CN108847719A - 一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统，其特征在于包括MCU控制器、DDS信号发生器、同相电流驱动模块、反相电流驱动模块、H4全桥逆变模块、高压取电变压器、高压取电整流模块、调谐电容阵列模块、发射端谐振电容、发射端谐振电感、双极板耦合电容发射端极板、双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电感、接收端谐振电容、单相整流模块。本发明通过高压取电变压器、高压整流模块为系统提供直流电源；通过H4全桥逆变模块将直流电源逆变成高频交流电源；高频交流电源通过双极板耦合电容无线输电再通过单相整流模块输出直流电源。与传统四极板电容传电系统相比，本发明优点在于减少了极板电容数量，提高了传输距离，增加了传输效率。

Description

一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统

技术领域

本发明涉及高压输电线路感应取电与无线电能传输技术领域，特别是涉及一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统。

背景技术

高压输电线路的监测不仅关系到电网的安全性和电力系统的稳定性，还能减少大规模自然灾害下国民经济损失。随着视频在线监测系统的兴起和发展，这一难题也得到了初步解决，但同时稳定、可靠的视频监控系统的供电成为了限制监测设备大规模应用的新的技术难题。目前国内供电方式主要为传统的太阳能和风能供电，但太阳能和风能供电具有易受天气影响，成本高等固有缺陷，因此应用前景十分有限。

用于高压输/配电线路的感应取电和共振式无线输电技术目前发展迅速，能够有效的解决高压线路在线监测系统的供电可靠性问题。

高压取电和共振式无线输电技术的基本思想是：利用CT装置以互感的方式从高压线路上取出一定的电能，然后以无线的方式输送到低压侧的塔杆上，从而在不破坏线路绝缘性能的前提下，为低压侧的监测设备持续、稳定地供电。无线输电系统分为电感耦合式(IPT)和电容耦合式(CPT)两种。相比于IPT系统，CPT系统使用金属薄板而非线圈作为耦合装置，具有重量轻、成本低、易于加工等优点。并且，CPT系统的耦合极板可以随意打开再嵌套到绝缘子串上。因为IPT系统的耦合线圈无法打开(否则就会是绕组断裂)，封闭的环形无法嵌套到绝缘子串两端，除非解开绝缘子(通常不被电网公司允许)，因此CPT系统的耦合极板比IPT系统的耦合线圈更便于安装。然而，CPT系统应用于高压无线输电领域时，也存在固有的缺陷。目前CPT系统采用传统的四极板结构，需要在发射端和接收端分别布置两个耦合极板，非常不便于在高压线路上安装施工，且四个极板之间存在交叉耦合，不仅降低系统的工作性能，也增加了理论分析和工程调试的难度，亟待改进。

利用高压线路和大地具有稳定电势的特点，传统的四极板结构可以简化为双极板结构，相较于四极板结构，双极板CPT系统具有结构简单，易于安装实施，同时也具有更高的传输效率和更远的传输距离，因此更适用于高压无线输电直流电源系统的设计和实施。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统。

本发明的技术方案为一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统，其特征在于，包括MCU控制器、DDS信号发生器、同相电流驱动模块、反相电流驱动模块、H4全桥逆变模块、高压取电变压器、高压取电整流模块、调谐电容阵列模块、发射端谐振电容、发射端谐振电感、双极板耦合电容发射端极板、双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电感、接收端谐振电容、单相整流模块。

所述MCU控制器与所述DDS信号发生器通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述同相电流驱动模块通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述反相电流驱动模块通过导线连接；所述同相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述反相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述的高压取电变压器、高压取电整流模块、H4全桥逆变模块通过导线依次连接；所述的H4全桥逆变模块、调协电容阵列模块、发射端谐振电感、发射端谐振电容、双极板耦合电容发射端极板通过导线依次连接；所述H4全桥逆变模块与所述发射端谐振电容通过导线连接；所述双极板耦合电容发射端极板与所述双极板耦合电容接收端极板通过电场耦合的方式无线连接；所述的双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电容、接收端谐振电感、单相整流模块通过导线依次连接；所述接收端谐振电容与所述单相整流模块通过导线连接。

