國網(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€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)測設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測輸電線路運(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]。現(xiàn)階段,應(yīng)用于超高壓輸電線路的在線監(jiān)測設(shè)備主要有兩種供電方式--有線和無線。其中,有線方式電源體積較大、維護(hù)頻繁、安裝難度大;而無線方式雖然是通過中繼能量轉(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)測設(shè)備的供電需求[2]。而電網(wǎng)作為一個巨大能源,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)對諧波能量的合理利用,契合“綠色節(jié)能”的發(fā)展理念。
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,會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成多方面的不良影響,例如致使變壓器過熱縮短壽命、致使電容器過負(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)則是通過兩個參數(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)電壓等級有所差異,對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》中對公用電網(wǎng)諧波電壓限制有所明確,具體見表1。
表1 不同電壓等級公用電網(wǎng)諧波畸變率允許值
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,可以對缺角正弦波進(jìn)行吸收,吸收過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,即可不對換相過程進(jìn)行考慮,設(shè)定直流側(cè)流過的是恒定電流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數(shù)構(gòu)建矩陣得出三角波函數(shù)級數(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,對基波和各次諧波電流有效值進(jìn)行計(jì)算:
可見,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))。
考慮線性負(fù)載的三相對稱電流中,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°。但三相對稱電路均由非線性負(fù)載構(gòu)成時(shí),電流會產(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°。
對上述舉例的阻感負(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)過對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,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,可以通過對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,從而為后級電路進(jìn)行穩(wěn)定供電。
通過上述分析,可以提取主要的5、7次諧波能量,經(jīng)后級電路處理后將其轉(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,由輸電桿塔上安裝的射頻取電裝置接收信號并轉(zhuǎn)化為直流電能向檢測設(shè)備供電。
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,通過對電網(wǎng)中電流進(jìn)行耦合,借助無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,利用取電裝置對射頻能量進(jìn)行接收,最后將其轉(zhuǎn)換為直流電能,完成對在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定供電。整個供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 在線監(jiān)測設(shè)備供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
針對諧波提取設(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)流過基波電流時(shí)則會具有較高的勵磁阻抗表現(xiàn),最終于另一副邊繞組中提取諧波能量。
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)測設(shè)備供電系統(tǒng)中電能的無線傳輸距離和效率。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)相對較高,從而實(shí)現(xiàn)對射頻取電裝置的穩(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]。整個射頻電能發(fā)射裝置通過處理器以及發(fā)射芯片負(fù)責(zé)通信實(shí)現(xiàn),并對頻點(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大而造成的過早磁飽和,盡量減少因尖峰脈沖對后級電路造成的損害。由此,展開對副邊諧波提取繞組的特殊設(shè)計(jì),對其進(jìn)行開隙設(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。
在設(shè)計(jì)過程中,射頻取電裝置是其能源來源,為確保滿足設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)對功率的需求,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,主要為固定中心頻點(diǎn)處的信號,之后以最大轉(zhuǎn)換效率,使射頻信號經(jīng)過阻抗匹配電路傳遞至后級整流倍壓電路,經(jīng)過電能轉(zhuǎn)化作為可靠供電使用。
本文主要對面向超高壓輸電線路監(jiān)測設(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)測設(shè)備的電能來源,對供電系統(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。