智能電網(wǎng)用空間電能集能轉(zhuǎn)換器

鄒 亮 ，黃金鑫 ，劉夢(mèng)琦 ，趙 彤 ，張 黎

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

智能電網(wǎng)是未來(lái)電力工業(yè)的發(fā)展方向［1］，其對(duì)傳感和測(cè)量技術(shù)提出了更高要求，這也導(dǎo)致無(wú)線傳感器在智能電網(wǎng)中占據(jù)了重要地位。但是無(wú)線傳感器能量的供給問(wèn)題卻未得到有效解決［2-3］，為此嘗試采用的增加電池能量密度、新的能量傳輸方法［4］等，因安全性及能耗大等缺點(diǎn)而擱置。而收集周圍環(huán)境中的能量［5-9］（太陽(yáng)能、振動(dòng)能、熱能、電磁能等）并轉(zhuǎn)換為電能的自供能技術(shù)可以有效解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供給問(wèn)題。

由于變電站特殊的空間布局及環(huán)境要求，基于太陽(yáng)能的自供能技術(shù)受到限制；出于絕緣和安全考慮，振動(dòng)能量收集裝置也不可直接外掛于電氣設(shè)備上；而眾多新型自供能技術(shù)（如熱能自供能和聲能自供能）因其能量源太微弱無(wú)法達(dá)到要求。因此，針對(duì)變電站的特殊電磁環(huán)境，科研人員開(kāi)始研究基于空間電磁能的無(wú)線傳感器自供能技術(shù)［10］。

現(xiàn)代化高壓變電站或輸電線路周圍蘊(yùn)含豐富的電磁能量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，500 kV高壓變電站內(nèi)的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)18 kV/m，變電站內(nèi)的電場(chǎng)能量非常豐富［10］。因此，為將高壓變電站中的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為可以為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供能的電能，本文采用電容式集能轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。電容式集能轉(zhuǎn)換器主要包括2個(gè)部分：集能拓?fù)浜驼{(diào)理電路。集能拓?fù)涞淖饔檬菍?shí)現(xiàn)能量由空間強(qiáng)電場(chǎng)能到可供無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供能電能之間的轉(zhuǎn)換。調(diào)理電路的作用是將收集到的無(wú)規(guī)則脈沖電流或脈動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)理，使經(jīng)調(diào)理電路處理過(guò)的電能可直接為無(wú)線傳感器所使用。本文的研究正是基于兩者展開(kāi)的。

1 電容集能拓?fù)湫阅芊治?/h2>

外電場(chǎng)條件下的電能轉(zhuǎn)換能力是由電容集能拓?fù)錄Q定的。電容集能拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)為平板型，但其只對(duì)垂直其軸線方向的電場(chǎng)集能效果較好。在變電站復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境下，球型集能拓?fù)涓m于跟蹤收集各方向的電場(chǎng)分量，并且球型拓?fù)浣品忾]的金屬面還為內(nèi)置電路提供了電磁屏蔽，可避免尖端放電現(xiàn)象［11］，本節(jié)將對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

1.1 集能拓?fù)鋽?shù)學(xué)建模

由于自供能裝置收集工頻電場(chǎng)能量時(shí)，主要工作在低頻電場(chǎng)下，且電容集能拓?fù)涞某叽邕h(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此可用準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的方法來(lái)分析。設(shè)球殼半徑為R，電勢(shì)為 u，空間任意一點(diǎn) P（r，θ，φ）電勢(shì)滿足拉普拉斯方程Δ2u=0，其中，θ為P點(diǎn)與球心的連線與z軸的夾角，φ為P點(diǎn)與球心的連線映射在xy平面上所形成的線段與x軸的夾角。在球坐標(biāo)系下，因φ滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，u與φ無(wú)關(guān)，故拉普拉斯方程在球坐標(biāo)系下的展開(kāi)式［12］可簡(jiǎn)化為：

采用分離變量法，設(shè) u（r，θ）=X（r）Y（θ），X 和 Y分別為關(guān)于r和θ的函數(shù)，代入并整理得：

其中，n（n+1）為分離變量法時(shí)產(chǎn)生的常數(shù)，滿足在有限區(qū)域內(nèi)電勢(shì)處處有限且有解。 令 x=cos θ、y（x）=Y（θ），方程（2）變?yōu)椋?/p>

