用于高壓輸電線路的共振式無線供電系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于高壓輸電線路的共振式無線供電系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于共振式無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高壓輸電線路的共振式無線供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]高壓、超高壓電網(wǎng)監(jiān)測終端對保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，是以信息化、自動化、互動化為特征的現(xiàn)代化電網(wǎng)不可或缺的一部分。然而，能源問題始終是限制智能電網(wǎng)監(jiān)測與管理的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的解決方案大多使用風(fēng)能、太陽能等分布式能源，而分布式能源固有的不穩(wěn)定性使得終端設(shè)備無法得到可靠的能源保證，在南方陰雨天氣較多的環(huán)境下問題更加嚴(yán)重。另一方面，高壓輸/配線路上有著充足的電能卻由于絕緣的要求而無法直接從高壓側(cè)取電，從而形成了一個突出的矛盾。
[0004]近年來，無線輸電技術(shù)的迅速發(fā)展使得從高壓側(cè)直接向低壓側(cè)輸電成為可能，為解決智能電網(wǎng)終端設(shè)備的能源供應(yīng)提供了新的可能。無線輸電技術(shù)(WPT)最先由無線輸電技術(shù)之父尼古拉于19世紀(jì)提出，并于2007年由MIT馬林索爾賈?？藞F(tuán)隊(duì)取得突破。MIT團(tuán)隊(duì)利用磁共振原理在2m的距離下成功點(diǎn)亮了一盞60W的燈泡。該成果極大地推進(jìn)了無線輸電技術(shù)在諸如工業(yè)電子、醫(yī)療、民用電子等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于高壓輸電線路的共振式無線供電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高壓、超高壓環(huán)境下電網(wǎng)監(jiān)測終端的可靠供電。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
用于高壓輸電線路的共振式無線供電系統(tǒng)，包括:
高壓取電裝置、高頻電能發(fā)射裝置和高頻電能接收裝置，高壓取電裝置和高頻電能發(fā)射裝置在高壓線路上在線運(yùn)行，高頻電能接收裝置設(shè)于低壓側(cè)，給負(fù)載在線監(jiān)測裝置供電；其中:
高壓取電裝置用來從高壓線路獲取交流電并將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流電傳輸至高頻電能發(fā)射裝置；
高頻電能發(fā)射裝置包括高頻逆變單元和高頻電能發(fā)射線圈，高頻逆變單元用來將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，高頻交流電通過高頻電能發(fā)射線圈發(fā)射；
高頻電能接收裝置包括高頻電能接收線圈和高頻整流驅(qū)動單元，高頻電能接收線圈接收高頻交流電，高頻整流驅(qū)動單元將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并輸至給負(fù)載在線監(jiān)測裝置；
所述的高頻逆變單元以M0S管為開關(guān)管，采用單相全橋逆變電路，由兩個橋臂并聯(lián)構(gòu)成，各橋臂均由上橋臂和下橋臂組成，同一橋臂中的上橋臂和下橋臂不能同時導(dǎo)通； 所述的高頻整流驅(qū)動單元包括整流橋，整流橋?yàn)椴豢厝珮蛘鳎伤膶πぬ鼗O管對組成，肖特基二極管對由兩個肖特基二極管并聯(lián)構(gòu)成。
[0007]上述高壓取電裝置包括依次相連的取電電流互感器、整流模塊、第一穩(wěn)流模塊、第一緩沖模塊、取能電源模塊，其中，第一緩沖模塊由電池和超級電容并聯(lián)構(gòu)成。
[0008]高頻逆變單元中M0S管優(yōu)選為IRF470型號。
[0009]高頻逆變單元的一種具體結(jié)構(gòu)為:
包括二極管 D1、D2、D3、D4 和 M0S 管 S2、S3、S4、S5，其中，二極管 D1、D2、D3、D4 反并聯(lián)；M0S管S2和S3構(gòu)成第一橋臂，S2為上橋臂，S3為下橋臂，S2和S3不能同時導(dǎo)通；M0S管S4和S5構(gòu)成第二橋臂，S4為上橋臂，S5為下橋臂，S4和S5不能同時導(dǎo)通。