作为优选，所述MCU控制器用于产生DDS控制信号；所述DDS信号发生器根据MCU的控制信号产生频率可调的高频方波信号，高频方波信号的频率值和占空比由MCU根据采集到的发射端工作电流、电压等信息实时调节；所述同相电流驱动模块用于将频率可调的高频方波信号进行同相电流放大产生同相逆变驱动信号；所述反相电流驱动模块用于将高频方波信号进行反相电流放大产生反相逆变驱动信号；所述高压取电变压器用于将高压输电导线上的负荷电流通过电磁互感转换为工频交流电源；所述高压取电整流模块用于将工频交流电源整流成直流电源；所述H4全桥逆变模块用于根据同相逆变驱动信号以及反相逆变驱动信号的控制将直流电源逆变成高频交流电源；所述调谐电容阵列模块用于对所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路的自然频率进行调节，使之与所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容构成的接收端谐振电路的自然频率保持一致；所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容在高频交流电源的激励下产生一个高频高压的谐振电压；该高频高压的谐振点与双极板耦合电容发射端极板进行连接，并传输至所述双极板耦合电容接收端极板；双极板耦合电容接收端极板通过耦合过来的高频交流电激励接收端谐振电容以及接收端谐振电感，并产生较大的谐振电流；所述单相整流模块将接收端谐振电容以及收端谐振电感中的高频交流电整流成负载直流电源；所述发射端谐振电感与所述发射端谐振电容的连接点与所述双极板耦合电容发射端极板连接；所述高压取电整流模块的负极输出与高压输电导线等电位连接；所述接收端谐振电感与所述接收端谐振电容的连接点，与双极板耦合电容接收端极板连接；所述单相整流模块的负极输出与大地等电位连接。

与现有技术相比，本发明优点在于：本发明利用高压线路和大地构建虚拟电流路径，在高频工作条件下将发射端回路和接收端回路建立等效短接，去掉传统四极板系统中非谐振点处的两块电容极板，从而得到双极板电容耦合谐振式高压无线输电系统。

本发明的有益效果为：通过采用本发明所述的双极板结构，能够大大简化传统四极板CPT结构系统，使其便于在高压线路上进行安装实施。同时，也能够消除四极板系统中四个极板之间存在的交叉耦合，降低理论分析和工程调试的难度。并且，相较于传统的四极板系统也具有更高的传输效率和更大的传输距离。此外，本发明也首次将电容耦合式无线输电技术应用于高压线路在线监测装置的供电系统中，可以解决高压输/配电线路监控装置供电系统的可靠性问题，也为智能电网的实施和发展提供了一种新型的无线供电系统。

附图说明

图1：本发明系统结构框图；

图2：本发明的实际布置连接图；

图3：双极板电容耦合谐振式高压无线输电系统的电路连接方式；

图4：双极板电容耦合谐振式高压无线输电系统的等效电路；

图5：传统四极板电容耦合式无线输电系统结构图；

图6：四极板系统和双极板系统输出功率对比图；

图7：四极板系统和双极板系统传输效率对比图；

图8：双极板电容系统整体结构图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的技术方案为一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统，其特征在于，包括MCU控制器、DDS信号发生器、同相电流驱动模块、反相电流驱动模块、H4全桥逆变模块、高压取电变压器、高压取电整流模块、调谐电容阵列模块、发射端谐振电容、发射端谐振电感、双极板耦合电容发射端极板、双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电感、接收端谐振电容、单相整流模块；所述MCU控制器与所述DDS信号发生器通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述同相电流驱动模块通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述反相电流驱动模块通过导线连接；所述同相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述反相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述的高压取电变压器、高压取电整流模块、H4全桥逆变模块通过导线依次连接；所述的H4全桥逆变模块、调协电容阵列模块、发射端谐振电感、发射端谐振电容、双极板耦合电容发射端极板通过导线依次连接；所述H4全桥逆变模块与所述发射端谐振电容通过导线连接；所述双极板耦合电容发射端极板与所述双极板耦合电容接收端极板通过电场耦合的方式无线连接；所述的双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电容、接收端谐振电感、单相整流模块通过导线依次连接；所述接收端谐振电容与所述单相整流模块通过导线连接。

