自平衡策略的电流互感器取能调速风冷装置设计

摘 要：随着我国电力系统输电量逐年上升，输电网络中的换流变压器阀侧套管等关键设备部件热功率也随之增大，因此有必要设计开发散热风机等设备，实现过热故障多发点的主动散热。设计研发一种电流互感器（CT）取能调速风冷装置，利用CT从输电线路上获取能量为散热风机供能，以解决输电线路现场常规电源无法使用的难题。针对CT的取能能力随着输电线路电流不断变化且不受控的问题，设计一种功率主动自平衡新策略，通过利用负载的控制自由度来适应CT二次侧电流的宽变化范围，从而扩展装置的稳定运行区间，提升电源的取能能力。将装置套装在交流输电母排上进行实验验证，母排电流的有效值在上千安培范围内变化，装置始终稳定且保持60%以上的功率容量利用率。

关键词：换流变压器阀侧套管；电流互感器；取能电源；调速风冷；功率平衡；稳定运行区间

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中图分类号：TM595文献标志码：A

A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer under self-balancing power control

HE Jiewei LIU Zicheng HUANG Qiuping LIU Shan JIANG Zhe LIU Zhigang

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China; 2.Smart Grid Research Institute of SGCC， Beijing 100084， China； 3.Jiangsu Tengyan Electric Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract：With the increase in the transmission capacity of China's power system， the thermal power of key equipment components such as the converter transformer valve bushing of the transmission line also increases. Therefore， it is necessary to design and develop equipment such as heat dissipation fans to achieve active heat dissipation for multiple overheating failure points. A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer （CT） is designed and developed， which uses energy obtained from the transmission line by CT to supply power to the heat dissipation fan， to solve the problem of conventional power supply being unable to be used for transmission lines. In response to the problem that the CT power supply capacity changes continuously and uncontrollably with the transmission line current， a new strategy of power active self-balancing is designed to adapt to the wide range of CT secondary current changes by using the control freedom of the load， and to extend the stable operation range and improve power supply capacity. The device is tested and verified by mounting it on the AC transmission bus， and the effective value of the bus current changes within the range of thousands of amperes， the device is stable and maintains a power capacity utilization rate of more than 60%.

Keywords：the converter transformer valve bushing; current transformer; energy harvesting power supply; adjustable speed air cooling; power balance; stable operation range

0 引 言

本世纪以来，国民经济不断发展，中国电力需求呈现出长期持续增长趋势，2022年全国累计发电装机容量约25.6亿千瓦，同比增长7.8%[1]。随着用电需求的增长，电力系统输电压力增大，散热需求也逐渐上升，如发热问题已成为制约换流站换流变压器阀侧干式套管安全稳定运行的瓶颈[2]，近年来国内如宝鸡、伊敏、枫泾等换流站都因其载流能力不足而导致电流致热引发放电故障[3-4]。为保障电力系统安全可靠运行，有必要对电力系统中的过热故障多发点采取散热措施，避免过热故障的发生。

以换流变压器阀侧套管为例，高压线路处的百瓦级大功率风冷装置的供电方法分为常规线路供电与就地取能供电两种。若应用场景能使用常规线路，则可通过常规线路供电为风机提供稳定能量供应，但常规线路与风机因隔离要求需要离处于高电位的散热目标一定距离，此时需要较长的风道将气流导向散热目标，也因此其安装难度大，散热效率低。就地取能供电方法可以简化风道，实现更高效的风冷散热。

常用就地取能供电方法包括：太阳能电池供电[5]、电容分压器供电[6-7]、激光供电[8-10]和电流互感器（current transformer，CT）供电[11-20]等。其中，太阳能电池供电对安装场地要求较大，且因天气变化会出现输出功率的波动，需要配合蓄电池使用；电容分压器能提供稳定的电力供应，但输出功率较小；激光供电的输出功率同样有限，且激光器使用寿命较短、成本较高。上述供电方法难以满足大功率稳定电力供应需求。CT供电通过将输电线路磁场能量转化为电能，能直接从输电线路上获取能量，相比上述就地取能供电方法具有结构简单、输出功率大及可靠性高等优点，在大功率电能供应场景中具有明显优势[11]。

