基于電磁互感自取電的恒壓并聯(lián)電流補償方法

郭 嘉， 袁敬中， 謝景海， 盧詩華， 孫 密， 蘇東禹， 潘國兵， 金麗炳

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術研究院， 北京 100038； 2.浙江工業(yè)大學分布式微網(wǎng)研究所， 杭州 310014)

隨著中國智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性顯得極為重要。高壓輸電線路的穩(wěn)定運行是電網(wǎng)運行關鍵所在，所以對高壓輸電線路的在線監(jiān)測尤為重要，天氣、環(huán)境及人類認識性缺陷等因素均極易影響高壓輸電線路安全運行,而人為損壞高壓運輸線路現(xiàn)象同樣不容忽視[1]。常見的給監(jiān)測設備供電的方式有在高壓輸電線上安裝磁體[2]，通過收集磁體的震動產(chǎn)生的能量來為后級監(jiān)測設備供電，但是此方法受材料限制不能提供穩(wěn)定的平均功率，不能滿足在線實時監(jiān)測的要求[3]。傳統(tǒng)的P類電流互感器若在運行中飽和可能會引起繼電保護裝置的不正確動作,極大威脅電網(wǎng)的安全運行,而現(xiàn)有的新型電流傳感技術因成本和使用環(huán)境等原因限制了其推廣應用[4]。利用太陽能電池供電則會因為天氣原因從而影響電池的輸出功率，因此須加入儲能電池或超級電容，但是由于儲能電池和超級電容的體積較大，安裝工藝受限，使用率就大大下降[5]。文獻[6]也通過電子式電流互感器再變電站上的實驗，得到了電子式電流互感器誤差受溫度、負荷變化的影響規(guī)律及長期運行過程中的穩(wěn)定性。相比其他方法，利用電流互感器的特性取電來使監(jiān)測設備穩(wěn)定運行成為了主流方式。電流互感器具有成本低、體積小、安裝方便、安全可靠、取電穩(wěn)定的優(yōu)點[7]，只要輸電線纜中有電流通過，就可通過互感器感應電流給監(jiān)測設備供電[8]。文獻[9]說明了目前配網(wǎng)供電可靠性差、配網(wǎng)電壓互感器停電檢修困難、無法進行帶電更換的問題，提出了一種可帶電更換的電壓互感器裝置。文獻[10]提出一種電子負載并聯(lián)在電流互感器二次側,通過阻抗匹配調(diào)控使電流互感器從交流輸電線路提取穩(wěn)定能量。但是對于一般的電流互感器取電方法，由于輸電線纜上流過的電流由電網(wǎng)終端的負荷相關，原邊感應的電流范圍會變得很寬[11]，對監(jiān)測設備的供電不穩(wěn)定則會造成監(jiān)測設備的壽命減少。

針對原邊電流變化而對監(jiān)測設備供電不穩(wěn)定的不足，提出了一種基于電磁互感自取電的恒壓并聯(lián)電流補償方法。輸出前級通過采樣輸出端的電流來進行脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)，輸出后級通過兩路電流互感器并聯(lián)進行電流補償，加入算法控制并聯(lián)補償電路開關管的關斷，來實現(xiàn)對監(jiān)測設備的穩(wěn)定供電。能夠在高壓輸電線上流過電流較小時還能穩(wěn)定給后級互聯(lián)網(wǎng)終端設備供電。

1 電磁互感自取電裝置結構設計

1.1 總體結構設計

如圖1所示，該裝置可通過間隙式同相繞組線圈來感應高壓輸電線纜流過的電流，產(chǎn)生交變電勢，通過整流濾波電路，升壓電路，穩(wěn)壓模塊以及副線圈回路的補償，來給高壓輸電線上的監(jiān)測設備穩(wěn)定供電。

L0表示主線圈，Lc表示副線圈，MCU表示控制芯片，K0為載波調(diào)制信號圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

該裝置為滿足對用電設備的穩(wěn)定供能，先通過對交變電勢的整流，通過全橋整流濾波回路，將感應到的交變電勢轉成可用的直流電，在通過升壓電路對直流電壓進行升壓，當感應電勢較小時，通過采樣升壓電路輸出端的電流變化率來控制副線圈回路對主線圈回路的開關管來進行補償穩(wěn)壓。當感應電勢較高時，通過后級的穩(wěn)壓模塊進行保護，防止電壓太大損害監(jiān)測設備的正常使用。圖1為裝置結構設計圖。