双极板电容式高压无线输电直流电源系统的工程安装布置如图2所示。其中，所述高压取电变压器、所述高压取电整流模块、所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路布置在高压输电线路上，可以与高压线路进行等电位连接。所述双极板耦合电容发射端极板与所述双极板耦合电容接收端极板嵌套在绝缘子串两端，形成一个稳定的耦合电容。所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容组成的接收端谐振电路以及单相整流模块布置在低压侧杆塔上，可以与大地进行等电位连接。

下面结合图1至图8介绍本发明的实施方式。所述MCU控制器用于产生DDS控制信号；所述DDS信号发生器根据MCU的控制信号产生频率可调的高频方波信号，高频方波信号的频率值和占空比由MCU根据采集到的发射端工作电流、电压等信息实时调节；所述同相电流驱动模块用于将频率可调的高频方波信号进行同相电流放大产生同相逆变驱动信号；所述反相电流驱动模块用于将高频方波信号进行反相电流放大产生反相逆变驱动信号；所述高压取电变压器用于将高压输电导线上的负荷电流通过电磁互感转换为工频交流电源；所述高压取电整流模块用于将工频交流电源整流成直流电源；所述H4全桥逆变模块用于根据同相逆变驱动信号以及反相逆变驱动信号的控制将直流电源逆变成高频交流电源；所述调谐电容阵列模块用于对所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路的自然频率进行调节，使之与所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容构成的接收端谐振电路的自然频率保持一致；所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容在高频交流电源的激励下产生一个高频高压的谐振电压；该高频高压的谐振点与双极板耦合电容发射端极板进行连接，并传输至所述双极板耦合电容接收端极板；双极板耦合电容接收端极板通过耦合过来的高频交流电激励接收端谐振电容以及接收端谐振电感，并产生较大的谐振电流；所述单相整流模块将接收端谐振电容以及收端谐振电感中的高频交流电整流成负载直流电源；所述发射端谐振电感与所述发射端谐振电容的连接点与所述双极板耦合电容发射端极板连接；所述高压取电整流模块的负极输出与高压输电导线等电位连接；所述接收端谐振电感与所述接收端谐振电容的连接点，与双极板耦合电容接收端极板连接；所述单相整流模块的负极输出与大地等电位连接。

以LC串联谐振的拓扑为例，双极板电容式高压无线输电直流电源系统的详细电路连接如图3所示。在图3中，所述的高压取电变压器、高压取电整流模块、H4全桥逆变模块共同等效为发射端的交流电源，所述发射端谐振电感与所述发射端谐振电容的连接点与所述双极板耦合电容发射端极板连接；所述高压取电整流模块的负极输出与高压输电导线等电位连接；所述接收端谐振电感与所述接收端谐振电容的连接点，与双极板耦合电容接收端极板连接；所述单相整流模块的负极输出与大地等电位连接。图3所示的电路连接的等效电路如图4所示，在耦合回路只有一个耦合电容，耦合回路的返回路径对于高频信号则等效短接。因此，双极板系统除了减少了极板数量之外，还降低了耦合回路的回路阻抗。作为对比，四极板CPT结构也在图5中给出。四极板系统的耦合回路的返回路径也具有一个耦合电容，考虑到电容的串联效果，该耦合电容会增大耦合回路的回路阻抗，从而降低系统的传输效率。此外，如图5所示，四极板系统的各个极板之间还存在交叉耦合，这也会增加系统分析与调试的难度。

对于耦合回路的双极板发射耦合电容与双极板接收耦合电容，考虑到圆形板占用面积较大，防风能力较弱，在实际使用时可以使用环形极板作为耦合极板。由于电荷分布的边缘效应，即电荷主要集中在耦合极板的边缘区域，因此，对耦合电容的主要贡献来自于耦合极板的边缘。因此，使用环状极板不会给耦合电容带来明显的降低。

本发明采用仿真分析法和实验法来证本发明的正确性和可行性。对于仿真分析法，在图4所示的电路中，高频工作条件下，所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路的非谐振点与所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容组成的接收端谐振电路的非谐振点建立等效短接，与双极板耦合电容一起构成耦合回路。

结合以上所得具体等效电路拓扑，根据具体电路的实测参数进行仿真分析，可得到如图6所示的四极板系统和双极板系统输出功率对比图和图7所示的四极板系统和双极板系统传输效率对比图。

