一种基于开关电容模式的高压交变电场取能系统

1.本发明属于电力系统在线监测领域，涉及一种基于开关电容模式的高压交变电场取能系统。


背景技术：

2.随着智能电网在线监测技术的发展，当需要对电力系统中的高电位端设备进行监测时，如何解决监控前端的设备供电问题成为一个技术难点。利用高压输电线路交变电场以及对地分布电容直接对取能电容进行充电，由于其电源转换效率过低，电源所提供的功率无法满足对有关监测信号的实时采集和传输任务，而如将取能电容及其控制单元直接串联以提高其取能功率，则会造成控制系统体积、功耗的增加，而且会由于系统复杂性的提高而降低电源系统的可靠性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于开关电容模式的高压交变电场取能系统，该系统的可靠性较高。
4.为达到上述目的，本发明所述的基于开关电容模式的高压交变电场取能系统包括高压导体、高压整流单元、储能电容、续流二极管、启动电阻、前级电感、开关晶体管、第一二极管、第二二极管、输出电容、驱动电容、驱动电阻及串并联电容支路；
5.高压导体与高压整流单元的第一输入端相连接，高压整流单元的正输出端与储能电容的一端、启动电阻的一端、续流二极管的负极及前级电感中主绕组的一端相连接，前级电感中主绕组的另一端与开关晶体管的一端、第一二极管的正极及第二二极管的负极相连接，第二二极管的正极与输出电容的一端相连接，输出电容的另一端及第一二极管的负极与串并联电容支路相连接，前级电感中驱动绕组的同名端经驱动电容及驱动电阻与开关晶体管的驱动端相连接，启动电阻的另一端与开关晶体管的驱动端相连接，储能电容的另一端、续流二极管的正极、开关晶体管的另一端以及前级电感中驱动绕组的非同名端均接地。
6.高压整流单元包括整流桥及电容；
7.高压导体与整流桥的第一输入端相连接，整流桥的第二输入端经接地分布电容接大地，整流桥的正输出端与储能电容、启动电阻、续流二极管及前级电感中的主绕组相连接。
8.所述前级电感包括磁芯以及缠绕于磁芯上的主绕组和驱动绕组。
9.本发明具有以下有益效果：
10.本发明所述的基于开关电容模式的高压交变电场取能系统在具体操作时，开关晶体管无须承受反激电压，因此可以极大提高电源允许的最高输入电压，从而提高其输入功率。在开关电容模式下，电压变换通过电路拓扑的转换实现，无须变压器参与，因此可以减小损耗提高电源效率。同时需要说明的是，电源的控制以及调节采用自激方式，无须复杂的控制电路及元器件，以简化电源系统的设计，提高电源系统的可靠性。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
12.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
13.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
14.参考图1，本发明所述的基于开关电容模式的高压交变电场取能系统包括高压导体、整流桥b、电容cg、储能电容cin、续流二极管d1、启动电阻rs、前级电感l、开关晶体管q、第一二极管d2、第二二极管d3、输出电容co、驱动电容cb、驱动电阻rb及串并联电容支路；
15.高压导体与整流桥b的第一输入端相连接，整流桥b的第二输入端经电容cg后接地，整流桥b的正输出端与储能电容cin的一端、启动电阻rs的一端、续流二极管d1的负极及前级电感l中主绕组的一端相连接，前级电感l中主绕组的另一端与开关晶体管q的一端、第一二极管d2的正极及第二二极管d3的负极相连接，第二二极管d3的正极与输出电容co的一端相连接，输出电容co的另一端及第一二极管d2的负极与串并联电容支路相连接，前级电感l中驱动绕组的同名端经驱动电容cb及驱动电阻rb与开关晶体管q的驱动端相连接，启动电阻rs的另一端与开关晶体管q的驱动端相连接，储能电容cin的另一端、续流二极管d1的正极、开关晶体管q的另一端以及前级电感l中驱动绕组的非同名端均接地。
16.串并联电容支路由n个电容以及2n-2个并联支路二极管构成，并联模式的连接方式为：除第1个及第n个并联支路外，第2个到第n-1个并联支路均由1个电容及两个二极管串联而成：两个二极管分别位于支路电容的上下端，上端二极管的正极与支路电容的高压端连接，上端二极管的负极接回路的并联高压端h；其支路电容下端二极管的负极与各支路电容的低压端连接，正极并接后接电源地。
17.对于第1个及第n个并联支路，均由1个电容及1个并联支路二极管串联而成：第1并联支路的电容高压端接h，其低压端接二极管的负极，二极管的正极接电源地；第n并联支路的电容高压端接二极管的正极，该二极管的负极接h，支路电容的低压端接电源地。
18.串并联支路的串联模式连接为：在并联模式的连接方式的基础上增加n-1个串连二极管，按照由第1至第n支路的顺序，前一支路电容的低压端接串联二极管的正极，再串联二极管的k级接后一支路电容的高压端；开关晶体管q的集电极接高压二极管的正极，二极管的负极接串并联支路的h点。
19.本发明的具体工作过程为：
20.高压导体经整流桥b对储能电容cin进行充电，通过增加电容cg以提高取能电源的输入功率，在实际应用中，可适当增加与整流桥b的第二输入端相连接的对地电极面积。
21.串并联电容支路的电容之间通过二极管构成串连充电以及并联放电回路，以电容的3串、3并为例进行说明，如图1所示，其中，串连充电路径为ch1，并联放电路径为ch2。
22.电源启动过程为：初始状态下，开关晶体管q截止，高压导体通过整流桥b向储能电容cin充电，当储能电容cin的电压达到启动阈值时，经启动电阻rs向开关晶体管q的驱动端注入电流，导致开关晶体管q导通，此时按照图1中同名端所示，驱动绕组产生正向电压，所述正向电压为正反馈电压，通过驱动电阻rb及驱动电容cb加载于开关晶体管q驱动端，促使开关晶体管q进一步饱和导通。
23.上述过程，前级电感l中主绕组的电流逐步增加并达到最大过程，以完成电感储能，而另一方面，由于开关晶体管q的导通，电路中a点的电位被拉低至电源地，导致后级电路开始并联放电，如图1中ch2回路所示，通过放电过程实现对输出电容co的充电，本发明中，并联放电电压为充电电压的1/3。
24.当驱动电流越过峰值后开始减小时，前级电感l中主绕组的电流随之减小，驱动绕组产生反向电压，所述反向电压促使开关晶体管q的驱动电流迅速归零，开关晶体管q迅速截止。当开关晶体管q截止，前级电感l的极性反转，电路中的a点恢复为高电位，因此第一二极管d2截止，通过ch2回路的并联放电过程随之结束，前级电感l所储存能量通过续流二极管d1及第一二极管d2向串并联支路串联充电，如图1中的ch1通道所示。
25.随着电感能量的释放以及后级串联充电电压的上升，所述串联充电电流逐渐减小为0，为电源的再次启动做好准备。