方程（3）為歐拉方程，其通解為：

其中，A和B為待定常數(shù)，可通過(guò)邊界條件求取。

方程（4）的解是一個(gè)勒讓德多項(xiàng)式：

則電勢(shì)的通解可表示為：下面在2種邊界條件情況下求解球型拓?fù)潆娙菀约拜敵鲭妷旱谋磉_(dá)式。

a.設(shè)球型拓?fù)涞纳稀⑾陆饘侔肭虻碾娢环謩e為U和-U，外加電場(chǎng)為0，無(wú)窮遠(yuǎn)處電勢(shì)為0，根據(jù)這3條邊界條件可確定式（7）中的待定系數(shù)分別為：

球型拓?fù)浔砻骐妶?chǎng)強(qiáng)度為：

球型拓?fù)錁O板上的電荷為：

則球型拓?fù)涞碾娙轂椋?/p>

其中，ε0為真空介電常數(shù)。

b.當(dāng)外加電場(chǎng)E0為均勻電場(chǎng)時(shí)，邊界條件為Er=∞=E0，則：

常數(shù)D可通過(guò)適當(dāng)?shù)牧汶妱?shì)參考點(diǎn)選擇而取值為0，再利用勒讓德多項(xiàng)式的正交關(guān)系可得：

式（13）中等號(hào)右側(cè)第1項(xiàng)是原來(lái)勻強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)，第2項(xiàng)是因?qū)w球受到電場(chǎng)的作用而類似極化為一個(gè)偶極矩為E0R3的偶極子所產(chǎn)生的電勢(shì)。

同理，球殼電極上的電荷量為：

則球型拓?fù)漭敵鲭妷旱臄?shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（15）可推廣到外界均勻場(chǎng)強(qiáng)E0與集能拓?fù)鋤軸成一定角度δ的普遍形式。當(dāng)外電場(chǎng)與集能拓?fù)鋤軸垂直時(shí)，由對(duì)稱性可知上下兩半球極板等電勢(shì)，即無(wú)輸出電壓，因此球型集能拓?fù)鋵?duì)垂直于z軸的電場(chǎng)分量無(wú)收集作用。最終，球型集能拓?fù)涞妮敵鲭妷号c球殼半徑和外電場(chǎng)的關(guān)系為：

其中，δ為任意方向的均勻場(chǎng)強(qiáng)與集能拓?fù)鋤軸的夾角。

由式（16）可看出，球型集能拓?fù)涞妮敵鲭妷河汕虬霃胶屯饨鐖?chǎng)強(qiáng)的大小及方向共同決定。以集能拓?fù)漭敵鲭妷鹤畲鬄閮?yōu)化目標(biāo)時(shí)，應(yīng)綜合考慮球半徑和外界電場(chǎng)因素；當(dāng)外界電場(chǎng)一定時(shí)，球半徑越大，輸出電壓越大，優(yōu)化約束條件則變?yōu)榧芡負(fù)涞捏w積限制。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用球冠型集能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)上極板保持弧形，下極板設(shè)計(jì)為平板形狀，這主要是由于球型結(jié)構(gòu)接地連接的不穩(wěn)定以及弧形下極板電勢(shì)近于地表電勢(shì)。如圖1所示的球冠型集能拓?fù)淇杀３智蛐屯負(fù)溥m應(yīng)復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，其電容和電勢(shì)表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程與上述類似，不再贅述。

圖1 球冠型集能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sphericalcap energy scavenging topology

1.2 集能拓?fù)淇蛰d實(shí)驗(yàn)

本文采用的自供能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電場(chǎng)發(fā)生單元、輕型高壓試驗(yàn)變壓器、示波器以及分壓器等單元組成，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以驗(yàn)證集能拓?fù)涞膶?shí)際特性。其中電場(chǎng)發(fā)生單元由面積為1 m2的兩平行金屬極板組成，用高度為1 m的絕緣支柱支撐，通過(guò)輕型高壓試驗(yàn)變壓器連接50 Hz交流電網(wǎng)。因?yàn)楸竟?jié)主要針對(duì)集能拓?fù)涞哪芰渴占Ч约皡?shù)變化對(duì)集能效果的影響，所以空載實(shí)驗(yàn)在較低電壓下進(jìn)行。

