高转化效率感应取电电源设计

高转化效率感应取电电源设计摘要：智能电网的发展越来越依赖在线监测设备的完善，而电源供应技术的发展是提高在线监测水平的关键。本文提出了一种高转化效率的感应取电电源设计方案，设计了不含整流桥的低损耗交直流变换电路以及应对供电不足的“黑启动〃电路，并配合备用电池制定了应用于不同线路状态的电源控制策略，最后通过实验对系统功能进行了验证。本文设计的电源方案能够实现在很宽的电流范围内工作，可以跟随线路状态迅速切换工作模式，保证设备的稳定供电，并保持较高的功率转化效率。关键词：电流互感器；整流电路；黑启动；工作状态1引言智能电网的发展要求在线监测设备更加智能和完善，以确保电网发展的高可靠性。导体温度监测、动态负荷评估、倾角监测以及弧垂监测等先进的在线监测技术可以极大地提高输电线路的效率和可靠性。如今一些设备厂商研发了大量的在线监测装置，包括USi的PowerDonut，Protura的PowerlineSensor，Tollgrade的LighthouseMV传感器以及GridSense的LineIQ等。然而，在线监测设备的电源供应还需要有很大的改进。比如PowerDonut的工作电流高于50A，而110kV输电线路可能会出现低至20A的负荷电流，这种情况就造成了一个20A和50A之间的死区，该装置将不能正常工作。另外Tollgrade的LighthouseMV传感器和GridSense的LineIQ存在采样率限制，所有这些限制都来自电源供应的限制。另一方面，出于线路安全方面的考虑，在线监测设备的重量也需要严格控制，在我国，普通输电线路监测装置重量不大于2.5kg，微风振动监测装置重量不超过1kg。因此解决上述问题的方式是增加供能装置的单位功率密度，以最大限度的减轻设备重量。输电线路在线监测设备的取能方案包括磁场、电场、太阳能和风能等，综合考虑到供电成本问题，基于电流互感器的感应取电电源［1-3］是高功率密度供能方案的最佳选择，这种方案具有体积小、成本低且安装方便的特点，在近几年得到了广泛的应用。本文设计了一种高转化效率的感应取电电源，包括取电互感器［4-5］、功率变换模块、控制模块以及后备电池模块等。其中功率变换模块采用无整流桥的AC/DC变换电路，减少了整流桥带来的多级损耗；采用黑启动电路，实现在输入电压较小时启动整流模块中的晶体管，即在线路电流很小的情况下启动感应取电。控制模块结合有限状态机的控制方式，使系统具有非常高的可靠性，无论导线电流如何变化，都可稳定的输出设定的电压，为后级负载供电。后备电池模块在线路电流较小时保证系统的可靠供电，在电流较大时将多余电量通过PWM控制进行充电。本文设计的感应取电电源具有较高的转化效率，能够跟随线路电流变化切换工作模式并保证对后级的稳定供电。这种高效率取电电源的设计将进一步提高在线监测水平，进一步提高智能电网发展的可靠性。2感应取电电源系统硬件设计感应取电电源的系统主要包含输电线路、取能线圈、整流模块、控制模块以及后备电池等。其中整流模块包括升压变压器、由MOS管和二极管组成的交直流变换电路、"黑启动〃电路以及稳压滤波电路等。系统通过取能线圈获取感应电流，再通过升压变压器将电压抬升到整流晶体管的正向阈值电压之上，然后通过MOSFET构成的整流电路实现AC/DC变换，控制端信号由一自激振荡器产生的直流偏置提供，整流后的信号输送到DC-DC模块。DC-DC模块分为两级，第一级DC-DC将整流输出的直流电压转化为锂电池充电所需的电压(5V)，第二级DC-DC则将该电压转化为负载所需电压等级(3.3V)。控制模块主要实现对锂电池的充放电管理，根据磁芯取电是否充足、后级负载功率以及锂电池的状态等参数来控制锂电池的充放电。锂电池可以在磁芯取能不足时为后级提供辅助供电，当后级负载突然增大时，锂电池可以提供所需的补偿功率。2.1整流滤波及黑启动电路设计磁芯取电后接入的整流滤波电路原理图如图1所示。图1整流滤波电路原理图取电线圈中产生的感应电流经升压变压器升压，将电压提高到二极管和MOS管的正向阈值电压之上，但其升压能力受耐压值和取电磁芯设计的限制，升压能力有限，所以还需要另外一个整流升压部分。升压变的二次侧连接由MOS管和二极管构成的AC/DC变换模块，整流工作在一个周波中分为充电、放电、充电、放电四个过程，在充放电过程的电流通路中，取能磁芯的电感和升压变压器的漏感作为储能元件，在MOS管打开时充电，关断时放电，达到整流的目的。整流电路的输出端连接一个非稳态多谐振荡器，振荡器通过正反馈作用，用很小的输入产生直流偏置作为门控脉冲，实现"黑启动〃的功能。稳压管的存在用于保证电压维持在MOSFET开关的安全操作范围内，保证系统的稳定性，而电容实现滤波的功能。最后整流后的信号经由稳压二极管供给DC-DC模块。黑启动部分电路如图2所示。"黑启动〃电路相当于一个非稳态多谐振荡器。振荡器的输入来自整流后的直流输出，振荡器的输出经一电阻连接至MOS管的控制端。在输入电压较小时，振荡器可以通过正反馈作用产生直流偏置作为门控脉冲，控制推挽电路的通断。通过控制其连接电阻电容的比例控制占空比，保证整流之后恒定的直流电压输出。这一模块可以确保电路在较小的电源供应下启动，实现“黑启动〃的功能。