摘 要：隨著我國電力系統(tǒng)輸電量逐年上升，輸電網絡中的換流變壓器閥側套管等關鍵設備部件熱功率也隨之增大，因此有必要設計開發(fā)散熱風機等設備，實現(xiàn)過熱故障多發(fā)點的主動散熱。設計研發(fā)一種電流互感器（CT）取能調速風冷裝置，利用CT從輸電線路上獲取能量為散熱風機供能，以解決輸電線路現(xiàn)場常規(guī)電源無法使用的難題。針對CT的取能能力隨著輸電線路電流不斷變化且不受控的問題，設計一種功率主動自平衡新策略，通過利用負載的控制自由度來適應CT二次側電流的寬變化范圍，從而擴展裝置的穩(wěn)定運行區(qū)間，提升電源的取能能力。將裝置套裝在交流輸電母排上進行實驗驗證，母排電流的有效值在上千安培范圍內變化，裝置始終穩(wěn)定且保持60%以上的功率容量利用率。

關鍵詞：換流變壓器閥側套管；電流互感器；取能電源；調速風冷；功率平衡；穩(wěn)定運行區(qū)間

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號：TM595文獻標志碼：A

A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer under self-balancing power control

HE Jiewei LIU Zicheng HUANG Qiuping LIU Shan JIANG Zhe LIU Zhigang

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China; 2.Smart Grid Research Institute of SGCC， Beijing 100084， China； 3.Jiangsu Tengyan Electric Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract：With the increase in the transmission capacity of China's power system， the thermal power of key equipment components such as the converter transformer valve bushing of the transmission line also increases. Therefore， it is necessary to design and develop equipment such as heat dissipation fans to achieve active heat dissipation for multiple overheating failure points. A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer （CT） is designed and developed， which uses energy obtained from the transmission line by CT to supply power to the heat dissipation fan， to solve the problem of conventional power supply being unable to be used for transmission lines. In response to the problem that the CT power supply capacity changes continuously and uncontrollably with the transmission line current， a new strategy of power active self-balancing is designed to adapt to the wide range of CT secondary current changes by using the control freedom of the load， and to extend the stable operation range and improve power supply capacity. The device is tested and verified by mounting it on the AC transmission bus， and the effective value of the bus current changes within the range of thousands of amperes， the device is stable and maintains a power capacity utilization rate of more than 60%.

Keywords：the converter transformer valve bushing; current transformer; energy harvesting power supply; adjustable speed air cooling; power balance; stable operation range

0 引 言

本世紀以來，國民經濟不斷發(fā)展，中國電力需求呈現(xiàn)出長期持續(xù)增長趨勢，2022年全國累計發(fā)電裝機容量約25.6億千瓦，同比增長7.8%[1]。隨著用電需求的增長，電力系統(tǒng)輸電壓力增大，散熱需求也逐漸上升，如發(fā)熱問題已成為制約換流站換流變壓器閥側干式套管安全穩(wěn)定運行的瓶頸[2]，近年來國內如寶雞、伊敏、楓涇等換流站都因其載流能力不足而導致電流致熱引發(fā)放電故障[3-4]。為保障電力系統(tǒng)安全可靠運行，有必要對電力系統(tǒng)中的過熱故障多發(fā)點采取散熱措施，避免過熱故障的發(fā)生。

以換流變壓器閥側套管為例，高壓線路處的百瓦級大功率風冷裝置的供電方法分為常規(guī)線路供電與就地取能供電兩種。若應用場景能使用常規(guī)線路，則可通過常規(guī)線路供電為風機提供穩(wěn)定能量供應，但常規(guī)線路與風機因隔離要求需要離處于高電位的散熱目標一定距離，此時需要較長的風道將氣流導向散熱目標，也因此其安裝難度大，散熱效率低。就地取能供電方法可以簡化風道，實現(xiàn)更高效的風冷散熱。

常用就地取能供電方法包括：太陽能電池供電[5]、電容分壓器供電[6-7]、激光供電[8-10]和電流互感器（current transformer，CT）供電[11-20]等。其中，太陽能電池供電對安裝場地要求較大，且因天氣變化會出現(xiàn)輸出功率的波動，需要配合蓄電池使用；電容分壓器能提供穩(wěn)定的電力供應，但輸出功率較??；激光供電的輸出功率同樣有限，且激光器使用壽命較短、成本較高。上述供電方法難以滿足大功率穩(wěn)定電力供應需求。CT供電通過將輸電線路磁場能量轉化為電能，能直接從輸電線路上獲取能量，相比上述就地取能供電方法具有結構簡單、輸出功率大及可靠性高等優(yōu)點，在大功率電能供應場景中具有明顯優(yōu)勢[11]。