制作拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)各不相同的集能單元試樣。將不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)的試樣置于電場(chǎng)發(fā)生單元中，以示波器觀察其空載波形。調(diào)節(jié)變壓器，使電場(chǎng)發(fā)生單元兩端電壓的峰值在50～300 V之間變化，觀察集能拓?fù)鋬啥说碾妷鹤兓厔?shì)。假設(shè)電場(chǎng)方向與集能拓?fù)渲休S線夾角為δ，在平板和球冠半徑以及高度相同且δ=0°時(shí)，球冠型拓?fù)涞募茈妷焊?，如圖2（a）所示，圖中輸入和輸出電壓均為電壓峰峰值。針對(duì)球冠型集能拓?fù)?，改變其半徑R和高度d，觀察集能電壓的變化，如圖2（b）、（c）所示，可知增大球冠的半徑R和高度d均能增大集能拓?fù)涞妮敵鲭妷骸檠芯侩妶?chǎng)方向變化對(duì)集能拓?fù)浼苄Ч挠绊?，?shí)驗(yàn)中保持半徑R和高度d不變，改變?chǔ)?，觀察集能拓?fù)涞妮敵鲭妷禾匦?。由于?shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差以及電場(chǎng)發(fā)生單元的電場(chǎng)畸變，當(dāng)增大δ時(shí)，平板型集能拓?fù)涞募苄Ч幸欢ǖ慕档?，如圖2（d）所示，但球冠型拓?fù)錄](méi)有變化。

圖2 2種集能拓?fù)涞妮敵鎏匦詫?duì)比Fig.2 Comparison of output characteristics between two energy scavenging topology types

為更直觀地對(duì)比2種拓?fù)涞募苄Ч?，本文選擇對(duì)比平板型拓?fù)渑c球冠型拓?fù)涞?個(gè)基本性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U與電容儲(chǔ)能Wc。轉(zhuǎn)化器輸出電壓U可直觀反映集能效果；電容儲(chǔ)能Wc直接決定了拓?fù)涞募苌舷蕖．?dāng)電場(chǎng)方向與集能拓?fù)渲休S線夾角δ=0°時(shí)，取半徑R同為15 cm的平板型和球冠型轉(zhuǎn)換器，極板高度d調(diào)節(jié)為20 cm，調(diào)節(jié)變壓器，使電場(chǎng)發(fā)生單元的輸出電壓為300 V，2種拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2種集能拓?fù)鋮?shù)對(duì)比Table 1 Comparison of parameters between two energy scavenging topology types

實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，在相同半徑和高度的條件下，球冠型拓?fù)涞募苄Ч獌?yōu)于平板型拓?fù)?。球冠型拓?fù)涞陌霃?、高度以及電?chǎng)的強(qiáng)度對(duì)集能效果影響顯著，且近似成正比關(guān)系。由于測(cè)量誤差、電場(chǎng)發(fā)生單元的電場(chǎng)畸變以及實(shí)驗(yàn)中集能拓?fù)浣嵌茸兓拗频?，?shí)驗(yàn)中δ在30°以下變化時(shí)，角度變化因素對(duì)球冠型拓?fù)涞募苄Ч绊懖幻黠@。

2 調(diào)理單元拓?fù)湓O(shè)計(jì)與仿真

因外部電場(chǎng)的不斷變化以及傳感器負(fù)載在發(fā)射和休眠工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的等效阻抗的變化都將引起電路輸出電壓及功率的波動(dòng)，加之集能拓?fù)淠芰渴占臄嗬m(xù)性和波動(dòng)性，必須設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)整流、斬波、存儲(chǔ)和穩(wěn)壓等功能為一體的調(diào)理電路。調(diào)理電路的主體是穩(wěn)壓子系統(tǒng)、整流子系統(tǒng)和存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

2.1 調(diào)理單元拓?fù)湓O(shè)計(jì)