1.2 電流互感器的安裝工藝與參數(shù)計算

在選擇電流互感器時，需要對電流互感器的材料選擇以及線圈的參數(shù)進行計算。當高壓電線通過的電流極小時，需要后級電路能夠感應并正常啟動，所以應將最小的感應電流作為啟動電流。如表1所示，對選取的電流互感器鐵芯材料的參數(shù)進行比較可知，硅鋼的飽和磁感應強度較高，相比坡莫合金和納米晶其不易飽和，初始的磁導率較低。所以選擇硅鋼作為電流互感器的鐵磁材料。

表1 電流互感器鐵芯材料選型參數(shù)Table 1 Current transformer iron core material selection parameters

相比于傳統(tǒng)使用無間隙閉環(huán)結構的鐵芯而言，其安裝過程復雜，所以通過間隙式同相繞組電磁線圈獲取感應的主副交變電勢。間隙式的安裝工藝能夠增大鐵芯的飽和磁感應強度，從而使鐵芯不易處于飽和狀態(tài)，能夠保證母線電流能夠穩(wěn)定的向后級輸出。當輸入的交變電勢為正弦條件下，感應到的二次側電勢為

(1)

Em=2πfNφsin(ωt-90°)

(2)

式中：N為線圈匝數(shù)；φ為鐵芯磁通量；ω為角速度；f為頻率；dφ/dt表示單位時間內(nèi)的磁通變化。

有效值E的表達式為

(3)

Φ=BSλ

(4)

式中：Φ為磁通量；B為磁感應強度；S為鐵芯的橫截面積；λ為感應系數(shù)。通安倍環(huán)路定理得

(5)

B=μ0μrH

(6)

式中：H1為磁場強度；i為流過磁芯的電流；μ0為真空磁導率；μr為鐵芯相對磁導率；H為磁場強度；L為有效磁鏈。通過聯(lián)立式(1)～式(6)可解方程得

(7)

間隙式電流互感器的磁阻Rm為

Rm=Rs+Rδ

(8)

式(8)中:Rs為磁芯電阻；Rδ為繞線電阻,可分別表示為

(9)

間隙式鐵芯電流互感器的勵磁電感為

(10)

式中：Lm為勵磁電感；le為真空間隙長度；l為線圈長度；Seq為有效截面積；μ0為初始磁導率；δ為鐵芯間隙長度；μr為鐵芯磁導率。根據(jù)磁路歐姆定律得

(11)

式(11)中：Φm為鐵芯主磁通量；I1為流經(jīng)線圈的電流。

由式(11)可知，當磁電動勢不變時，鐵芯的磁阻與磁通城反比，所以可以通過增大磁阻來減小通過鐵芯的磁通。從而使得鐵芯在較大的輸電線路電流下不至于過早的飽和。

(12)

可得

(13)

式中：F為磁動勢；Rd為鐵芯磁阻；Rms為氣隙磁阻；μs為鐵芯磁導率。

根據(jù)電流互感器的規(guī)格參數(shù)：互感器直徑D=140 mm，內(nèi)徑d=80 mm，寬度a=50 mm，間隙δ=2 mm，代入式(12)可求出μr，代入式(7)可算出N最小為173匝，考慮實際實驗的誤差余量，實驗取180匝。

1.3 整流升壓電路

1.3.1 橋式整流濾波回路

橋式整流電路具有將交變電勢轉變?yōu)橹绷麟姷淖饔?，來供后級高壓輸電線纜上的監(jiān)測設備使用，相比于半橋整流濾波，全橋整流濾波具有輸出電壓較高，對輸入正弦波的利用效率比半橋整流高約一倍，這樣能更加充分地將微小電流進行輸出，且輸出的紋波電壓也較小。整流電路的電路圖如圖2所示。圖2中，CT為電流互感器，D1～D4為肖特基整流二極管，C為濾波電容，R為負載電阻。

圖2 橋式整流電路Fig.2 Bridge rectifier circuit

當通過電流互感器感應到的交變電勢處于正半周期時，電壓通過D1向電容C充電，在通過D3回到交變電勢負端，當交變電勢處于負半周期時，此時D1、D3反向截止，電壓通過D2向電容充電，再通過D4回到交變電勢負端。當電容充滿電后對后級的負載R_L進行放電。

1.3.2 Boost升壓電路

Boost升壓電路(Boost converter or step-up converter)是一種常見的開關直流升壓電路，它通過開關管導通和關斷來控制電感儲存和釋放能量，從而使輸出電壓比輸入電壓高?，F(xiàn)在的開關電源一般是由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制，結合各種開關電源拓撲結構，組成完整的開關電源，圖3為BOOST升壓電路拓撲結構。