然而，CT取能能力隨輸電線路電流實時變化，存在低輸電電流工況時裝置易失穩(wěn)[12]，高輸電電流工況時裝置欠容量的問題，穩(wěn)定運行區(qū)間有限，CT取能潛力未被充分挖掘。如何平衡取能能力與負載需求是首先需要解決的問題[13]。

目前常通過對泄流回路及負載進行動態(tài)控制，從能量輸入端與輸出端兩方面分別平衡功率，以適應輸電線路的寬電流變化范圍。在電流過大時，CT取能能力大于負載功率，裝置一方面利用鋰電池、超級電容等儲能單元增大功率需求，另一方面通過間接性導通泄流回路泄放額外電流[14-16]，從而實現(xiàn)功率平衡，維持濾波電容電壓的穩(wěn)定，避免過壓情況出現(xiàn)。在電流過小時，CT供能能力小于負載功率，裝置通過釋放儲能單元中的能量實現(xiàn)功率平衡[17-20]，維持負載正常運行，避免裝置失穩(wěn)。

動態(tài)控制泄流回路泄放額外電流是CT取能裝置的必要措施，它不僅能在電流過大時實現(xiàn)功率平衡，還可以避免電容過壓。然而，泄放額外電流的方式并非為一種主動功率平衡方法，CT取能潛力未被充分利用，另外其無法在電流過小時繼續(xù)完成平衡功率的任務，裝置仍會出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

增加額外的儲能單元雖然能一定程度上削峰填谷，但將使裝置結構更為復雜，此外因其儲能能力有限，在儲能達到限制后將無法再發(fā)揮平衡功率的作用，并不能從根本上實現(xiàn)可持續(xù)的功率平衡。特別是在大功率應用場合，有限的儲能能力將使其應用更為受限。

本文設計研發(fā)一種CT取能調速風冷裝置，為電力系統(tǒng)關鍵部件提供百瓦級大功率風冷散熱，避免過熱故障的出現(xiàn)，為維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供支撐。為實現(xiàn)大功率CT取能的可持續(xù)功率平衡功能，本文提出功率主動自平衡策略，利用電機負載的調速控制自由度，實時調控風機負載功率，主動匹配CT當前運行工況的最大取能功率，從而實現(xiàn)功率主動自平衡，充分挖掘CT取能潛力。相比于增加額外儲能單元的技術方案，本裝置結構簡單、更適用于大功率負載場合、具有可持續(xù)主動功率平衡能力。

1 CT取能電源特性

1.1 取能電流互感器

取能CT通常為穿心式結構，通過電磁感應原理從輸電線路磁上獲取能量，為二次側電路供能。在磁芯未飽和時，可以將電流互感器等效為一個跟隨輸電線路電流大小變化的交流電流源。

圖1給出了CT取能電源的總體結構圖，由取能CT、取能調整電路、電能變換器和負載四部分組成。CT二次側后接入取能調整電路將CT輸出的不穩(wěn)定交流電轉化為穩(wěn)定的直流電，再通過后級電能變換器輸出負載所需的電源標準。

1.2 取能調整電路數學模型

CT二次側電流的大小隨著輸電線路電流大小不斷波動，具有不受控特性及寬變化范圍，這會對取能電源穩(wěn)定運行造成嚴重影響，是取能電源設計時需要考慮的首要問題。

取能調整電路是取能電源的核心，其接在CT二次側后，通過整流穩(wěn)壓及泄流將CT輸出的不穩(wěn)定交流電變換為較為穩(wěn)定的直流電。假設CT在正常工況下始終未飽和，簡化的取能調整電路如圖2所示，CT二次側接二極管整流橋和濾波電容C進行整流濾波；在整流橋與濾波電容之間并聯(lián)有泄流開關SW作為泄流回路，在濾波電容電壓過大時及時短路CT二次側，泄放多余電流，避免電容電壓進一步升高對取能電源造成不可逆的損壞；D為防倒流二極管，串接在SW及濾波電容之間，防止SW導通時濾波電容通過SW放電。泄流回路采用滯環(huán)控制，當濾波電容電壓vC大于滯環(huán)最大值VOPT時，導通SW，Loop A代表著此時電流流通路徑，直到vC下降到滯環(huán)最小值VRET時，SW被關斷，CT二次側電流流向濾波電容及負載，向后級電路輸出功率，電流回路如Loop B所示。

