配电网中取能电源设计

(1.山东现代学院 山东 济南 270200；2.山东德辉光伏科技有限公司 山东 枣庄 277300)

配电网中取能电源设计

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(1.山东现代学院山东济南270200；2.山东德辉光伏科技有限公司山东枣庄277300)

目前，国内的各行业发展迅速，其中电力行业在国内各行业中的地位至关重要，是国民经济发展的必要基础和良好保证。纵观国内外电力行业的发展，火力发电占到很大的比例。从国内看，在全部的发电量中火力发电能够占到80%以上，而且多采用集中发电的形式。火力发电排放大量的温室气体，对环境有很大的影响；集中供电方式有大规模停电的风险性，这些都会给有关国家和地区造成巨大的损失[1]。如1999年纽约因持续的高温停电19个小时；2003年美国东北部大规模停电给这个区域所造成约60亿美元的经济损失，五千万人因此受到影响[2]；2012年，印度九个邦电网崩溃，大面积停电造成了大规模的交通瘫痪、居民用水困难；由于没有完善的监测、控制设备，集中发电形势下的大规模停电一旦发生带来的损失就很巨大。这样的实例还有很多，所有这些都充分暴露了大型互联同步电网的脆弱性，牵一发而动全身。集中式的发电、单一的供电途径以及缺少有效地监测智能设备等一系列的原因使得目前的电网模式不能很好地满足对于电网提出的安全、高效、可靠、自恢复性等要求，建设更加稳定、高质的电网还有一段路程要探索。在改善原有电网运行模式的研究上，美国、加拿大以及欧洲各国等都进行了各种研究，全美第一个智能电网城市在美国科罗拉多州波尔得市成功建立，法国也将普通电表更新为智能电表[3]。我国也提出“以特高压电网为骨干网络、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网[1]。”随着电力体系的改革和坚强电网的建设，智能电网必将成为我国电网的一个发展方向[4]。

智能电网要求能更好的实时监测、管理电网的运行情况，各种智能元件设备应运而生。通常智能元件要求的电压不高，采用低压直流供电，而且要求具有较高的稳定性和绝缘性，如配电网供电线路中故障检测定位装置，高压开关柜测温系统，电力参数监测系统，电子式电流互感器，导线温度监测装置等。这些设备目前多采用电池供电，这样的方式供电时间有限，对装置的功率限制较大，不利于设备大范围的使用。同时在野外、山区等偏僻、交通不便的地方，线路电池更换不便。因此，设计一种能代替电池、在与一次系统保持很好的电气隔离的情况下从一次侧获取能量的电源成为智能电网发展的需求。

电流互感器能够将一次侧的大电流、高电压转换为小电流、低电压，供计量与继电保护所用，同时一次侧与二次侧有很好的电气隔离，利用这一特征设计取能电源。配电网中线路电流变化范围较大，设计取能电源能够在这样的变化下正常工作，经过取能、冲击保护、整流滤波以及DC/DC转换等部分最终实现电源的设计。此外，考虑到线路发生短路或者雷击时的线路电流会很大，设计补偿线圈实现线圈能量抵消或者泄放。当一次侧电流很小时，电流互感器能量获取不足，采用无线方式实现能量获取。

根据电流互感器取能的原理，完成对电流互感器的铁芯进行设计，包括铁芯材料的对比选择，截面积、内外径的计算、气隙设计等。根据互感器原理计算二次侧线圈匝数，设计前端冲击保护电路、整流滤波电路、DC/DC转换电路。同时确定补偿线圈的投入点，选择简单易行的方式投入补偿线圈。完成无线取能电源的设计，首先采用谐振耦合的方式实现能量的无线传输，该部分需要设计能量发射电路和能量接收电路。最终选择合适的切换点及切换方式，实现一次侧电流变化时取能装置三种工作模式之间的正常切换。

装置的设计分为以下几个部分：第一部分是获取能量，采用电流互感器从线路取能，同时利用无线取能的方式较好的解决一次侧线路电流较小时能量获取的难点。该部分主要研究内容为电流互感器的设计、处理电路的搭建及无线取能电路的设计。其中，互感器铁芯材料选择、铁芯形状设计、电路参数计算、电路整体设计及布线格局等问题是该部分的重点问题，需要实现整个装置有较小的启动电流，较好的实现技术要求；第二部分是电源的保护、整流滤波部分，该部分需设置雷电冲击防护装置以保证线路大电流时装置的正常运行。此外，整流滤波部分能将获得的交流电能转换为稳定的直流电源；第三部分为电源转换模块，将电源转换为负载适用的电压等级，满足负载对电压的要求；第四部分是模式切换部分，主要解决不同取能方式之间的切换问题：线路电流很小时，通过合理的切换装置投入无线取能部分，保证电源在此时的正常供电；在母线短路或者电流很大时有较好的措施保护电源装置的安全、稳定运行，该设计采用补偿线圈方式，在母线电流较大时抵消掉一部分能量来保证电流较大时的正常运行。该装置的结构框图如图1示。

图1 取能电源结构框图

装置分三种工作模式，在一次侧线路电流不同的情况下使用不同的工作模式。正常范围工作模式：当一次侧电流在20-800A的正常范围时通过电流互感器取能，获取能量后经过冲击保护、整流、滤波获得稳定的直流，之后采用电源转换获取3.3及5V的电压，实现对后续电路供能。

本设计采用电流互感器等方式实现现场取能，能很好的解决故障监测装置、高压开关柜温度监测系统等的供能问题，代替电池的使用，有广泛的应用空间。这样的方式从现场取能，能很好的增大装置的使用年限同时解决因电池功率限制导致的一系列问题，对于各种智能设备的广泛使用有很好的技术支持作用，也将成为配电网不断发展的必然趋势。另外从经济效益上讲，取能电源的能量来自于一次侧感应出的磁场，这部分能量不需要额外费用，减少了电池的费用支出。电源的成功设计能代替锂电池的使用，在环境的保护上具有很大的进步意义。最终，装置实现长期稳定地对智能设备供能，使得各种检测设备、控制设备等能很好的实时反映现场动态情况，及时发现问题避免大规模的停电，从而减少经济损失及停电给消费者带来的不便。推动实现生产的安全、高效，促进智能设备的广泛使用，推进智能电网的建设及电力事业的不断发展。

[1]牛朋超,康积涛,李爱武等.智能电网开启电网运行新形式[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):240-243.

[2]余贻鑫,栾文鹏.智能电网的基本概念[J].天津大学学报,2011,44(5):377-384.

[3]张文亮,刘壮志,王明俊等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1-11.

[4]李兴源,魏巍,王渝红等.坚强智能电网发展技术的研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(17):1-7.

宋娇(1988-)，女，汉族，山东泰安，硕士研究生，山东现代学院，研究方向电气工程自动化，控制理论，电路分析，电工电子技术以及配电网设备研究；孟德奇(1989-)，男，汉族，山东枣庄，本科，山东德辉光伏科技有限公司，研究方向太阳能发电，逆变器、最大效率跟踪，新能源市场开发及拓展。