面向超高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備的供電系統(tǒng)改進設(shè)計

國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司鄂西北運維分部 謝 鵬 賈 翔

對于遠距離輸電而言，超高壓輸電線路易受到諸多因素影響，出現(xiàn)各類故障，嚴重時甚至會影響整個電網(wǎng)的正常運行?？紤]超高壓輸電線路所處環(huán)境具有復雜多變的特點，利用在線監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測輸電線路運行狀況，保證其運行的穩(wěn)定、安全，而可靠、穩(wěn)定、具有較強抗干擾能力的電源系統(tǒng)則是其中關(guān)鍵[1]?，F(xiàn)階段，應用于超高壓輸電線路的在線監(jiān)測設(shè)備主要有兩種供電方式--有線和無線。其中，有線方式電源體積較大、維護頻繁、安裝難度大；而無線方式雖然是通過中繼能量轉(zhuǎn)化經(jīng)隔空傳輸后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能夠在一定程度上?guī)避高壓側(cè)和低壓側(cè)之間存在的電勢差，實現(xiàn)穩(wěn)定供電，但設(shè)備安裝煩瑣、抗干擾能力較差，成本高昂，已經(jīng)難以滿足超高壓輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備的供電需求[2]。而電網(wǎng)作為一個巨大能源，其中蘊含大量諧波能量，從高壓母線中提取諧波電能，并將其轉(zhuǎn)化為可供監(jiān)測設(shè)備使用的綠色能量，可以作為向超高壓輸電線路中在線監(jiān)測設(shè)備進行供電的可靠方式，在確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對諧波能量的合理利用，契合“綠色節(jié)能”的發(fā)展理念。

1 電網(wǎng)諧波能量

可以將電網(wǎng)諧波看作是周期電氣量的正弦波分量，其頻率一般為基波的整數(shù)倍。在電網(wǎng)系統(tǒng)中“發(fā)、變、輸、配、用”各環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生諧波，有損電網(wǎng)質(zhì)量，會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成多方面的不良影響，例如致使變壓器過熱縮短壽命、致使電容器過負荷損壞、降低通信質(zhì)量、擊穿線路設(shè)備絕緣等[3]。而電網(wǎng)諧波標準則是通過兩個參數(shù)進行衡量，分別是公用電網(wǎng)諧波電壓限制及注入電網(wǎng)諧波電流，因為公用電網(wǎng)電壓等級有所差異，對諧波畸變率的允許范圍也不一致。在GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中對公用電網(wǎng)諧波電壓限制有所明確，具體見表1。

表1 不同電壓等級公用電網(wǎng)諧波畸變率允許值

2 超高壓輸電線路諧波特性分析

2.1 諧波特性理論分析

考慮電網(wǎng)中接入諸多電力電子器件，具有較大的非線性負載，存在大量諧波。尤其是整流器這一比較典型的諧波源，因其多采用移相控制，可以對缺角正弦波進行吸收，吸收過程中也留有部分缺角正弦波，致使電網(wǎng)中的電壓與電流產(chǎn)生畸變形成諧波。

選擇阻感負載的三相橋式整流電路作為案例進行分析，若電路中直流側(cè)的額濾波電感數(shù)值較大，即可不對換相過程進行考慮，設(shè)定直流側(cè)流過的是恒定電流Id，晶閘管導通時間為2π/3，各時刻都具有兩個晶閘管導通；而交流側(cè)相電流則是正負半波幅值的Id，且維持2π/3的矩形波。同時，電路中三相電流波形一致，相位差120°，由此可以利用傅里葉級數(shù)構(gòu)建矩陣得出三角波函數(shù)級數(shù)：

其中a0代表直流分量，an和bn分別代表n 次諧波余弦項系數(shù)和n 次諧波的正弦項系數(shù)。

A 相電流的傅里葉表達式如下：

由此，對基波和各次諧波電流有效值進行計算：

可見，在電路中注入電網(wǎng)電流中的諧波共有6k±1（k 為正整數(shù)）。

2.2 超高壓諧波相序特性分析

考慮線性負載的三相對稱電流中，各相電壓與電流保持相同，電流與電壓同正序相序特征相符，相位差為120°。但三相對稱電路均由非線性負載構(gòu)成時，電流會產(chǎn)生畸變，三相電流表達式如下：

當n 取值為不同參數(shù)時，諧波相序特性不同，n取6k+1時，表現(xiàn)為正序特性，A 相滯后C 相120°，超前B 相120°；而當n 取6k-1時，表現(xiàn)為負序特性，A 相超前C 相120°，滯后B 相120°。

2.3 諧波特性仿真分析

對上述舉例的阻感負載的三相橋式整流電路進行仿真模型構(gòu)建，分析接入非線性負載時的諧波波形和頻譜，以確定主要諧波分量，諧波源仿真電路如圖1所示。

圖1 諧波源仿真電路

仿真過程中，電網(wǎng)系統(tǒng)的等效阻抗RS為0.1Ω，等效電感LS為0.38mH，電網(wǎng)U0是500kV，系統(tǒng)負載為15MW 的非線性負載設(shè)備，控制角為60°。通過觀察發(fā)現(xiàn)，因非線性負載的接入，致使電壓和電流出現(xiàn)畸變，經(jīng)過對波形的傅里葉變換分析，得到如圖2所示的畸變電壓頻譜分析。

