采集和取能負(fù)載組成。

圖10 取能負(fù)載電壓輸出圖像

表1 不同電流的穩(wěn)壓值

圖11 不同電流的穩(wěn)壓圖

圖12 在線取能實驗系統(tǒng)

4 結(jié)論

針對電流互感器取能母線大電流的能量溢出問題，利用增添泄能電路和儲能電容的方式來實現(xiàn)母線電流大范圍工作下達(dá)到自適應(yīng)穩(wěn)壓的效果；通過構(gòu)造了基于電流比較的控制信號來控制晶體管的狀態(tài)有效地抑制了取能裝置的發(fā)熱，可在母線電流大范圍變換下正常工作。通過設(shè)計相關(guān)實驗，電源在峰值20 A的啟動電流下工作，隨著母線電流的增到峰值100 A，晶體管的導(dǎo)通時間逐漸減小，由此實現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出，驗證了本文方法的有效性。