國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司鄂西北運(yùn)維分部 謝 鵬 賈 翔

對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電而言，超高壓輸電線路易受到諸多因素影響，出現(xiàn)各類故障，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懻麄€(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。考慮超高壓輸電線路所處環(huán)境具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)，利用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)行狀況，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定、安全，而可靠、穩(wěn)定、具有較強(qiáng)抗干擾能力的電源系統(tǒng)則是其中關(guān)鍵[1]?，F(xiàn)階段，應(yīng)用于超高壓輸電線路的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有兩種供電方式--有線和無(wú)線。其中，有線方式電源體積較大、維護(hù)頻繁、安裝難度大；而無(wú)線方式雖然是通過(guò)中繼能量轉(zhuǎn)化經(jīng)隔空傳輸后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能夠在一定程度上?guī)避高壓側(cè)和低壓側(cè)之間存在的電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，但設(shè)備安裝煩瑣、抗干擾能力較差，成本高昂，已經(jīng)難以滿足超高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電需求[2]。而電網(wǎng)作為一個(gè)巨大能源，其中蘊(yùn)含大量諧波能量，從高壓母線中提取諧波電能，并將其轉(zhuǎn)化為可供監(jiān)測(cè)設(shè)備使用的綠色能量，可以作為向超高壓輸電線路中在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行供電的可靠方式，在確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波能量的合理利用，契合“綠色節(jié)能”的發(fā)展理念。

1 電網(wǎng)諧波能量

可以將電網(wǎng)諧波看作是周期電氣量的正弦波分量，其頻率一般為基波的整數(shù)倍。在電網(wǎng)系統(tǒng)中“發(fā)、變、輸、配、用”各環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生諧波，有損電網(wǎng)質(zhì)量，會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成多方面的不良影響，例如致使變壓器過(guò)熱縮短壽命、致使電容器過(guò)負(fù)荷損壞、降低通信質(zhì)量、擊穿線路設(shè)備絕緣等[3]。而電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)則是通過(guò)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行衡量，分別是公用電網(wǎng)諧波電壓限制及注入電網(wǎng)諧波電流，因?yàn)楣秒娋W(wǎng)電壓等級(jí)有所差異，對(duì)諧波畸變率的允許范圍也不一致。在GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓限制有所明確，具體見(jiàn)表1。

表1 不同電壓等級(jí)公用電網(wǎng)諧波畸變率允許值

2 超高壓輸電線路諧波特性分析

2.1 諧波特性理論分析

考慮電網(wǎng)中接入諸多電力電子器件，具有較大的非線性負(fù)載，存在大量諧波。尤其是整流器這一比較典型的諧波源，因其多采用移相控制，可以對(duì)缺角正弦波進(jìn)行吸收，吸收過(guò)程中也留有部分缺角正弦波，致使電網(wǎng)中的電壓與電流產(chǎn)生畸變形成諧波。

選擇阻感負(fù)載的三相橋式整流電路作為案例進(jìn)行分析，若電路中直流側(cè)的額濾波電感數(shù)值較大，即可不對(duì)換相過(guò)程進(jìn)行考慮，設(shè)定直流側(cè)流過(guò)的是恒定電流Id，晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為2π/3，各時(shí)刻都具有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通；而交流側(cè)相電流則是正負(fù)半波幅值的Id，且維持2π/3的矩形波。同時(shí)，電路中三相電流波形一致，相位差120°，由此可以利用傅里葉級(jí)數(shù)構(gòu)建矩陣得出三角波函數(shù)級(jí)數(shù)：

其中a0代表直流分量，an和bn分別代表n 次諧波余弦項(xiàng)系數(shù)和n 次諧波的正弦項(xiàng)系數(shù)。

A 相電流的傅里葉表達(dá)式如下：

由此，對(duì)基波和各次諧波電流有效值進(jìn)行計(jì)算：

可見(jiàn)，在電路中注入電網(wǎng)電流中的諧波共有6k±1（k 為正整數(shù)）。

2.2 超高壓諧波相序特性分析

考慮線性負(fù)載的三相對(duì)稱電流中，各相電壓與電流保持相同，電流與電壓同正序相序特征相符，相位差為120°。但三相對(duì)稱電路均由非線性負(fù)載構(gòu)成時(shí)，電流會(huì)產(chǎn)生畸變，三相電流表達(dá)式如下：

當(dāng)n 取值為不同參數(shù)時(shí)，諧波相序特性不同，n取6k+1時(shí)，表現(xiàn)為正序特性，A 相滯后C 相120°，超前B 相120°；而當(dāng)n 取6k-1時(shí)，表現(xiàn)為負(fù)序特性，A 相超前C 相120°，滯后B 相120°。

2.3 諧波特性仿真分析

對(duì)上述舉例的阻感負(fù)載的三相橋式整流電路進(jìn)行仿真模型構(gòu)建，分析接入非線性負(fù)載時(shí)的諧波波形和頻譜，以確定主要諧波分量，諧波源仿真電路如圖1所示。

圖1 諧波源仿真電路

仿真過(guò)程中，電網(wǎng)系統(tǒng)的等效阻抗RS為0.1Ω，等效電感LS為0.38mH，電網(wǎng)U0是500kV，系統(tǒng)負(fù)載為15MW 的非線性負(fù)載設(shè)備，控制角為60°。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，因非線性負(fù)載的接入，致使電壓和電流出現(xiàn)畸變，經(jīng)過(guò)對(duì)波形的傅里葉變換分析，得到如圖2所示的畸變電壓頻譜分析。

