电力系统电气设备自供电技术探讨

任小明 ，范兴明 ，胡秋生 ，张 鑫

（1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004；2.无锡市锡山湖光电器有限公司，江苏 无锡 214135）

0 引言

近年来，随着智能电网技术的不断发展，数字化在线监测技术在电力设备中的应用日益普遍，而在线监测设备必须解决的一个难点是电源供电问题，因此，电源设计成为了关注的焦点［1］。

目前主流的自供电方式有TA供能、激光供能、光伏电池供能、超声波供能、电容分压供能以及微波辐射式供能等［2-4］。激光供能输出精度高、供能稳定，但成本较高［5］；光伏电池是一种可再生能源，不产生温室气体，但易受外界环境的影响，不能实现持续供能［6］；超声波供能与激光供能较为安全可靠，但设备成本较高，并且超声波—电能的转换率较低；电容分压供能由于缺少电气隔离，存在一定的安全隐患［7］；微波供能能够实现远距离无线输电，定向性好，但传输效率低，并且成本较高。鉴于此，对上述自供电方式进行总结，分析各取电方式的特点及其应用，结合存在的问题分别对其应用前景进行展望。

1 基本结构与工作原理分析

1.1 TA供能

TA供能的基本结构原理如图1所示，主要包括取电部分、电能处理部分、储能与保护部分。其中，取电部分由专用电流互感器组成；电能处理部分由整流、阻容分压、滤波以及稳压电路组成；储能与保护部分由泄放电路以及储能电容组成。

图1 TA供能基本结构原理

TA供能的工作原理是，根据电磁感应原理，通过专用TA从一次母线感应电能，经过桥式整流电路整流、阻容分压电路分压后，由于输出的直流电含有较大的交流成分，达不到电路供电的要求，因此需要滤波电路滤波，最后由稳压电路处理后，为终端设备输出稳定的直流电［8］。

分压电容的作用是将电流转换为电压，并防止电压突变，吸收尖峰电压，为电力设备供能。电流泄放电路由微控制器控制，当电路能量过盛时，微控制器控制电流泄放电路泄放能量，使输出电压维持稳定［9］。

1.2 激光供能

激光供能的基本结构原理如图2所示。激光供能装置主要由电源部分、采集信号的高压侧、信号处理和显示的低压侧以及信号传输部分组成［10］。其中，电源部分由高压母线、Rogowski线圈组成；高压侧由DC／DC变换器、光电转换器、光电池（PD）、模拟信号处理电路、A／D转换器和电光转换电路 （LED）组成［11］；传输部分由光纤与绝缘子组成；低压侧由激光

图2 激光供能基本结构原理

式中：Pt为发射端的输出电能；Pr为接收端接收的电能；ηe-o、ηo-e分别为激光器电光转换效率与光电转换效率；ηt、ηr分别为天线的发射效率与接收效率；ηtf为激光在空间的传输效率。

根据式（1），通常选用高效的器件来实现每个环节的优化设计，从而提高整个系统的传输效率。

1.3 光伏电池供能

光伏电池供能的基本结构原理如图3所示。该装置主要由光伏电池阵列、控制单元、电能变换部分、汇流箱以及储能部分组成。二极管电源、激光二极管（LD）和信号处理电路组成。

激光供能的工作原理是，借助光纤将激光从低压侧传递到高压侧，通过光电转换器将光能转换为电能，经直流变换器处理后输出供高压端信号处理电路与后级的电子线路使用的电压［12］。高压端模拟信号处理电路将Rogowski线圈输出的电流信号处理成电压信号，经A／D转换后，由数据发送部分将电信号转换为光信号，借助光纤发送到低压端，低压端的数据接收部分将接收的光信号转换为电信号，经DSP处理后分别向PC机与D／A转换器输出信号。

从效率角度对激光供能的传输效率进行分析，激光供能系统的总传输效率［13］为

图3 光伏电池供能基本结构原理

光伏电池供能的工作原理是，光照充足时，根据光电效应将光能转换为电能，当输出接直流负载时，经DC／DC变换向负载供能，多余的能量被存储至蓄电池组；当输出接交流负载时，控制单元控制汇流箱的直流电，经DC／AC变换后供负载使用。光照不足时，由蓄电池组向负载供能［14］。其中，控制单元的能量由蓄电池组提供。

光伏电池是光伏电池供能的核心部分，其转换效率为

式中：Pout为输出功率；Pin为电池表面光照功率；FF为填充因子；Voc与JSC分别为开路电压和短路电流。为了提高光电转换效率，通常的做法有：将光伏电池制成串叠型、提升抗反射层技术、改变电池外型以提高光照入射量、调整电池板的角度等。