[0010]上述高頻整流驅(qū)動單元包括依次相連的整流橋、第二穩(wěn)流模塊、第二緩沖模塊，其中，第二緩沖模塊由電池和超級電容并聯(lián)構(gòu)成。
[0011]整流橋中肖特基二極管優(yōu)選為MBR1545CT型號。
[0012]
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、在不破壞線路絕緣性的前提下為低壓側(cè)電網(wǎng)監(jiān)測終端供電。
[0013]高壓線路上絕緣等級越高，絕緣子長度也長，因此電能輸送也必須有足夠距離。本發(fā)明采用基于磁耦合共振的無線輸電技術(shù)，即通過使高頻電能發(fā)射線圈和高頻電能接收線圈達(dá)到諧振頻率來實(shí)現(xiàn)磁耦合共振，在不破壞線路絕緣性的前提下可實(shí)現(xiàn)一定距離的能量無線傳輸，從而可應(yīng)用于低壓側(cè)電網(wǎng)檢測終端的供電。
[0014]2、能較好適應(yīng)惡劣環(huán)境。
[0015]高壓輸電桿塔位于高壓強(qiáng)電環(huán)境，工頻干擾多，且需暴露于室外，本發(fā)明裝置能適應(yīng)高壓輸電桿塔所處的惡劣環(huán)境，從而可保證高壓輸電線路長時間的可靠供電。
[0016]3、結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。
[0017]本發(fā)明裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊功能明確，且便于安裝，適合高空作業(yè)人員簡單安全的進(jìn)行安裝。
[0018]4、穩(wěn)定可靠。
[0019]本發(fā)明裝置采用自動跟蹤諧振點(diǎn)，在外界參數(shù)微小改變時能做出相應(yīng)整定，以使裝置始終工作于最佳狀態(tài)。接收端在線監(jiān)測裝置中有通訊設(shè)備，能在不與發(fā)射端通信的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸功率的調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的安裝方式示意圖；
圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的安裝方式局部示意圖；
圖3為高壓取電裝置結(jié)構(gòu)框圖；
圖4為高頻電能發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)和控制原理框圖，其中，圖(a)即高頻電能發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)框圖，圖(b)為高頻逆變單元的控制原理框圖；
圖5為高頻電能發(fā)射線圈和高頻電能接收線圈組成的耦合諧振子原理圖；
圖6為高頻整流驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)和控制原理示意圖，其中，圖(a)為高頻整流驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)框圖，圖(b)為高頻整流驅(qū)動單元的控制原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022]見圖1~2，本發(fā)明共振式無線供電系統(tǒng)包括高壓取電裝置(1)、高頻電能發(fā)射裝置
(2)和高頻電能接收裝置(3)，高壓取電裝置(1)和高頻電能發(fā)射裝置(2)設(shè)于高壓線路
(5)，高頻電能接收裝置(3)設(shè)于桿塔(6)并給負(fù)載在線監(jiān)測裝置(4)供電。
[0023]高頻電能發(fā)射裝置包括高頻逆變單元和高頻電能發(fā)射線圈，高頻電能接收裝置包括高頻電能接收線圈和高頻整流驅(qū)動單元。高壓取電裝置從高壓線路獲取交流電，高壓取電裝置中整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并傳輸至高頻逆變單元，高頻逆變單元將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，并通過高頻電能發(fā)射線圈發(fā)射。高頻電能接收線圈將接收的高頻交流電傳輸至高頻整流驅(qū)動單元，高頻整流驅(qū)動單元將高頻交流電轉(zhuǎn)換成可供負(fù)載工作的直流電，從而實(shí)現(xiàn)高電壓環(huán)境下的無線供電。本發(fā)明系統(tǒng)的電磁兼容性可滿足高壓強(qiáng)電環(huán)境下裝置的正常工作，防護(hù)等級為IP67。