圖2 畸變電壓頻譜

由此可見(jiàn)，此時(shí)的電壓畸變率在17.30%，其中5、7次諧波的占比較大，11、13次諧波的占比較少，可以通過(guò)對(duì)主要諧波分量的提取，實(shí)現(xiàn)諧波能量向直流電能的轉(zhuǎn)換，從而為后級(jí)電路進(jìn)行穩(wěn)定供電。

3 面向超高壓輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析，可以提取主要的5、7次諧波能量，經(jīng)后級(jí)電路處理后將其轉(zhuǎn)換為直流電能提供給射頻電能發(fā)射裝置，之后射頻裝置發(fā)出信號(hào)，由輸電桿塔上安裝的射頻取電裝置接收信號(hào)并轉(zhuǎn)化為直流電能向檢測(cè)設(shè)備供電。

3.1 面向超高壓輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括諧波提取、射頻電能發(fā)射裝置、射頻取電裝置幾部分組成。供電系統(tǒng)原理是利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中電流進(jìn)行耦合，借助無(wú)源濾波器和基波磁通原理連接三繞組變壓器一側(cè)和單調(diào)諧波器，耦合后的諧波流入一次側(cè)，采用滯環(huán)比較PWM 控制法進(jìn)行有源補(bǔ)償，從而在副邊繞組生成方向相反，而大小保持一致的基波補(bǔ)償電流，流過(guò)變壓器之后，即可實(shí)現(xiàn)諧波能量在另一副邊繞組中的提取?；诖?，利用WPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波能量向射頻能量的轉(zhuǎn)換，跨越超高壓絕緣安全距離，利用取電裝置對(duì)射頻能量進(jìn)行接收，最后將其轉(zhuǎn)換為直流電能，完成對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定供電。整個(gè)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 諧波提取設(shè)計(jì)

針對(duì)諧波提取設(shè)計(jì)而言，首先利用互感器耦合電網(wǎng)電流，其中包含5、7次諧波；在二次側(cè)將5、7次單調(diào)諧回路串聯(lián)三繞組變壓器一次側(cè)，從而使5、7次諧波流經(jīng)變壓器一次側(cè)。同時(shí)，在變壓器二次繞組中流過(guò)同一次側(cè)反方向、大小相同的基波補(bǔ)償電流，設(shè)定鐵芯基波磁通等效為0，并且讓變壓器一次側(cè)對(duì)基波的表現(xiàn)向0趨近，從而生成樓阻抗，當(dāng)變壓器一次側(cè)流過(guò)基波電流時(shí)則會(huì)具有較高的勵(lì)磁阻抗表現(xiàn)，最終于另一副邊繞組中提取諧波能量。

3.3 射頻電能發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)中，射頻電能發(fā)射裝置是關(guān)鍵，決定著監(jiān)測(cè)設(shè)備供電系統(tǒng)中電能的無(wú)線傳輸距離和效率。綜合考慮射頻發(fā)電裝置的中心頻點(diǎn)處發(fā)射功率應(yīng)相對(duì)較高，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻取電裝置的穩(wěn)定射頻供電。此部件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括電源、射頻源、核心處理器、濾波器、功率放大器、發(fā)射天線，以及連接器。為進(jìn)一步縮小射頻電能發(fā)射裝置的體積，在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定選擇集成式發(fā)射芯片，芯片中具有功率放大器、振蕩器，以及濾波器等模塊[4]。整個(gè)射頻電能發(fā)射裝置通過(guò)處理器以及發(fā)射芯片負(fù)責(zé)通信實(shí)現(xiàn)，并對(duì)頻點(diǎn)、功率等參數(shù)進(jìn)行合理配置，待功率達(dá)到一定值后即可成功將射頻信號(hào)輻散到空中。

為更好地滿足裝置不間斷供電的需求，保證在出現(xiàn)短路故障或一次側(cè)諧波電流較小的情況時(shí)，即便在瞬間電流高達(dá)幾千安，遠(yuǎn)超額定電流的情況下也能實(shí)現(xiàn)正常供電，必須加強(qiáng)對(duì)射頻電能發(fā)射裝置中互感器參數(shù)設(shè)計(jì)的重視。一方面要盡可能降低電壓死區(qū)；另一方面，應(yīng)盡可能規(guī)避因電流變化幅值過(guò)大而造成的過(guò)早磁飽和，盡量減少因尖峰脈沖對(duì)后級(jí)電路造成的損害。由此，展開(kāi)對(duì)副邊諧波提取繞組的特殊設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)隙設(shè)計(jì)，并將感應(yīng)線圈的鐵芯確定為納米晶材料，再經(jīng)過(guò)沖擊保護(hù)、能量釋放、整流濾波，以及DC-DC 轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)諧波向直流電能的轉(zhuǎn)化。

3.4 射頻取電裝置設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，射頻取電裝置是其能源來(lái)源，為確保滿足設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)功率的需求，需要保證取電裝置在中心頻點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率較高，可以提供穩(wěn)定性更強(qiáng)的直流電能，射頻取電裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 射頻取電裝置結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于射頻取電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其中主要包括阻抗匹配、接收天線、負(fù)載電路和整流倍壓。射頻取電裝置中，接收天線接收由射頻電能發(fā)射裝置輻散至空中的射頻信號(hào)，主要為固定中心頻點(diǎn)處的信號(hào)，之后以最大轉(zhuǎn)換效率，使射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路傳遞至后級(jí)整流倍壓電路，經(jīng)過(guò)電能轉(zhuǎn)化作為可靠供電使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)面向超高壓輸電線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用WPT 技術(shù)將輸電線路中存在的諧波能量轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)設(shè)備的電能來(lái)源，對(duì)供電系統(tǒng)改進(jìn)方案進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與原理分析。仿真模型結(jié)果證明，所提出的設(shè)計(jì)具有一定的正確性和可行性，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。