圖3所示為滿足無(wú)線傳感器功能要求所設(shè)計(jì)的調(diào)理電路拓?fù)?。該拓?fù)渲校炔捎煤?jiǎn)單的單相整流橋?qū)⒓芡負(fù)鋬啥穗妷恨D(zhuǎn)換為近似的直流，其后接存儲(chǔ)電容將收集的能量暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，同時(shí)該能量也可為后端控制電路提供工作電壓。為達(dá)到穩(wěn)壓目的，調(diào)理拓?fù)渲胁捎昧薆uck電路。當(dāng)外電場(chǎng)變化或負(fù)載變化時(shí)，由Rx和Ry組成的反饋回路可將輸出電壓波動(dòng)經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞給PWM器，后者通過(guò)調(diào)制的脈寬信號(hào)控制開(kāi)關(guān)VT的開(kāi)通時(shí)間，最終達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖3 調(diào)理電路拓?fù)銯ig.3 Topology of conditioning circuit

2.2 調(diào)理拓?fù)渲麟娐窋?shù)學(xué)模型

為研究調(diào)理拓?fù)渲麟娐返妮敵鲭妷禾匦?，?jīng)橋式整流和電容濾波后，后續(xù)電路可近似等效為DC/DC變換電路。為獲得調(diào)理電路直流穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出電壓特性，本文應(yīng)用開(kāi)關(guān)周期平均值法［13-14］，建立了調(diào)理電路的大信號(hào)模型：

其中，us（t）為電容 Cs兩端的電壓；uo（t）為輸出電壓；i（t）為電感電流；〈x（t）〉Ts表示一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 Ts中，變量 x（t）的平均值；d（t）為開(kāi)關(guān)占空比。

設(shè)電路穩(wěn)定在某一靜態(tài)工作點(diǎn)，則其穩(wěn)態(tài)時(shí)的占空比 d（t）=D，電感電流為 I、輸出電壓為 Us、輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值為Uo。根據(jù)電感電壓的伏秒平衡原理和電容電荷的平衡原理［14］，電感電壓的平均值和電容電流的平均值都等于零。將占空比以及各變量的穩(wěn)態(tài)值分別代入上述大信號(hào)模型，可推導(dǎo)得到各穩(wěn)態(tài)量之間的關(guān)系式：

其中，Us、Uo分別為電路處在靜態(tài)工作點(diǎn)（電路處在直流工作狀態(tài)下）時(shí)的輸出電壓和穩(wěn)態(tài)電壓。

經(jīng)整理：

由調(diào)理電路的大信號(hào)建模，可得到直流穩(wěn)態(tài)時(shí)各變量之間的關(guān)系。從式（19）可看出，輸出電壓的直流穩(wěn)態(tài)值與輸入電壓和占空比的大小有關(guān)。占空比越大，輸出直流穩(wěn)態(tài)電壓值也越大，通過(guò)合理調(diào)節(jié)高頻開(kāi)關(guān)的占空比，可使得電路輸出電壓在數(shù)值上滿足無(wú)線智能傳感器的供能要求。

當(dāng)負(fù)載和輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓將會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，因此，為研究擾動(dòng)對(duì)電路輸出電壓的影響，有必要建立調(diào)理電路的動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型。如果電感電流、輸入電壓、輸出電壓和占空比在直流工作點(diǎn)附近作小擾動(dòng)，并以的擾動(dòng)量，將擾動(dòng)量代入式（17）中，消去直流項(xiàng)并忽略二階交流項(xiàng)，可得如下的交流小信號(hào)模型：

對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換并整理可得：

2.3 外電場(chǎng)變化下的調(diào)理主電路特性

因外部電場(chǎng)可能不斷變化，集能拓?fù)鋬啥说碾妷簳?huì)隨外電場(chǎng)的變化而波動(dòng)，輸入電壓的大幅波動(dòng)將會(huì)使得調(diào)理主電路產(chǎn)生豐富的非線性現(xiàn)象，即各種類型的分岔和混沌［15］，這將直接影響調(diào)理主電路的穩(wěn)定性和可靠性。

根據(jù)式（17），分別單獨(dú)列寫VT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的狀態(tài)方程，并對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行拉普拉斯變換，可分別得到VT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的方程為：

根據(jù)式（22）和（23），搭建調(diào)理主電路的 MATLAB/Simulink仿真模型如圖4所示。在該仿真模型中，設(shè)定主電路參數(shù)為：Us=20 V（等效輸入電壓），L=1mH，C=500 μF，R=1 kΩ，T=10 μs，Rx=15 kΩ，Ry=15 kΩ，仿真輸出為I-U關(guān)系曲線。