在此電路中負載電流、電容電壓等均為非正弦量，不能使用相量法分析，需采用時域分析法分析電路工作過程。取能調整電路可以分為SW導通及SW關斷2種工作狀態(tài)。

2 功率主動自平衡策略

用SW的開關占空比D=ton/（ton+toff）作為衡量取能電源功率平衡能力的指標。D越大代表著越多的CT二次側電流通過泄流回路泄放，此時CT未向后級電路輸出功率，其取能潛力未被充分挖掘，裝置處于欠容量狀態(tài)。另一方面，D越大代表著CT二次側電流i2相比剛好能滿足取能需求的電流值有更多的裕量，取能調整電路中的電子元器件將承受更大的電流應力，例如此時不僅SW流過它的電流更大，且導通時間也更長，其功耗大幅增加，對其通流能力及散熱能力均是不小的挑戰(zhàn)。但同時，D等于0代表SW始終關斷，即電路處于“假啟動”工況。占空比D越接近0表明裝置在穩(wěn)定前提上獲得了更多的能量，但實際中D的最優(yōu)工作區(qū)間需要綜合考慮CT取能能力、負載功率需求、裝置通流能力及功率裕度選取，在本文中，根據風機升速暫態(tài)所造成的功率波動情況，選取D在10%～20%內為取能調整電路的最優(yōu)工作區(qū)間。

選定合適的CT匝比n可使在典型工況下D能保持在最優(yōu)工作區(qū)間，但固定的n難以適應輸電線路的寬電流變化范圍，在輸電線路電流大小偏離典型工況太多時，裝置會進入“假啟動”工況或出現(xiàn)欠容量等問題。

假設在SW剛關斷時，i2相位角φ等于0，在VRET=150 V、VOPT=160 V、C=8 000 μF、R=30 Ω的條件下，固定CT匝比n為625，D隨輸電線路電流幅值I1m變化的曲線如圖5所示?？梢?，輸電線路電流變化將顯著影響電路運行狀態(tài)。

本文的負載是可調速風機，相比于恒定負載具有更大的控制自由度，這使將負載與取能電源進行統(tǒng)一調控成為可能，根據輸電線路電流大小實時調控負載功耗，使D始終維持在最優(yōu)工作區(qū)間，從而實現(xiàn)取能電源功率主動自平衡。

在接入阻抗負載時，使用上述“假啟動”工況分析方法，固定輸電線路電流值，通過不斷改變負載電阻阻值，可以得到該電流值時不會進入“假啟動”工況的最小負載電阻值，只要負載電阻R大于此值，取能電源將處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

通過數值計算，可以得到取能電源在C=8 000 μF、VOPT=160 V、n=625時不同輸電線路電流幅值I1m對應的不進入“假啟動”工況的最小負載電阻值Rmin，如圖6所示。

由此可以得到不同取能電源參數下的輸電線路電流幅值及最小負載電阻值對應表，通過測量輸電線路電流，根據所得對應表實時調控負載等效電阻，間接實現(xiàn)對D的調控，使其始終維持在最優(yōu)區(qū)間。這種新穎的功率主動自平衡方法將負載與取能電源統(tǒng)一起來，能充分挖掘CT取能潛力，提高取電能力，擴大取能電源穩(wěn)定工作范圍。

3 風機控制方法

3.1 風機負載

本文使用的實際負載是一臺50 Hz 230 V交流電源供電的散熱風機，使用電能變換器將取能調整電路輸出的直流電壓變換為風機供電標準電源。

由于電力電子變換器的使用，取能調整電路的實際負載呈現(xiàn)的并非是一個純阻抗特性，此時散熱風機更類似于一個恒功率負載。當輸電線路電流較小，CT取能電源最大取能功率小于散熱風機需要的功率時，取能電源將會出現(xiàn)電容電壓驟降、電能變換器不斷啟停等異常情況，對應恒阻抗負載時的“假啟動”工況。

將功率主動自平衡策略融合到風機的調速方法中去，是十分有意義且必要的工作?？梢栽谳旊娋€路電流小時減小散熱風機轉速避免出現(xiàn)不穩(wěn)定工作狀態(tài)，在輸電線路電流大時增大散熱風機轉速進一步挖掘CT取能電源的取能潛力，同時滿足散熱目標隨電流升高而增大的散熱需求。

3.2 風機調速方法

實際應用中，根據輸電線路電流大小實時調整的不再是負載電阻的阻值，而是散熱風機的轉速。對風機轉速的調節(jié)本質上是對風機功率的調節(jié)，使風機功率實時跟蹤取能電源最大取電功率，實現(xiàn)功率自平衡。由于滯環(huán)范圍通常較小，可以將電容電壓近似為VRET，可得到此時的最大輸出平均功率值為

