配電網中取能電源設計

(1.山東現代學院 山東 濟南 270200；2.山東德輝光伏科技有限公司 山東 棗莊 277300)

配電網中取能電源設計

宋嬌1孟德奇2

(1.山東現代學院山東濟南270200；2.山東德輝光伏科技有限公司山東棗莊277300)

目前，國內的各行業發展迅速，其中電力行業在國內各行業中的地位至關重要，是國民經濟發展的必要基礎和良好保證。縱觀國內外電力行業的發展，火力發電占到很大的比例。從國內看，在全部的發電量中火力發電能夠占到80%以上，而且多采用集中發電的形式。火力發電排放大量的溫室氣體，對環境有很大的影響；集中供電方式有大規模停電的風險性，這些都會給有關國家和地區造成巨大的損失[1]。如1999年紐約因持續的高溫停電19個小時；2003年美國東北部大規模停電給這個區域所造成約60億美元的經濟損失，五千萬人因此受到影響[2]；2012年，印度九個邦電網崩潰，大面積停電造成了大規模的交通癱瘓、居民用水困難；由于沒有完善的監測、控制設備，集中發電形勢下的大規模停電一旦發生帶來的損失就很巨大。這樣的實例還有很多，所有這些都充分暴露了大型互聯同步電網的脆弱性，牽一發而動全身。集中式的發電、單一的供電途徑以及缺少有效地監測智能設備等一系列的原因使得目前的電網模式不能很好地滿足對于電網提出的安全、高效、可靠、自恢復性等要求，建設更加穩定、高質的電網還有一段路程要探索。在改善原有電網運行模式的研究上，美國、加拿大以及歐洲各國等都進行了各種研究，全美第一個智能電網城市在美國科羅拉多州波爾得市成功建立，法國也將普通電表更新為智能電表[3]。我國也提出“以特高壓電網為骨干網絡、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、互動化為特征的統一堅強智能化電網[1]。”隨著電力體系的改革和堅強電網的建設，智能電網必將成為我國電網的一個發展方向[4]。

智能電網要求能更好的實時監測、管理電網的運行情況，各種智能元件設備應運而生。通常智能元件要求的電壓不高，采用低壓直流供電，而且要求具有較高的穩定性和絕緣性，如配電網供電線路中故障檢測定位裝置，高壓開關柜測溫系統，電力參數監測系統，電子式電流互感器，導線溫度監測裝置等。這些設備目前多采用電池供電，這樣的方式供電時間有限，對裝置的功率限制較大，不利于設備大范圍的使用。同時在野外、山區等偏僻、交通不便的地方，線路電池更換不便。因此，設計一種能代替電池、在與一次系統保持很好的電氣隔離的情況下從一次側獲取能量的電源成為智能電網發展的需求。

電流互感器能夠將一次側的大電流、高電壓轉換為小電流、低電壓，供計量與繼電保護所用，同時一次側與二次側有很好的電氣隔離，利用這一特征設計取能電源。配電網中線路電流變化范圍較大，設計取能電源能夠在這樣的變化下正常工作，經過取能、沖擊保護、整流濾波以及DC/DC轉換等部分最終實現電源的設計。此外，考慮到線路發生短路或者雷擊時的線路電流會很大，設計補償線圈實現線圈能量抵消或者泄放。當一次側電流很小時，電流互感器能量獲取不足，采用無線方式實現能量獲取。

根據電流互感器取能的原理，完成對電流互感器的鐵芯進行設計，包括鐵芯材料的對比選擇，截面積、內外徑的計算、氣隙設計等。根據互感器原理計算二次側線圈匝數，設計前端沖擊保護電路、整流濾波電路、DC/DC轉換電路。同時確定補償線圈的投入點，選擇簡單易行的方式投入補償線圈。完成無線取能電源的設計，首先采用諧振耦合的方式實現能量的無線傳輸，該部分需要設計能量發射電路和能量接收電路。最終選擇合適的切換點及切換方式，實現一次側電流變化時取能裝置三種工作模式之間的正常切換。

裝置的設計分為以下幾個部分：第一部分是獲取能量，采用電流互感器從線路取能，同時利用無線取能的方式較好的解決一次側線路電流較小時能量獲取的難點。該部分主要研究內容為電流互感器的設計、處理電路的搭建及無線取能電路的設計。其中，互感器鐵芯材料選擇、鐵芯形狀設計、電路參數計算、電路整體設計及布線格局等問題是該部分的重點問題，需要實現整個裝置有較小的啟動電流，較好的實現技術要求；第二部分是電源的保護、整流濾波部分，該部分需設置雷電沖擊防護裝置以保證線路大電流時裝置的正常運行。此外，整流濾波部分能將獲得的交流電能轉換為穩定的直流電源；第三部分為電源轉換模塊，將電源轉換為負載適用的電壓等級，滿足負載對電壓的要求；第四部分是模式切換部分，主要解決不同取能方式之間的切換問題：線路電流很小時，通過合理的切換裝置投入無線取能部分，保證電源在此時的正常供電；在母線短路或者電流很大時有較好的措施保護電源裝置的安全、穩定運行，該設計采用補償線圈方式，在母線電流較大時抵消掉一部分能量來保證電流較大時的正常運行。該裝置的結構框圖如圖1示。

圖1 取能電源結構框圖

裝置分三種工作模式，在一次側線路電流不同的情況下使用不同的工作模式。正常范圍工作模式：當一次側電流在20-800A的正常范圍時通過電流互感器取能，獲取能量后經過沖擊保護、整流、濾波獲得穩定的直流，之后采用電源轉換獲取3.3及5V的電壓，實現對后續電路供能。

本設計采用電流互感器等方式實現現場取能，能很好的解決故障監測裝置、高壓開關柜溫度監測系統等的供能問題，代替電池的使用，有廣泛的應用空間。這樣的方式從現場取能，能很好的增大裝置的使用年限同時解決因電池功率限制導致的一系列問題，對于各種智能設備的廣泛使用有很好的技術支持作用，也將成為配電網不斷發展的必然趨勢。另外從經濟效益上講，取能電源的能量來自于一次側感應出的磁場，這部分能量不需要額外費用，減少了電池的費用支出。電源的成功設計能代替鋰電池的使用，在環境的保護上具有很大的進步意義。最終，裝置實現長期穩定地對智能設備供能，使得各種檢測設備、控制設備等能很好的實時反映現場動態情況，及時發現問題避免大規模的停電，從而減少經濟損失及停電給消費者帶來的不便。推動實現生產的安全、高效，促進智能設備的廣泛使用，推進智能電網的建設及電力事業的不斷發展。

[1]牛朋超,康積濤,李愛武等.智能電網開啟電網運行新形式[J].電力系統保護與控制,2010,38(19):240-243.

[2]余貽鑫,欒文鵬.智能電網的基本概念[J].天津大學學報,2011,44(5):377-384.

[3]張文亮,劉壯志,王明俊等.智能電網的研究進展及發展趨勢[J].電網技術,2009,33(13):1-11.

[4]李興源,魏巍,王渝紅等.堅強智能電網發展技術的研究[J].電力系統保護與控制,2009,37(17):1-7.

宋嬌(1988-)，女，漢族，山東泰安，碩士研究生，山東現代學院，研究方向電氣工程自動化，控制理論，電路分析，電工電子技術以及配電網設備研究；孟德奇(1989-)，男，漢族，山東棗莊，本科，山東德輝光伏科技有限公司，研究方向太陽能發電，逆變器、最大效率跟蹤，新能源市場開發及拓展。