Boost升壓電路工作過程可分為充電和放電兩部分。充電過程：在充電的時候，開關管Q導通，此時開關管相當于導線，電壓流過電感L和開關管Q回到負極，隨著對電感L不斷充電，電感上的電流線性增加，經(jīng)過一段時間后電感儲存了一定能量，在剛開始上電時，由于電容C1上沒有電壓，所以不能立即給后級負載提供能量。當后續(xù)充電階段，二極管D會處于反向截止狀態(tài)，此時由于上一次放電時電容Ce會對C1進行充電，電容C1就可以給負載提供能量，維持負載工作。

放電過程：在放電的時候，開關管Q不導通，此時相當于斷路。在充電時，電感L上存儲了一定的能量，由于電感上的電流不能突變，所以電感上的電流會緩慢地進行放電，此時開關管Q斷開，電感對后級回路上的電容C1進行充電，并給負載提供能量。此時電感C1兩端的電壓高于充電時的電壓，故能給負載提供更高的能量。

L為電感；Q為開關管；Ce為電解電容；D為二極管；C1為濾波電容圖3 Boost升壓電路Fig.3 Boost circuit

2 基于恒壓并聯(lián)電流補償?shù)碾娏骺刂品椒?/h2>

2.1 恒壓并聯(lián)電流補償裝置

所設計的恒壓并聯(lián)電流補償回路，是一種基于電磁互感自取電的恒壓并聯(lián)電流補償方法。在主電路保證穩(wěn)壓的情況下，并聯(lián)一個補償電路，對主電路進行電流補償，解決了主電路由于輸電線路的電流變化，導致輸出功率不足，從而使用電設備無法正常工作的問題；同時，補償電路在不對主電路進行電流補償時，可對備用電池進行充電，提高了電能的利用率，有很高的經(jīng)濟價值。

D6～D9為整流二極管；D10為肖特基二極管；C2、C6為濾波電容； C5為電解電容；Rc為副線圈負載；R0為主線圈負載；ie為輸出電流； ic為補償電流；uc為副線圈感應電壓；u0為主線 圈感應電壓；K0為載波調(diào)制信號圖4 恒壓并聯(lián)電流補償裝置電路Fig.4 Constant voltage parallel current compensation device circuit

電流互感器取電并聯(lián)補償回路主要由主回路線圈和副回路線圈組成，其中包括取電用互感器、整流橋、Boost升壓電路、穩(wěn)壓模塊、儲能電池以及連接主副線圈的補償開關，如圖4所示。圖4(a)中，L0為電流互感器的感應側線圈，為整個后級回路提供能量。D1、D2、D3、D4組成主回路線圈的整流橋，對感應到的交變電流進行整流處理，通過濾波電容C1后經(jīng)過定占空比的Boost升壓電路進行升壓，D5為穩(wěn)壓二極管，C2為濾波電容，PWM為載波調(diào)制波形，L1、L2為輸出電感。

2.2 供電裝置系統(tǒng)的工作狀態(tài)

電流互感器取電在不同狀態(tài)下對后級監(jiān)測設備具有不同的工作模式，各種模式下主副級回路的開關具有不同的工作狀態(tài)。闡述了在電流互感器取電電流在不同大小下的只裝拓撲結構以及控制方法。如圖4(a)所示，其中Q1為主線圈升壓回路的開關管，Q1工作在導通或關斷狀態(tài)，通過定占空比調(diào)制來放大感應電壓，向后級回路輸出；Q2為副線圈回路的開關管，Q2通過脈沖寬度調(diào)制技術，在不同工況下對后級負載進行供電。

2.2.1 模式一

由主線圈回路單獨向用電設備供電，并向儲能電池充電。當電流互感器取電的輸出功率超過滿足設備額定所需用能時，設備的用電完全由主線圈回路提供，同時也可用來想儲能電池進行充電。圖4(b)中，iout為主線圈電路輸出電流，i0為整流輸出電流，當iout>i0時，對供電電池進行恒流充電，通過穩(wěn)壓模塊使其穩(wěn)定在5 V左右對儲能電池進行充電，并向監(jiān)測設備進行供電。當采用主線圈回路單獨充電時，由于感應到的電流大小不同，對應的充電電流也會不同，當電流大于負載所需額定電流時，主要計算控制芯片(main computational unit，MCU)會發(fā)出一個信號在Q3導通。但為了對電池進行恒流充電，要使Q3工作在有源區(qū)，通過MCU來產(chǎn)生特定充電電流來控制Q3柵極。此時，對儲能電池充電電流由Q3單獨控制。