圖4 Simulink仿真模型Fig.4 Simulation model by Simulink

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，調(diào)理主電路的有效輸入電壓范圍為5～30 V，當(dāng)?shù)刃л斎腚妷篣s低于5 V或超過(guò)30 V時(shí)，電路工作在不穩(wěn)定的周期狀態(tài)，容易產(chǎn)生混沌，影響主電路工作的穩(wěn)定性。因此，為保證調(diào)理主電路輸出電壓的穩(wěn)定性，一方面優(yōu)化集能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以盡量降低外電場(chǎng)變化對(duì)集能電壓的影響，另一方面調(diào)理電路應(yīng)增加穩(wěn)壓反饋回路，負(fù)反饋調(diào)節(jié)電壓的穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中可采用集成控制芯片以增大電路穩(wěn)定運(yùn)行下的輸入電壓范圍。

2.4 仿真分析

反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)壓調(diào)理電路的核心，本文采用超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。圖5所示的閉環(huán)系統(tǒng)框圖是圖3穩(wěn)壓調(diào)理電路的簡(jiǎn)化表示。其中，Gc（s）為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，Gm（s）為 PWM 器的傳遞函數(shù)，H（s）表示反饋分壓網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，可用α表示。

圖5 調(diào)理電路閉環(huán)系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of close-loop system of conditioning circuit

圖5所示閉環(huán)系統(tǒng)的原始回路增益函數(shù)Go（s）可表示為式（24），其中，Um表示PWM器的鋸齒波幅值。

設(shè)PWM器的鋸齒波幅值Um為2.5 V，反饋分壓網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)α為1，將調(diào)理主電路參數(shù)代入式（24）便得調(diào)理電路的原始回路增益。結(jié)合傳遞函數(shù)幅頻特性的波特圖，設(shè)計(jì)得到調(diào)理電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù) Gc（s）：

根據(jù)主電路參數(shù)以及求得的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù) Gc（s），并按照?qǐng)D3搭建仿真電路。 設(shè)電路在 0.5～0.52 s期間，輸出電阻由 1 kΩ 突變?yōu)?100 Ω，模擬無(wú)線傳感器作為負(fù)載時(shí)，由休眠轉(zhuǎn)至信號(hào)發(fā)射的狀態(tài)。調(diào)理電路輸出電壓仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 調(diào)理電路輸出電壓的仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of output voltage of conditioning circuit

在 0.5～0.52 s期間，負(fù)載迅速減小，輸出功率瞬間增大，從圖6中可以看出，調(diào)理單元輸出電壓在負(fù)載突然增加時(shí)，會(huì)有短時(shí)間跌落，隨后又很快恢復(fù)到原來(lái)的電壓水平。仿真結(jié)果表明，該調(diào)理單元具有良好的穩(wěn)壓特性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為對(duì)包含調(diào)理電路以及電容集能拓?fù)涞耐暾淖怨┠芟到y(tǒng)進(jìn)行研究，搭建自供能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于在外電場(chǎng)強(qiáng)度變化較大時(shí)，球冠型集能拓?fù)涞妮敵鲭妷禾匦詢?yōu)于平板型，因此實(shí)驗(yàn)中主要研究球冠型集能拓?fù)渑c調(diào)理電路配合的工作性能。

實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)壓調(diào)理電路的開(kāi)關(guān)選擇型號(hào)為IRF540的N型場(chǎng)效應(yīng)管。它具有極低的導(dǎo)通電阻36 mΩ，導(dǎo)通電壓為1.7V，上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間分別為97ns和52ns，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低于1kHz時(shí)，功率低于100mW，適合低功耗應(yīng)用?？刂菩酒捎肨I公司生產(chǎn)的低功耗集成電壓型PWM控制器TL5001CP，其工作的輸入電壓較寬，在3.6～40 V之間。待機(jī)工作電流為1 mA，正常供電電流約為1.4 mA，總體功耗較低，適合于低功耗場(chǎng)合應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)的控制端與輸入端不共地，因此還需光耦對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離。選用TLP250低功耗光耦芯片，內(nèi)部集成有GaAlAs發(fā)光二極管和光敏檢測(cè)器，功耗約為100 mW。