然而，CT取能能力随输电线路电流实时变化，存在低输电电流工况时装置易失稳[12]，高输电电流工况时装置欠容量的问题，稳定运行区间有限，CT取能潜力未被充分挖掘。如何平衡取能能力与负载需求是首先需要解决的问题[13]。

目前常通过对泄流回路及负载进行动态控制，从能量输入端与输出端两方面分别平衡功率，以适应输电线路的宽电流变化范围。在电流过大时，CT取能能力大于负载功率，装置一方面利用锂电池、超级电容等储能单元增大功率需求，另一方面通过间接性导通泄流回路泄放额外电流[14-16]，从而实现功率平衡，维持滤波电容电压的稳定，避免过压情况出现。在电流过小时，CT供能能力小于负载功率，装置通过释放储能单元中的能量实现功率平衡[17-20]，维持负载正常运行，避免装置失稳。

动态控制泄流回路泄放额外电流是CT取能装置的必要措施，它不仅能在电流过大时实现功率平衡，还可以避免电容过压。然而，泄放额外电流的方式并非为一种主动功率平衡方法，CT取能潜力未被充分利用，另外其无法在电流过小时继续完成平衡功率的任务，装置仍会出现失稳情况。

增加额外的储能单元虽然能一定程度上削峰填谷，但将使装置结构更为复杂，此外因其储能能力有限，在储能达到限制后将无法再发挥平衡功率的作用，并不能从根本上实现可持续的功率平衡。特别是在大功率应用场合，有限的储能能力将使其应用更为受限。

本文设计研发一种CT取能调速风冷装置，为电力系统关键部件提供百瓦级大功率风冷散热，避免过热故障的出现，为维护电力系统安全稳定运行提供支撑。为实现大功率CT取能的可持续功率平衡功能，本文提出功率主动自平衡策略，利用电机负载的调速控制自由度，实时调控风机负载功率，主动匹配CT当前运行工况的最大取能功率，从而实现功率主动自平衡，充分挖掘CT取能潜力。相比于增加额外储能单元的技术方案，本装置结构简单、更适用于大功率负载场合、具有可持续主动功率平衡能力。

1 CT取能电源特性

1.1 取能电流互感器

取能CT通常为穿心式结构，通过电磁感应原理从输电线路磁上获取能量，为二次侧电路供能。在磁芯未饱和时，可以将电流互感器等效为一个跟随输电线路电流大小变化的交流电流源。

图1给出了CT取能电源的总体结构图，由取能CT、取能调整电路、电能变换器和负载四部分组成。CT二次侧后接入取能调整电路将CT输出的不稳定交流电转化为稳定的直流电，再通过后级电能变换器输出负载所需的电源标准。

1.2 取能调整电路数学模型

CT二次侧电流的大小随着输电线路电流大小不断波动，具有不受控特性及宽变化范围，这会对取能电源稳定运行造成严重影响，是取能电源设计时需要考虑的首要问题。

取能调整电路是取能电源的核心，其接在CT二次侧后，通过整流稳压及泄流将CT输出的不稳定交流电变换为较为稳定的直流电。假设CT在正常工况下始终未饱和，简化的取能调整电路如图2所示，CT二次侧接二极管整流桥和滤波电容C进行整流滤波；在整流桥与滤波电容之间并联有泄流开关SW作为泄流回路，在滤波电容电压过大时及时短路CT二次侧，泄放多余电流，避免电容电压进一步升高对取能电源造成不可逆的损坏；D为防倒流二极管，串接在SW及滤波电容之间，防止SW导通时滤波电容通过SW放电。泄流回路采用滞环控制，当滤波电容电压vC大于滞环最大值VOPT时，导通SW，Loop A代表着此时电流流通路径，直到vC下降到滞环最小值VRET时，SW被关断，CT二次侧电流流向滤波电容及负载，向后级电路输出功率，电流回路如Loop B所示。