2.2.2 模式二

由主線圈回路單獨向用電設備供電。當電流互感器取電電流經(jīng)過整流濾波升壓回路輸出的電流正好和監(jiān)測設備的額定電流相等時，此時由主線圈回路單獨向監(jiān)測設備供電，此時Q3處于關斷狀態(tài)，不向儲能電池進行充電。

2.2.3 模式三

由副線圈回路并聯(lián)補償主線圈回路向用電設備供電。當經(jīng)過高壓輸電線的電流較小時，此時原邊的感應電流較小，主線圈回路感應得到的電流不足時，即檢測到的iout

2.2.4 模式四

由儲能電池單獨向用電設備供電。當有高壓線纜輸電出現(xiàn)故障時，原邊的感應電流為零，主線圈回路感應得到的電流也為零，主副線圈回路不能正常向用電設備進行供電時，儲能電池可在此時單獨向用電設備供電，以保證設備的正常使用。同時通過采樣告知MCU此時輸電線纜發(fā)生故障。

圖5 基于恒壓并聯(lián)補償?shù)碾娏骺刂品椒鞒虉DFig.5 Flowchart of current control method based on constant-voltage shunt compensation

所設計的恒壓并聯(lián)補償裝置，其關鍵在于當主線圈互感裝置檢測感應到的電流不能使監(jiān)測設備正常工作時，副回路線圈的感應電流能夠?qū)χ骶€圈回路進行恒壓補償，使得對監(jiān)測設備的供電電壓穩(wěn)定，使設備能夠穩(wěn)定工作運行。

3 實驗與仿真

3.1 實驗平臺及裝置安裝

為了驗證文中提出的恒壓并聯(lián)電流補償裝置的有效性，搭建了電磁互感自取電的補償裝置，進行實驗驗證。實驗平臺采用California Instruments(加州儀器)的可編程交流電源(RS90-3Pi)作為模擬電網(wǎng)。該裝置通過電磁互感器，將感應到的電流通過采樣芯片傳到控制電路板，通過芯片來調(diào)節(jié)MOSFET的開通和關斷，從而來完成電流補償。圖6為電磁互感自取電補償裝置的實際裝置圖。圖6中，互感器通過感應獲取流過輸電線路的電流傳送給控制電路，控制電路通過載波調(diào)制來選擇是否進行電壓補償。通過實際安裝來進行實驗驗證。

圖6 電磁互感自取電的補償裝置Fig.6 Electromagnetic mutual inductance self-pulling compensation device

3.2 模擬仿真分析

在仿真分析中，通過對監(jiān)測設備輸入端的電壓進行檢測，來判斷恒壓并聯(lián)補償裝置的輸出電壓是否穩(wěn)定。仿真實驗可發(fā)現(xiàn)恒壓并聯(lián)裝置的輸出電壓較為穩(wěn)定，紋波較小，能夠滿足后端物聯(lián)檢測裝置的供電需求。

圖7為模擬高壓線路輸出時補償后的輸出電壓波形，可發(fā)現(xiàn)當副邊線圈工作時會有一個周期左右的脈沖波動，但是在補償后逐漸趨于穩(wěn)定。圖8為副邊線圈的電流補償波形?？擅黠@發(fā)現(xiàn)在第一個周期會有一個脈沖電流對主回路線圈進行補償。

圖7 并聯(lián)裝置輸出電壓波形Fig.7 Parallel device output voltage waveform

圖8 副邊線圈的電流補償波形Fig.8 Current compensation waveform of the secondary side coil

3.3 實際安裝試運行

圖9為設備安裝在冀北電網(wǎng)高壓輸電線路上的實物圖，將電磁互感器安裝在輸電線路上，對流過的微小電流進行監(jiān)測，并傳輸給控制電路來進行實時補償及監(jiān)測。通過實際安裝使用，物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定地連續(xù)工作，表面基于本文方案的供電模塊穩(wěn)定地可靠地為物聯(lián)系統(tǒng)提供電能。

4 結論

提出了一種基于電磁互感自取電的恒壓并聯(lián)電流補償方法。通過間隙式同相繞組線圈來感應高壓輸電線纜流過的電流，主副線圈回路都利用對升壓電路進行脈沖寬度調(diào)制來使輸出電流達到用電設備的額定電流。當原邊感應電流沒有達到用電設備的額定電流時，在主線圈回路保證穩(wěn)壓的情況下，并聯(lián)一個副線圈補償電路，對主線圈回路進行電流補償，解決了主電路由于輸電線路的電流變化，導致輸出功率不足，從而使用電設備無法正常工作的問題；同時，補償電路在不對主電路進行電流補償時，可對備用電池進行充電，提高了電能的利用率，具有工程實用價值。