图2黑启动电路原理图这种无整流桥的AC/DC升压变换，避免了采用整流桥带来的多级损耗。使用取能线圈的电感和升压变压器的漏感作为储能元件，消除了在电路中再增加一个单独的电感器的需要，从而降低了电源管理电路的复杂性。黑启动保证了电路可以在很小的输入下启动，实现了在原边电流很小的情况下启动感应取电电源。稳压滤波模块保证了电压较高时输出端也能正常输出，使电路有着很宽的操作范围。2.2控制模块电路设计取能线圈提供的功率和母线电流呈正相关关系，当母线电流较小时，将无法保持在线监测装置的正常工作。黑启动电路的存在解决了在故障停电事故恢复电源供应时，取电装置没有门控脉冲生成进而不能启动整流模块的技术问题，但是不能实现在空载或轻载情况下保持系统持续工作，所以还需要增加锂电池作为备用电源，保证系统持续稳定工作。控制模块电路的作用是通过采集前级电路的电压电流信号，根据一定的管理策略控制电路的通断。在母线电流较大时将多余电量通过PWM控制为后备电池充电，在供电不足时使用后备电池为负载供电。在此模块中，MCU实现对多路直流电压进行采样，输出多路控制开关的信号，产生一路PWM波以及串口通信等功能。MCU对电流信号、电压信号以及电池电压信号三个输入进行采样，输出CT开关，充电开关，电池开关以及负载开关四个控制信号。锂电池的充电管理采用PWM控制。充电开关控制信号MCU的可编程计数阵列的输出端，输出占空比可变的PWM波，调节占空比以控制电池的充电电流。在系统正常工作时，闭合开关K1,对后级负载进行供电，同时通过开关K2对锂电池充电进行控制，当线路供电不足时，闭合开关K3,通过锂电池对后级进行供电。3感应取电电源系统控制策略感应取电电源系统的工作采用有限状态机的策略，通过微控制器实现。有限状态机是指规定时间标记，根据当前采集的关键点电压电流信号，确定逻辑的更新状态，执行相应的动作，并输出相应的控制信号，切换工作状态，在下一个时间标记来临前，保持控制信号不变。取电电源系统有三种工作状态，分别是正常工作模式、充电模式以及辅助供电模式。线路电流适中时，由磁芯取电并对后级进行供电，锂电池作为后备电源；当母线电流充足，由磁芯取电并对后级进行供电，同时对锂电池进行充电；当线路电流不足或后级负载过大时，切换至锂电池供电。采用母线电流作为状态切换的主判据，在切换运行状态时还要综合考虑后备电池电压上限值与下限值。系统的启动可以实现直接接入锂电池为后级供电，满足后级负载启动功率的要求，在系统初始化完成后，系统控制模块将对电源模块的工作状态进行检测，当取电线圈取能充足时，电源进入正常工作模式，锂电池作为后备电源，同时根据设定好的锂电池充电策略对锂电池进行充电管理。启动过程还可以实现"黑启动”的要求，在前级电流较小时，可以选择不接入锂电池，实现系统的启动工作，启动后根据相应的控制策略检测电流电压信号，实现进一步的状态切换。3.1AC/DC变换电路控制策略本文设计的AC/DC变换电路不含整流桥，而是采用由MOS管和二极管组成的整流电路实现，所以需要配合相应的控制策略。整流工作在一个周波中分为充电、放电、充电、放电四个过程，在充放电过程的电流通路中，取能磁芯的电感和升压变压器的漏感作为储能元件，在MOS管打开时充电，关断时放电，达到整流的目的。图3是AC/DC变换电路的操作模式转换图。在模式1下，0<3t<n，门控信号G=1，MOS管打开，电感充电；在模式2下，0<3t<n，门控信号G=0，MOS管关断，电感放电，能量从电感转换到负载之中；在模式3下，n<st<2n，门控信号G=1，MOS管打开，电感反向充电;模式4和模式2相同，二极管保证流向负载的电流为同一方向，实现整流的作用。4系统测试与结果分析为了验证所提的感应取电电源设计的有效性，研制了取电电源样机并对其进行测试。将输电线电流设置为5A、10A、15A、20A分别输出，将磁芯连接至电子负载测试输出功率，测试结果如图4所示：图4取电磁芯输出功率测试结果表明原边电流为10A时，磁芯的输出功率接近600mW，考虑到取电电源系统损耗，最终输出功率也大于300mW，能满足大部分线上数据采集装置功率的要求。对感应取电电源的模式切换功能和黑启动功能进行测试，通过测试发现在很宽的原边电流以及负载范围内，系统都可以稳定工作，并快速实现工作状态的切换；在正常工作模式下，系统可以保持75%以上的功率转化效率。5结语本文提出了一种高转化效率的感应取电电源设计方案，设计了不含整流桥的低损耗交直流变换电路，设计了应对供电不足的"黑启动”电路，并配合备用电池制定了应用于不同线路状态的电源控制策略。该系统可以在原边电流为10A时为后级提供300mW以上的功率，满足在线监测设备的工作条件。改系统可以实现无整流桥的交直流变换，可以在线路故障恢复供电后立即启动，能够根据线路和负载情况切换运行方式。最终测试结果表明，系统可以实现设计功能，可以在很宽的电流范围内工作，能够跟随线路状态迅速切换工作模式，保持较高的功率转化效率，并保证设备的稳定供电。该感应取电电源设计方案的提出能够促进在线监测水平的提高，进一步服务智能电网的发展。参考文献曹祥红，杨超，张华.应用于高压设备测温系统的感应取电电源设计[J].科学技术与工程，2013,18:5334-5