在此电路中负载电流、电容电压等均为非正弦量，不能使用相量法分析，需采用时域分析法分析电路工作过程。取能调整电路可以分为SW导通及SW关断2种工作状态。

2 功率主动自平衡策略

用SW的开关占空比D=ton/（ton+toff）作为衡量取能电源功率平衡能力的指标。D越大代表着越多的CT二次侧电流通过泄流回路泄放，此时CT未向后级电路输出功率，其取能潜力未被充分挖掘，装置处于欠容量状态。另一方面，D越大代表着CT二次侧电流i2相比刚好能满足取能需求的电流值有更多的裕量，取能调整电路中的电子元器件将承受更大的电流应力，例如此时不仅SW流过它的电流更大，且导通时间也更长，其功耗大幅增加，对其通流能力及散热能力均是不小的挑战。但同时，D等于0代表SW始终关断，即电路处于“假启动”工况。占空比D越接近0表明装置在稳定前提上获得了更多的能量，但实际中D的最优工作区间需要综合考虑CT取能能力、负载功率需求、装置通流能力及功率裕度选取，在本文中，根据风机升速暂态所造成的功率波动情况，选取D在10%～20%内为取能调整电路的最优工作区间。

选定合适的CT匝比n可使在典型工况下D能保持在最优工作区间，但固定的n难以适应输电线路的宽电流变化范围，在输电线路电流大小偏离典型工况太多时，装置会进入“假启动”工况或出现欠容量等问题。

假设在SW刚关断时，i2相位角φ等于0，在VRET=150 V、VOPT=160 V、C=8 000 μF、R=30 Ω的条件下，固定CT匝比n为625，D随输电线路电流幅值I1m变化的曲线如图5所示。可见，输电线路电流变化将显著影响电路运行状态。

本文的负载是可调速风机，相比于恒定负载具有更大的控制自由度，这使将负载与取能电源进行统一调控成为可能，根据输电线路电流大小实时调控负载功耗，使D始终维持在最优工作区间，从而实现取能电源功率主动自平衡。

在接入阻抗负载时，使用上述“假启动”工况分析方法，固定输电线路电流值，通过不断改变负载电阻阻值，可以得到该电流值时不会进入“假启动”工况的最小负载电阻值，只要负载电阻R大于此值，取能电源将处于稳定工作状态。

通过数值计算，可以得到取能电源在C=8 000 μF、VOPT=160 V、n=625时不同输电线路电流幅值I1m对应的不进入“假启动”工况的最小负载电阻值Rmin，如图6所示。

由此可以得到不同取能电源参数下的输电线路电流幅值及最小负载电阻值对应表，通过测量输电线路电流，根据所得对应表实时调控负载等效电阻，间接实现对D的调控，使其始终维持在最优区间。这种新颖的功率主动自平衡方法将负载与取能电源统一起来，能充分挖掘CT取能潜力，提高取电能力，扩大取能电源稳定工作范围。

3 风机控制方法

3.1 风机负载

本文使用的实际负载是一台50 Hz 230 V交流电源供电的散热风机，使用电能变换器将取能调整电路输出的直流电压变换为风机供电标准电源。

由于电力电子变换器的使用，取能调整电路的实际负载呈现的并非是一个纯阻抗特性，此时散热风机更类似于一个恒功率负载。当输电线路电流较小，CT取能电源最大取能功率小于散热风机需要的功率时，取能电源将会出现电容电压骤降、电能变换器不断启停等异常情况，对应恒阻抗负载时的“假启动”工况。

将功率主动自平衡策略融合到风机的调速方法中去，是十分有意义且必要的工作。可以在输电线路电流小时减小散热风机转速避免出现不稳定工作状态，在输电线路电流大时增大散热风机转速进一步挖掘CT取能电源的取能潜力，同时满足散热目标随电流升高而增大的散热需求。

3.2 风机调速方法

实际应用中，根据输电线路电流大小实时调整的不再是负载电阻的阻值，而是散热风机的转速。对风机转速的调节本质上是对风机功率的调节，使风机功率实时跟踪取能电源最大取电功率，实现功率自平衡。由于滞环范围通常较小，可以将电容电压近似为VRET，可得到此时的最大输出平均功率值为