圖2 畸變電壓頻譜

由此可見，此時的電壓畸變率在17.30%，其中5、7次諧波的占比較大，11、13次諧波的占比較少，可以通過對主要諧波分量的提取，實現(xiàn)諧波能量向直流電能的轉(zhuǎn)換，從而為后級電路進行穩(wěn)定供電。

3 面向超高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備的供電系統(tǒng)改進設(shè)計

通過上述分析，可以提取主要的5、7次諧波能量，經(jīng)后級電路處理后將其轉(zhuǎn)換為直流電能提供給射頻電能發(fā)射裝置，之后射頻裝置發(fā)出信號，由輸電桿塔上安裝的射頻取電裝置接收信號并轉(zhuǎn)化為直流電能向檢測設(shè)備供電。

3.1 面向超高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括諧波提取、射頻電能發(fā)射裝置、射頻取電裝置幾部分組成。供電系統(tǒng)原理是利用電磁感應原理，通過對電網(wǎng)中電流進行耦合，借助無源濾波器和基波磁通原理連接三繞組變壓器一側(cè)和單調(diào)諧波器，耦合后的諧波流入一次側(cè)，采用滯環(huán)比較PWM 控制法進行有源補償，從而在副邊繞組生成方向相反，而大小保持一致的基波補償電流，流過變壓器之后，即可實現(xiàn)諧波能量在另一副邊繞組中的提取?；诖耍肳PT技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)諧波能量向射頻能量的轉(zhuǎn)換，跨越超高壓絕緣安全距離，利用取電裝置對射頻能量進行接收，最后將其轉(zhuǎn)換為直流電能，完成對在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定供電。整個供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測設(shè)備供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 諧波提取設(shè)計

針對諧波提取設(shè)計而言，首先利用互感器耦合電網(wǎng)電流，其中包含5、7次諧波；在二次側(cè)將5、7次單調(diào)諧回路串聯(lián)三繞組變壓器一次側(cè)，從而使5、7次諧波流經(jīng)變壓器一次側(cè)。同時，在變壓器二次繞組中流過同一次側(cè)反方向、大小相同的基波補償電流，設(shè)定鐵芯基波磁通等效為0，并且讓變壓器一次側(cè)對基波的表現(xiàn)向0趨近，從而生成樓阻抗，當變壓器一次側(cè)流過基波電流時則會具有較高的勵磁阻抗表現(xiàn)，最終于另一副邊繞組中提取諧波能量。

3.3 射頻電能發(fā)射裝置設(shè)計

在設(shè)計的供電系統(tǒng)中，射頻電能發(fā)射裝置是關(guān)鍵，決定著監(jiān)測設(shè)備供電系統(tǒng)中電能的無線傳輸距離和效率。綜合考慮射頻發(fā)電裝置的中心頻點處發(fā)射功率應相對較高，從而實現(xiàn)對射頻取電裝置的穩(wěn)定射頻供電。此部件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括電源、射頻源、核心處理器、濾波器、功率放大器、發(fā)射天線，以及連接器。為進一步縮小射頻電能發(fā)射裝置的體積，在設(shè)計過程中確定選擇集成式發(fā)射芯片，芯片中具有功率放大器、振蕩器，以及濾波器等模塊[4]。整個射頻電能發(fā)射裝置通過處理器以及發(fā)射芯片負責通信實現(xiàn)，并對頻點、功率等參數(shù)進行合理配置，待功率達到一定值后即可成功將射頻信號輻散到空中。

為更好地滿足裝置不間斷供電的需求，保證在出現(xiàn)短路故障或一次側(cè)諧波電流較小的情況時，即便在瞬間電流高達幾千安，遠超額定電流的情況下也能實現(xiàn)正常供電，必須加強對射頻電能發(fā)射裝置中互感器參數(shù)設(shè)計的重視。一方面要盡可能降低電壓死區(qū)；另一方面，應盡可能規(guī)避因電流變化幅值過大而造成的過早磁飽和，盡量減少因尖峰脈沖對后級電路造成的損害。由此，展開對副邊諧波提取繞組的特殊設(shè)計，對其進行開隙設(shè)計，并將感應線圈的鐵芯確定為納米晶材料，再經(jīng)過沖擊保護、能量釋放、整流濾波，以及DC-DC 轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)諧波向直流電能的轉(zhuǎn)化。

3.4 射頻取電裝置設(shè)計

在設(shè)計過程中，射頻取電裝置是其能源來源，為確保滿足設(shè)備正常運行狀態(tài)對功率的需求，需要保證取電裝置在中心頻點處的轉(zhuǎn)換效率較高，可以提供穩(wěn)定性更強的直流電能，射頻取電裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 射頻取電裝置結(jié)構(gòu)圖

對于射頻取電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，其中主要包括阻抗匹配、接收天線、負載電路和整流倍壓。射頻取電裝置中，接收天線接收由射頻電能發(fā)射裝置輻散至空中的射頻信號，主要為固定中心頻點處的信號，之后以最大轉(zhuǎn)換效率，使射頻信號經(jīng)過阻抗匹配電路傳遞至后級整流倍壓電路，經(jīng)過電能轉(zhuǎn)化作為可靠供電使用。

4 結(jié)語

本文主要對面向超高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備的供電系統(tǒng)進行改進設(shè)計，采用WPT 技術(shù)將輸電線路中存在的諧波能量轉(zhuǎn)化為監(jiān)測設(shè)備的電能來源，對供電系統(tǒng)改進方案進行電路設(shè)計與原理分析。仿真模型結(jié)果證明，所提出的設(shè)計具有一定的正確性和可行性，具備推廣應用價值。