一种应用于电流互感器的利用单相AC/DC整流电路实现电子负载功能的控制方法与流程

本发明涉及特种电源供能领域，具体为一种应用于电流互感器的利用单相ac/dc整流电路实现电子负载功能的控制方法。

背景技术：

高压输电线路是连接各个地区的经脉，其安全稳定运行是建设坚强智能电网的重要一环，建设基于传感网络的智能电网输电线路在线监测系统也是构建泛在电力物联网的重要环节，但高压输电线路通常直接暴露在野外，分布范围广，线路距离长，为确保输电线路稳定运行给输电线路监测设备及传感器提供稳定的能源成了当前需要解决的重要问题。

现有为高压输电线路监测设备供能的方法主要有四种：(1)蓄电池供电。因蓄电池占用体积过大且循环寿命有限需频繁更换，不便于在野外为高压输电线路监控设备供电。(2)太阳能蓄电池组合供能。利用光伏效应将太阳能转换为电能并用蓄电池储存，此类方法成本低，易于实现，但也有明显的缺点，电源不能在无光条件下长时间使用。(3)激光供能。采用激光从地面低电位侧通过光纤将光能传送到高电位侧，再由光电转换器件(光电池)将光能量转换成为电能量，再经过dc-dc变换后，提供稳定的电压输出。随着电子器件尤其是光电池、大功率半导体激光二极管和高效率单片集成dc-dc变换器的广泛应用，这种供电方式在实际使用中越来越可靠。这种方式的突出优点是因为激光二极管里面都有一个光探测器，根据光探测器给出的光电流反馈控制激光器的电流，保证了自动功率控制，从而能使其恒功工作(主要是保证一定变温条件下恒功)，所以输出光源功率比较稳定，通过光电池转换电能得到的电源纹波小，噪声低，而且也不易受到外界杂散光源和电路负载变化的影响。(4)分压电容供能。利用高压输电线路和均压环的对地分布电容获取能量，需隔离电路,增加了电路复杂性，并且受湿度，温度影响输出功率有限。电流互感器(ct)为高压侧设备供能因其能量采集的适应性强、使用寿命长、维护简便而备受关注。为了提供足够的能量，应用了与取电线圈的自感应谐振的串联补偿电容。然而，在这种情况下，容易发生过电压现象，并且在大范围导线电流变化下难以提供稳定的输出功率。

技术实现要素：

本发明针对现有为高压输电线路监控设备及传感器供电电源的功率不足、运行可靠性较差、运行环境要求高等缺点，设计了一种应用于电流互感器的利用单相ac/dc整流电路实现电子负载功能的控制方法，采用感应取电原理使供电电源的供电可靠性提高，受环境影响较低，利用磁耦合谐振原理提高了取电功率，可以满足大部分高压输电线路监控设备和传感器的供电要求。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种应用于电流互感器的利用单相ac/dc整流电路实现电子负载功能的控制方法，单相ac/dc整流电路包括电流互感器、单相整流电路和直流滤波电容，电流互感器的二次侧输出端和单相整流电路的交流侧连接，单相整流电路的直流侧连接直流滤波电容并作为装置的输出端，电流互感器的二次侧输出端连接单相整流电路相当于在二次侧并联等效可调电子负载z0，电流互感器二次侧实测功率式中i1为电流互感器一次侧电流，rδ为带气隙铁芯磁阻，ω为输电线路角频率，n2为二次绕组匝数，z0为二次侧可调电子负载阻抗，z0＝r0+jx0。

该控制方法具体包括以下步骤：

(1)检测单相整流电路输出电压udc与输入电流iac；

(2)将电流互感器二次侧实测功率p与电流互感器二次侧需要获取的目标功率p1相比较；

(3)若p＜p1，此时通过调节可调电子负载z0变为容性，减少励磁电感的分流作用，以增加二次侧的输出功率，具体调节步骤如下；

(31)将参考直流电压信号与单相整流电路输出电压udc相减的电压误差信号送入pi控制器获得参考交流电流幅值

(32)检测单相整流电路输入电压uac，uac通过锁相环获得参考电流相位；

(33)将参考交流电流幅值与参考电流相位相乘获得参考电流

(34)将参考电流与输入电流iac相减获得交流电流误差信号；

(35)将交流电流误差信号送入准pr控制器；

(36)将准pr控制器的输出作为pwm发生器的调制波，送入pwm发生器，产生四路信号，分别控制单相整流电路四个开关管。

(4)若p≥p1，通过调节可调电子负载z0为感性，增加对二次侧负载的分流作用，减少励磁电流，使铁芯工作在线性区，具体调节步骤如下；

(41)设目标功率p1与电流互感器二次侧实测功率p相等，因此根据实测功率p(有功功率)与系统实测的复功率求出无功电流iq；

(42)将参考直流电压信号与单相整流电路输出电压udc相减的电压误差信号送入pi控制器获得参考交流电流幅值

(43)检测单相整流电路输入电压uac，uac通过锁相环获得参考电流相位；

(44)将参考交流电流幅值与参考电流相位相乘获得参考电流

(44)将参考电流与输入电流iac、无功电流iq相减获得交流电流误差信号；

(45)将交流电流误差信号送入准pr控制器；

(46)将准pr控制器的输出作为pwm发生器的调制波，送入pwm发生器，产生四路信号，分别控制单相整流电路四个开关管。

上述的一种应用于电流互感器的利用单相ac/dc整流电路实现电子负载功能的控制方法，步骤(32)锁相环获得的参考电流相位与电压相位同相时，电流互感器励磁阻抗与可调电子负载达到并联谐振状态，流过负载的电流达到最大，电流互感器工作在获取最大功率方式。