考虑电能变换器存在的功率损耗及应保留的功率裕度，风机最优功率值由最大取电功率乘以裕量系数M后得到

通过风机转速与功率的关系曲线可以得到此时的最优转速指令。应当注意的是，当风机处于升速或降速的过程中，其实际功率应大于或小于此转速对应的稳态功率值。因此，风机的转速指令应遵从“缓升骤降”原则，在升速过程中牺牲动态响应性能来减少实际功率与稳态功率之间的差值来保证风机动态响应性能。

当CT二次侧电流过小，取能电源不足以提供风机最低转速所需能量时，应切除风机负载。实时对二次侧电流大小进行监控，一旦电流大小满足启动条件，则接入风机负载，启动风机。风机的控制方法框图如图7所示。

4 实验验证

为了验证上述理论分析，搭建了如图8所示的CT取能调速风冷实验装置，装置由取能CT、取能调整电路及风机负载三部分组成。匝数为625的取能CT套装在能交流输电母排上，将磁场能量转化为电能。取能调整电路将不稳定的交流电流源变换为小范围波动的直流电压源。风机负载由LMF1000-20B48型57 V输出DC/DC变换器、NTS-1700型50 Hz 230 V输出DC/AC变换器及G3G20-GN17-01型风机组成，电能变换器将取能调整电路输出的直流电压源变为50 Hz 230 V稳定交流电压源给风机供电。取能调整电路的核心参数在表1中给出。

装置正常运行时的主要参数波形如图9所示。输电母排上的电流i1及CT二次侧电流i2都为频率为50 Hz的阶梯波。电容电压vC在146 V与152 V之间波动，不会出现“假启动”工况。

通过改变母排电流有效值观察CT二次侧输出电流有效值，结果如图10所示。可见，在测试范围内，CT二次侧电流有效值与母排电流有效值具有线性关系，比值在625附近波动，结果表明在测试范围内CT始终未饱和。

取能调整电路的占空比平均值及风机负载功率与最大取能功率的比值随母排电流有效值的变化如图11所示。图12给出了4个母排电流大小下的电容电压vC波形。可见虽然最大取能功率随母排电流不断变化，但功率自平衡策略可以根据电流的变化灵活调整负载的功率。在测试范围内，泄流MOSFET开关管的开关占空比始终保持在较低水平，始终保持在8%到20%区间内，在避免“假启动”的同时具有较高的能量获取能力，风机负载功率与最大取能功率的比值始终大于60%。可见，功率主动自平衡策略通过利用负载的控制自由度来适应电流的宽变化范围的方法是有效的，能进一步扩展装置稳定运行区间，提升电源取能能力。

5 结 论

为满足电力系统高压线路旁过热故障多发点的散热需求，本文设计一种带功率主动自平衡策略的CT取能调速风冷装置，利用CT非侵入式地从输电线路中获取能量，经后级电路调整为稳定电源后为散热风机供电，实现风冷目标。

本文所提出的功率主动自平衡策略能够利用电机负载的调速控制自由度，实时调控风机负载功率，主动匹配CT当前运行工况的最大取能功率，充分挖掘CT取能潜力。相比于增加额外储能单元的技术方案，该策略具有装置结构简单、更适用于大功率负载场合、具有可持续性的主动功率平衡能力等优势，为CT取能的大功率应用提供一种新的解决思路。

实验表明，装置能适应输电线路电流上千安培的宽电流变化范围，驱动百瓦级大功率散热风机稳定运行，且具有较高的取能容量利用率。

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（编辑：刘琳琳）

收稿日期： 2023-05-12

基金项目：国家自然科学基金（52077088）

作者简介：何杰伟（2001—），男，硕士研究生，研究方向为电机驱动控制；

刘自程（1989—），男，博士，副研究员，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动；

黄秋萍（2001—），女，学士，研究方向为基于深度学习的新能源功率预测；

刘 杉（1989—），男，博士，高级工程师，研究方向为高压直流输电；

姜 喆（1988—），女，博士，研究方向为高压直流输电技术及装备等；

刘志刚（1974—），男，博士，研究方向为高电压绝缘与高电压试验设备及在线监测装置。

通信作者：刘自程