[0024]見圖3，高壓取電裝置安裝于高壓線路，取電電流互感器將高壓線路周圍的交變磁場變?yōu)榻蛔冸娔?，整流模塊將交變電能轉(zhuǎn)換為直流電能。由于高壓線路上電流是變化的，為保證高壓取電裝置輸出側(cè)獲得穩(wěn)定電壓，取能電源模塊輸入側(cè)還設(shè)有由電池和超級電容并聯(lián)構(gòu)成的第一緩沖模塊。整流模塊和第一緩沖模塊間通過第一穩(wěn)流模塊相連，第一穩(wěn)流模塊用來控制流入第一緩沖模塊的電流，保證第一緩沖模塊處于穩(wěn)定的充放電狀態(tài)，從而在輸出端得到穩(wěn)定電壓。本具體實(shí)施中，高壓取電裝置由TMS320F28335型DSP控制，DSP產(chǎn)生的PWM信號，通過驅(qū)動板驅(qū)動第一穩(wěn)流模塊的IGBT。
[0025]高壓取電裝置通過取電電流互感器從高壓線路獲取電能，然后輸入取能電源模塊，取能電源模塊對高壓取電裝置輸出進(jìn)行整流濾波處理并實(shí)現(xiàn)隔離穩(wěn)壓輸出。取能電源模塊內(nèi)含取電調(diào)節(jié)保護(hù)電路，可以實(shí)時的調(diào)節(jié)和限制輸入的電能，吸收因雷擊等特殊情況引起的瞬間大電流，保證輸電導(dǎo)線電流不穩(wěn)定時仍能輸出穩(wěn)定電壓。
[0026]取電電流互感器從高壓線路上抽取的能量大小與高壓線路上電流大小有關(guān)，也與取電電流互感器和取能電源模塊的型號有關(guān)，輸電導(dǎo)線的電流越大，高壓取電裝置可以輸出的功率也越大，高壓取電裝置的額定輸出功率指輸電導(dǎo)線上電流足夠大時，高壓取電裝置能提供的最大功率輸出。高壓取電裝置在工作期間會根據(jù)導(dǎo)線的電流大小和負(fù)載所需的功率自行調(diào)節(jié)工作模式。
[0027]高壓取電裝置的工作模式如下:
1、待機(jī)模式:當(dāng)輸電導(dǎo)線上電流非常小，甚至無法提供高壓取電裝置啟動所需消耗的電能時，高壓取電裝置處于待機(jī)狀態(tài)，不輸出功率，此時輸出電壓為零。
[0028]2、間斷工作模式:當(dāng)輸電線路電流增大到一定值，抽取的電能可以支持高壓取電裝置啟動，但不足以支持負(fù)載正常工作時，高壓取電裝置會處于間斷工作狀態(tài)，斷續(xù)對負(fù)載輸出功率，此時輸出電壓值為額定輸出電壓和零伏跳躍變化的方波。
[0029]3、正常工作模式:當(dāng)輸電線路電流足夠大，抽取的電能可以支持負(fù)載工作時，高壓取電裝置正常輸出負(fù)載所需功率，并限制輸入取能電源模塊的多余能量，輸出穩(wěn)定的電壓。
[0030]高壓取電裝置在所有工作模式下都不會輸出額定電壓值和零伏以外的異常電壓值，以確保負(fù)載的安全工作。
[0031]高頻電能發(fā)射裝置包括高頻逆變單元和高頻電能發(fā)射線圈，高頻逆變單元用來將高壓取電裝置輸出的直流電轉(zhuǎn)換成頻率約1M的高頻交流電，并通過高頻電能發(fā)射線圈發(fā)送。高頻逆變單元采用單相全橋逆變電路，開關(guān)管為M0S管。高頻逆變單元由兩個橋臂并聯(lián)構(gòu)成，各橋臂均由上橋臂和下橋臂組成，同一橋臂中的上橋臂和下橋臂不能同時導(dǎo)通，高頻逆變單元的輸入為直流側(cè)，輸出為交流側(cè)。
[0032]見圖4 (&)，本實(shí)施例中高頻逆變單元包括二極管01、02、03、04和皿)3管32、33、S4、S5，其中，二極管D1、D2、D3、D4反并聯(lián)；M0S管S2和S3構(gòu)成第一橋臂，S2為上橋臂，S3為下橋臂，S2和S3不能同時導(dǎo)通；M0S管S4和S5構(gòu)成第二橋臂，S4為上橋臂，S5為下橋臂，S4和S5不能同時導(dǎo)通。本實(shí)施例中，M0S管型號為IRF470。
[0033]圖4 (b)為高頻逆變單元的控制框圖，DSP控制頻率合成模塊產(chǎn)生高頻方波信號，高頻方波信號分別經(jīng)反相器和緩沖器后通過門驅(qū)動器驅(qū)動第一橋臂和第二橋臂，從而將直流電變成高頻交流電，并通過高頻電能發(fā)射線圈發(fā)送。
[0034]本發(fā)明中高頻逆變單元驅(qū)動主電路的頻率可達(dá)到1MHz以上，而一般IGBT的軟開關(guān)頻率最多只能達(dá)到幾百KHz。本發(fā)明高頻逆變單元中開關(guān)管采用M0S管，M0S管是單極性電壓驅(qū)動器件，具有工作頻率高、安全工作區(qū)寬以及輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在滿足耐壓前提下，本發(fā)明選擇耐壓較低、且體內(nèi)寄生電容小的M0S管。
[0035]圖5為尚頻電能發(fā)射線圈和尚頻電能接收線圈的原理不意圖，下文將尚頻電能發(fā)射線圈和高頻電能接收線圈分別簡稱為“發(fā)射線圈”和“接收線圈”。本發(fā)明中發(fā)射線圈和接收線圈采用低電阻、高Q值的繞組，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈的固有頻率一致時，就會產(chǎn)生共振，從而達(dá)到無線能量傳輸達(dá)到最大。發(fā)射線圈和接收線圈也可適當(dāng)使用