上述的一种基于电流互感器的感应取电装置，电流互感器铁芯选用材料为铁基纳米晶合金。

与现有研究相比，本发明所具有的有益效果如下：

(1)相对于传统方法，本发明所用的电流互感器控制方法可以提高电流互感器的取能功率，为高压输电线路监控设备及传感器提供稳定的能量。

(2)本发明所用方法可以在一次侧电流低于阈值下限时(p＜p1)，将通过调节单相整流器实现电子负载功能，电子负载与取能ct的激磁阻抗发生并联谐振，此时取能ct工作在获取最大功率方式，减小了电流互感器因励磁电感而产生的无功损耗；在一次侧电流高于阈值上限时(p≥p1)，将调节电子负载为感性，抑制取能ct铁芯磁路过早发生饱和，提高了一次侧电流阈值上限。

(3)本发明相对于传统方法可以使电流互感器取能系统在只有一级ac/dc时取得较大的功率及稳定的直流电压，省去了传统方法的后级dc/dc电路，减小了设备体积和成本。

附图说明

图1是本发明所涉及的电流互感器取能模型原理图。

图2是本发明所涉及的电流互感器简化电路图。

图3是本发明所涉及的取电线圈负载相量图。

图4是本发明所涉及的电子负载输出特性图。

图5是本发明所涉及的整流电路原理图。

图6是本发明所涉及的电子负载控制原理图。

图7是本发明所涉及的准pr传递函数伯德图。

图8是本发明所涉及的电子负载实验验证图。

图9是本发明所涉及的典型电流互感器取能时的直流电压。

图10是本发明所涉及的电子负载完全补偿励磁阻抗状态图。

图11是本发明所涉及的电流互感器并联电子负载时直流电压输出图。

具体实施方式

如图1所示，电流互感器由开气隙的两个半圆铁芯组成，为降低铁芯铁耗，铁芯选用材料为铁基纳米晶合金(fe73.5cunb3si13.5b9)，n1为一次侧线圈匝数(原边绕组匝数为1匝)，n2为二次侧绕组匝数，z0为可调电子负载，由单相整流电路等效而来，单相整流电路选用vsr电路。

电流互感器简化电路如图2所示，电流互感器工作时因原边匝数n1＝1，一次电压与阻抗很小，所以对电路压降影响可忽略。

如图3所示，通过对电流互感器简化电路图分析建立了取电线圈负载相量图。

图4为电子负载输出特性图。如图4所示，通过可调对电子负载z0的输出特性分析可以得知:

(1)电流互感器二次侧与无并联电子负载z0的情况相比，调节电子负载为容性，在一定范围内可以增强二次侧电动势当调节可调电子负载为感性时会减弱

(2)一次侧电流较小时(p＜p1)，通过调节电子负载z0变为容性，减少励磁电感lm的分流作用以增加二次侧的输出功率，当时，励磁阻抗与电子负载达到并联谐振状态，流过负载的电流达到最大。

(3)一次侧电流过大时(p≥p1)，铁芯饱和，二次侧电压出现尖峰波形失真，导致铁芯发热严重时烧毁电路二次侧电压，为避免铁芯饱和使铁芯处于线性区内，二次侧电压e2应满足e2<e2m＝4.44fn2bms(bm为铁芯饱和磁通密度)，可以通过调节电子负载为感性，增加对后级负载的分流作用，减少励磁电流im使铁芯工作在线性区。

通过分析得出可调电子负载的两种工作状态：

⑴在一次侧电流过小时为使二次侧获得足够的输出功率，通过调节电子负载为容性以增加二次侧输出功率。

⑵在一次侧电流过大时为避免铁芯饱和，减少二次侧的输出功率，通过调节电子负载为感性，以使铁芯工作在线性区，为二次侧负载提供稳定的输出功率。

一次侧电流可以由rogowski线圈测得由此可以计算出可调电子负载变化的精确值。

图5为整流电路原理图。如图5所示，单相vsr整流电路采用单极型正弦脉宽调制(spwm)，以降低ct二次侧的谐波含量，获得高品质的输出波形。

如图6所示，单相单极型vsr控制方法采用电压外环，电流内环的双闭环控制。双闭环控制具有结构简单、控制性能优良等特点。采集输出电压udc与输入电流iac为被控对象。通过电压外环实现稳压输出，通过电流内环实现参考电流的跟踪。电压外环采用pi控制，通过将电压误差信号送入pi控制器，实现对直流参考电压的无静差跟踪。锁相环通过控制参考电流相位，实现电子负载模拟阻抗性质的目标。电流内环采用准比例谐振控制器qpr(quasiproportionalresonant)，通过将电流误差信号送入准pr控制器，实现对交流参考电流的无静差跟踪。准pr控制器的输出作为pwm发生器的调制波，送入spwm波发生器，产生四路信号，分别控制vsr电路四个开关管，实现目标阻抗的模拟。

图7为准pr传递函数伯德图所示，系统在电网角频率ω＝100π处获得最大增益，并在一定频率波动范围内也能获得较大增益，表明系统具有较高的稳定性，具有一定抗电网频率干扰的能力。

图8为电子负载实验验证，(a)模拟10mh感性负载，(b)模拟500μf容性负载。

典型电流互感器取能时波形如图9所示，此时i1为41.92a，直流输出电压为9.43v。

图10为电子负载完全补偿励磁阻抗状态图，此时i1为36.67a，电子负载完全补偿，直流侧电压升高到20v，是没有电子负载时的2倍，功率上升4倍达到9w。

当一次侧电流i1较大时并联电子负载，可以调节二次侧输出功率，如图11所示，(a)图i1为102a，电子负载模拟感性负载降低输出功率，直流输出电压为20.414v。(b)图i1为173a，直流输出电压为21.324v，震荡幅值不超过10％。为直流侧负载提供稳定的9w输出功率。