本實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)壓調(diào)理電路輸入端采用的是高20cm、半徑15 cm的球冠型集能拓?fù)?，輸出端為一個(gè)超級(jí)電容器，該電容的額定電壓為2.7 V，大小為5 F，其主要作用是收集集能拓?fù)涫占降碾娔?。?shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要將穩(wěn)壓電路中的儲(chǔ)能電容充電至2.5 V，為穩(wěn)壓電路提供初始能量，以確保穩(wěn)壓電路中的開(kāi)關(guān)及其控制電路在初始狀態(tài)下動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)中，若輸出端的電容無(wú)法獲得轉(zhuǎn)換器收集到的能量，則電路中開(kāi)關(guān)及其控制電路在耗盡電容中的初始能量之后將停止動(dòng)作。當(dāng)穩(wěn)壓電路輸出端的電容充電至2.5 V時(shí)，其儲(chǔ)能為15.6 J。開(kāi)關(guān)及其控制電路功耗以300 mW計(jì)算，則開(kāi)關(guān)及其控制電路耗盡初始能量約耗時(shí)1 min。如果在施加工頻電場(chǎng)之后，穩(wěn)壓電路中電容兩極板電壓可以維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值，則說(shuō)明該自供能系統(tǒng)的“自持性”可以滿足。

依上所述，將穩(wěn)壓電路中的超級(jí)電容充電至2.5V后，施加工頻電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為10 kV/m，5 min后測(cè)量電容兩極板間電壓波形，如圖7（a）所示。

由圖7（a）可知，穩(wěn)壓電路中的電容在初始充電至2.5 V后，兩極板間電壓穩(wěn)定在2.6 V左右，高于初始值，因此該自供能裝置可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)能的收集。圖7（b）所示為外施工頻電場(chǎng)強(qiáng)度由5 kV/m逐漸增加至10 kV/m時(shí)穩(wěn)壓電路中儲(chǔ)能電容的電壓波形，從圖中可以看出，調(diào)理單元輸出電壓穩(wěn)定且具有良好的穩(wěn)壓效果；圖7（c）所示為外施工頻電場(chǎng)強(qiáng)度由10 kV/m逐漸減小至5 kV/m時(shí)，儲(chǔ)能電容的電壓輸出波形，電容電壓隨外電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的降低而減小，但最終穩(wěn)定在2.6 V。

圖7 儲(chǔ)能電容電壓和外電場(chǎng)強(qiáng)度波形Fig.7 Waveforms of storage capacitor voltage and external electric field intensity

但當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)降低，由5 kV/m降低至3 kV/m時(shí)，儲(chǔ)能電容的電壓將無(wú)法維持在2.6 V，而是隨外電場(chǎng)強(qiáng)度的降低而減小，如圖7（d）所示。這是由于隨著外施工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的降低，自供能裝置收集到的能量也隨之減少，由于調(diào)理單元的正常運(yùn)行需要一定的能量，當(dāng)自供能裝置收集到的能量小于調(diào)理單元運(yùn)行所需的能量時(shí)，儲(chǔ)能電容將無(wú)法得到充足的電能，因此電容的電壓降隨著外電場(chǎng)強(qiáng)度的降低而下降。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)空間電能集能轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)平板型集能拓?fù)涞募苋秉c(diǎn)提出球型集能拓?fù)?，并?duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，確定了球型拓?fù)浼苄Ч挠绊懸蛩??？紤]實(shí)際變電站應(yīng)用，對(duì)球型拓?fù)溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，提出球冠型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)穩(wěn)壓調(diào)理電路進(jìn)行系統(tǒng)建模，包括大信號(hào)和動(dòng)態(tài)小信號(hào)模型，并借此分析調(diào)理電路的工作特性和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇?？紤]到外電場(chǎng)不斷變化，仿真分析了調(diào)理主電路在外電場(chǎng)變化下的運(yùn)行特性。最后，搭建了電容式集能轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M的工頻均勻電場(chǎng)下驗(yàn)證自供能系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。

空間電能集能轉(zhuǎn)換器如要投入實(shí)際應(yīng)用面臨的最主要問(wèn)題是解決集能轉(zhuǎn)換器容性內(nèi)阻抗過(guò)大的問(wèn)題，解決方法主要有2種：一種方法是增大轉(zhuǎn)換器兩極板間的介電常數(shù)ε，比如采用油紙絕緣等；另一種方法是增加集能轉(zhuǎn)換器的表面積。但這2種方法也會(huì)相應(yīng)帶來(lái)高壓變電站內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)安裝的困難與安全隱患。