考慮電能變換器存在的功率損耗及應保留的功率裕度，風機最優(yōu)功率值由最大取電功率乘以裕量系數M后得到

通過風機轉速與功率的關系曲線可以得到此時的最優(yōu)轉速指令。應當注意的是，當風機處于升速或降速的過程中，其實際功率應大于或小于此轉速對應的穩(wěn)態(tài)功率值。因此，風機的轉速指令應遵從“緩升驟降”原則，在升速過程中犧牲動態(tài)響應性能來減少實際功率與穩(wěn)態(tài)功率之間的差值來保證風機動態(tài)響應性能。

當CT二次側電流過小，取能電源不足以提供風機最低轉速所需能量時，應切除風機負載。實時對二次側電流大小進行監(jiān)控，一旦電流大小滿足啟動條件，則接入風機負載，啟動風機。風機的控制方法框圖如圖7所示。

4 實驗驗證

為了驗證上述理論分析，搭建了如圖8所示的CT取能調速風冷實驗裝置，裝置由取能CT、取能調整電路及風機負載三部分組成。匝數為625的取能CT套裝在能交流輸電母排上，將磁場能量轉化為電能。取能調整電路將不穩(wěn)定的交流電流源變換為小范圍波動的直流電壓源。風機負載由LMF1000-20B48型57 V輸出DC/DC變換器、NTS-1700型50 Hz 230 V輸出DC/AC變換器及G3G20-GN17-01型風機組成，電能變換器將取能調整電路輸出的直流電壓源變?yōu)?0 Hz 230 V穩(wěn)定交流電壓源給風機供電。取能調整電路的核心參數在表1中給出。

裝置正常運行時的主要參數波形如圖9所示。輸電母排上的電流i1及CT二次側電流i2都為頻率為50 Hz的階梯波。電容電壓vC在146 V與152 V之間波動，不會出現(xiàn)“假啟動”工況。

通過改變母排電流有效值觀察CT二次側輸出電流有效值，結果如圖10所示?？梢?，在測試范圍內，CT二次側電流有效值與母排電流有效值具有線性關系，比值在625附近波動，結果表明在測試范圍內CT始終未飽和。

取能調整電路的占空比平均值及風機負載功率與最大取能功率的比值隨母排電流有效值的變化如圖11所示。圖12給出了4個母排電流大小下的電容電壓vC波形。可見雖然最大取能功率隨母排電流不斷變化，但功率自平衡策略可以根據電流的變化靈活調整負載的功率。在測試范圍內，泄流MOSFET開關管的開關占空比始終保持在較低水平，始終保持在8%到20%區(qū)間內，在避免“假啟動”的同時具有較高的能量獲取能力，風機負載功率與最大取能功率的比值始終大于60%。可見，功率主動自平衡策略通過利用負載的控制自由度來適應電流的寬變化范圍的方法是有效的，能進一步擴展裝置穩(wěn)定運行區(qū)間，提升電源取能能力。

5 結 論

為滿足電力系統(tǒng)高壓線路旁過熱故障多發(fā)點的散熱需求，本文設計一種帶功率主動自平衡策略的CT取能調速風冷裝置，利用CT非侵入式地從輸電線路中獲取能量，經后級電路調整為穩(wěn)定電源后為散熱風機供電，實現(xiàn)風冷目標。

本文所提出的功率主動自平衡策略能夠利用電機負載的調速控制自由度，實時調控風機負載功率，主動匹配CT當前運行工況的最大取能功率，充分挖掘CT取能潛力。相比于增加額外儲能單元的技術方案，該策略具有裝置結構簡單、更適用于大功率負載場合、具有可持續(xù)性的主動功率平衡能力等優(yōu)勢，為CT取能的大功率應用提供一種新的解決思路。

實驗表明，裝置能適應輸電線路電流上千安培的寬電流變化范圍，驅動百瓦級大功率散熱風機穩(wěn)定運行，且具有較高的取能容量利用率。

參 考 文 獻：

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2023-05-12

基金項目：國家自然科學基金（52077088）

作者簡介：何杰偉（2001—），男，碩士研究生，研究方向為電機驅動控制；

劉自程（1989—），男，博士，副研究員，博士生導師，研究方向為電力電子與電力傳動；

黃秋萍（2001—），女，學士，研究方向為基于深度學習的新能源功率預測；

劉 杉（1989—），男，博士，高級工程師，研究方向為高壓直流輸電；

姜 喆（1988—），女，博士，研究方向為高壓直流輸電技術及裝備等；

劉志剛（1974—），男，博士，研究方向為高電壓絕緣與高電壓試驗設備及在線監(jiān)測裝置。

通信作者：劉自程