1.4 超声波供能

超声波供能的基本结构原理如图4所示。超声波供能装置包括低压侧部分、高压侧部分以及传输介质部分。其中，低压侧部分由驱动电源、超声波发生器组成；高压侧部分由声电转换器以及DC／DC变换器组成。

图4 超声波供能基本结构原理

超声波供能的工作原理是，位于低压侧的驱动电源驱动超声波发生器产生超声波，由特殊介质将超声波传送到位于高压侧的声电转换器［15］，声电转换器将声能转换为电能，由于电能的脉动系数较大，最后由直流变换器将其变换成稳定的直流电。

超声波供能的传输效率是衡量该技术的一个重要因素，当超声波进行能量传输时，衰减也会影响传输效率，其传输效率比为

式中：α为衰减因数，受气压、温度与频率等因素的影响。对于超声波发生器，要求具有较大输出功率与能量转换率，对于声电转换器，则要求较宽的频带与高灵敏度。同时，也要考虑发生器与转换器输入、输出匹配的问题。

1.5 电容分压供能

电容分压供能的基本结构原理如图5所示。该装置主要包括取电部分、电能变换与稳压部分和储能部分组成。其中，取电部分由高压母线、电容分压器、隔离变压器和补偿电抗器组成；电能变换和稳压部分由整流桥、DC／DC变换器组成；储能部分由蓄电池组成。

图5 电容分压供能基本结构原理

电容分压供能的工作原理是，从一次侧的工频电压源获取电能，根据电容分压原理，通过串联的电容分压器进行一次降压，隔离变压器二次降压，由变压器将电能传递到二次侧，整流电路将交流电变为脉动的直流电，经DC／DC变换后得到稳定的直流电。补偿电抗器L的作用是补偿电容分压器的容性阻抗。

电容分压供能根据电容分压原理，从低压臂电容获取工作电压，其原理如图6所示，C1与C2分别为高压臂与低压臂电容，U1为一次侧电压，UC2为低压臂电压。

图6 电容分压原理

根据串联分压原理

1.6 微波供能

微波供能的基本结构原理如图7所示。该装置主要包括微波源、发射天线以及整流天线3部分。其中，微波源部分包括直流电源、DC／RF变换器；整流天线部分由接收天线、RF／DC变换器、低通滤波器、整流电路和直流滤波器组成［16］。

图7 微波供能基本结构原理

微波供能的工作原理是由DC／RF变换器将直流电转换成微波功率，借助发射天线将功率均匀地通过自由空间并辐射到整流天线，由RF／DC转换器将微波功率转为直流功率，经过整流天线与滤波电路处理成稳定的直流电，供负载使用［17］。

微波供能的传输效率是对其进行定量分析的一个重要指标，其系统传输效率如式（5）所示。

式中：ηss与ηrr分别为发射组件与接收组件的传输效率，其中，发射组件的传输效率包含微波发射机效率ηs和发射天线波束效率ηtr；接收组件的传输效率包括微波接收天线效率ηr、微波整流效率ηres以及直流合成效率 ηdc。 ηtr与 ηr取决于天线的优化设计；ηs与ηdc取决于DC／RF变换器与整流电路的效率；微波在自由空间通常可以达到100%的传输效率。

6种供能方式的特点如表1所示。

2 研究现状与亟待解决的关键问题

根据各种功能方式的工作原理，可将前述6种供能方式分为两大类：电磁感应式与能量交换式。

2.1 电磁感应式供能

2.1.1 研究现状

电磁感应式供能分为TA供能与电容分压供能。

TA供能根据对能量传输控制方式的不同，分为以下3类：Rogowski线圈供能、限流式TA供能以及补偿式TA供能；针对一次侧电流变化较大的问题，李芙英等人［18］使用双向可控硅作为补偿线圈的控制模块，利用其过零关断的特性使其稳定工作；郭吉伟等人［19］则采用继电器作为补偿线圈的控制模块，由二次侧电压控制继电器动作，调节TA的输出功率。

由于电力线路监测设备对供电电源功率的要求不高，而电容分压供能在满足电源供电要求的同时，能够克服环境的限制，所以在高压以及超高压的电压测量设备中的应用最为广泛［20］。

2.1.2 亟待解决的关键问题

供电稳定性问题。这种供电方式存在“死区”，在一次电流较小时无法感应到充足的能量［21］，并且母线电流变化大，当发生短路故障时，电路中的瞬时电流可达20倍的额定电流，在这种情况下如何保证供能的稳定亟待解决。

输出功率问题。电容分压供能输出功率有限，虽然可以通过改变电容的大小调整输出功率，但当电容过大时会带来其他负面影响。

安全性问题。由于电容分压式供能一次高压与用电设备之间无电气隔离，存在安全隐患［7］，并且对电路的绝缘性与高压保护要求较高［22］。

2.2 能量交换式供能

2.2.1 研究现状

能量交换式供能包括激光供能、光伏电池供能、超声波供能与微波供能。

PPC（光电能量转换器）是激光供能的核心部件，波长为790~850 nm波段的激光比较适合无线输电，目前满足这一波段的激光器有固体式和半导体激光阵列式，固体式的转换效率只有41%，半导体激光阵列式的转换效率高达 59%［23］。

表1 6种主流供能方式特点

光伏发电产业已成为当今发展最为迅速的高新产业之一，光伏电池材料按类型分有硅材料半导体和多元化合物半导体，在实际的应用中，一般采用多结聚光技术来提高转换效率［24］，当前光伏电池供能以直流系统为主，但是用电设备多为交流负载。

超声波供能在电力设备无线供电领域得到越来越多的关注，与传统磁感应式供能相比，相同的功率下损耗更小［24］。

微波供能应用于长距离的无线能量传输，通常采用C波段与S波段，RF／DC转换效率最高达到80%，稳定在70%，是一种很有潜力的自供电方式［25］。当前国内外对微波供能的研究主要集中在微波整流天线和发射天线的研制上。其中，整流天线是将接收的微波能量转换为直流电的关键部分，台湾中央大学的研究团队设计的双频整流天线可以提高转换效率；为了降低微波能量在传输过程中的损耗，发射天线的旁瓣必须降低至最低可接收水平，为此，日本三菱电机研制了微波能量传输设备，在RF输入功率为1 mW时，RF／DC的转换率达到54%［26］，在低功率应用中，通过减小正向导通电压来提高整流电路的效率。

2.2.2 亟待解决的关键问题

转换效率问题。目前，固体激光器的转换效率为40%，半导体激光器的转换效率为55%~60%［27］，且半导体激光器电／光转换效率高，成本也相对较低，因此，激光器的转换效率仍有待提高，激光供能受光电转换效率的限制，输出功率受到一定的影响［28］。制约超声波供能技术发展的一个关键因素是超声波／电能的转换率较低，并且超声波在不同的传输介质中的传输效率也有所区别，如何提升超声波的转换率将会是未来研究的重点。微波供能发射端的DC／RF转换效率、接收端的RF／DC转换效率偏低，如何通过优化发射天线口径电平的分布来提高微波波束的捕获效率有待研究［29］。

能量消耗问题。光能传输过程中的损耗包括光纤的衰减损耗和衔接处的插入损耗，每千米的衰减损耗约为0.1 dB，插入损耗约为0.2 dB。光伏电池的能量消耗主要集中在热消耗与空穴—电子对的重新结合方面，如何减少能量消耗成为提高高伏电池供能的关键；同时光伏电池与蓄电池的功率匹配问题也有待研究。

成本问题。能量交换式供能设备的成本普遍偏高，据研究，光伏供能的成本是火力发电的3倍多，当前光伏电池主要基于薄膜技术，薄膜电池虽然节省了昂贵的半导体材料，降低了光伏电池的成本［30］，但是电池效率也较低，如何在降低成本的同时提高光伏电池的效率是未来研究的重点。

3 自供电技术总结及展望

基于以上分析，自供电技术研究虽然取得了一定的进展，但仍存在很多问题需要进一步探讨。目前在电力设备自供电方式中，TA供能最具有实用化前途，且应用较为广泛，应用前景广阔。与微波、激光供能方式相比，取电更为直接，输出功率大，能量转换率高［7］；在高压输配电领域，主要应用于电力系统在线监测、巡线机器人等电力设备；在智能电网领域，主要应用于户外智能开关柜、输配电监测电源、电力无线测温系统等。为了进一步提高光伏电池的效率，高效化电池工艺将会得到大力发展，包括发射机钝化以及双层减反射膜工艺等［31］。超声波供能输出的功率大，在电力设备供能方面的优势越发明显。电容分压供能通过调整电容的大小获得不同的电压输出，从而获得所需功率，在数字化变电站、环网柜等电力设备中会得到更广泛的应用［32］。

4 结语

综上所述，虽然现有的各种自供电方式都有各自的特点及应用范围，也具有较为完善的理论体系支持，但是一些关键技术还有待进一步研究，比如激光供能与光伏电池的光电转换效率、微波供能和超声波供能的传输效率偏低，电容分压供能因无电气隔离所导致的安全问题等。到目前为止，国内外还没有研制出传输距离远、输出功率大且安全稳定的自供电方式。随着智能电网的发展，电力设备自供电技术凭借其无需独立电源供电、适用性强等优势，在电力系统电气设备中有很大的应用前景，如果自供电技术在理论与技术上有进一步的创新，将具有重要的实际意义。

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