如图6所示，双极板CPT系统和四极板CPT系统的输出功率均能达到63.4W，表明双极板CPT系统的有效性，但双极板CPT系统临界耦合距离和最大传输距离明显高于四极板CPT系统，在传输距离为70cm时，双极板CPT系统仍可保持45W的输出功率，约为四极板CPT系统的输出功率的3倍，证明双极板CPT系统具有更大的传输距离。

如图7所示，在同等的传输距离下，双极板CPT系统的传输效率始终高于四极板CPT系统。并且，在传输距离为70cm时，双极板CPT系统的峰值效率约为19％，接近四极板CPT系统的4倍。因而本发明所提出的双极板CPT系统相较于四极板CPT系统具有更高的传输效率和更远的传输距离。

结合上述系统分析和仿真结果搭建如图8所示CPT系统的实验电路结构图。系统利用MCU控制器控制DDS信号发生器产生高频方波信号，高频信号经过门极驱动模块功率放大后，用来驱动MOSFET组成的H4全桥逆变模块，将幅值可调的直流电源转变为实验所需的高频交流电压源。高频交流电压源通过调谐电容阵列模块产生高频交流电压，高频交流电压通过所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路产生高频高压电场，高频高压电场通过圆形金属薄片构成的耦合电容由双极板耦合电容发射端极板传递到双极板耦合电容接收端极板，并引起所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容组成的接收端谐振电路的谐振，从而实现能量的无线传输。为降低系统参数变化造成失谐影响，系统发射端配置有调谐电容阵列模块用来调整发射端谐振电路的自然频率，保持系统发射端谐振电路与接收端谐振电路的自然频率一致，以使系统保持较高的传输效率和较大的输出功率。所得的实际实验结果同样显示双极板系统可以为高压无线输电技术提供可靠供电系统，且相比于同条件下的四极板结构，传输效率更高，耦合结构更加简单。

综上所述，本发明双极板电容耦合谐振式高压无线输电系统能够应用于高压无线输电场合，此处双极板以圆形板为例，但不限于此，而是包含任何可能形状的电容极板，如环形板、方板、三角板等。凡是依据本发明所述特点对耦合极板的数量进行简化的系统，无论其极板形状如何，均应属于本发明所保护的技术范围。

CPT系统利用高频高压电场实现电能的无线传输，而LC串联谐振电路只是实现高频高压电场的一种方式。其他方式也可以包括LC并联谐振、LCC/LCLC补偿拓扑等方式。对于这些结构的CPT系统，均可依据本发明所述的基本原理，将发射端和接收端的非谐振点分别与高压线路和大地进行连接，从而将耦合极板数量从4个简化为2个，因此也属于本发明所保护的技术范围。

尽管本文较多地使用了MCU控制器、DDS信号发生器、同相电流驱动模块、反相电流驱动模块、H4全桥逆变模块、高压取电变压器、高压取电整流模块、调谐电容阵列模块、发射端谐振电容、发射端谐振电感、双极板耦合电容发射端极板、双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电感、接收端谐振电容、单相整流模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种双极板电容式高压无线输电直流电源系统，其特征在于包括：包括MCU控制器、DDS信号发生器、同相电流驱动模块、反相电流驱动模块、H4全桥逆变模块、高压取电变压器、高压取电整流模块、调谐电容阵列模块、发射端谐振电容、发射端谐振电感、双极板耦合电容发射端极板、双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电感、接收端谐振电容、单相整流模块；

所述MCU控制器与所述DDS信号发生器通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述同相电流驱动模块通过导线连接；所述DDS信号发生器与所述反相电流驱动模块通过导线连接；所述同相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述反相电流驱动模块与所述H4全桥逆变模块通过导线连接；所述的高压取电变压器、高压取电整流模块、H4全桥逆变模块通过导线依次连接；所述的H4全桥逆变模块、调协电容阵列模块、发射端谐振电感、发射端谐振电容、双极板耦合电容发射端极板通过导线依次连接；所述H4全桥逆变模块与所述发射端谐振电容通过导线连接；所述双极板耦合电容发射端极板与所述双极板耦合电容接收端极板通过电场耦合的方式无线连接；所述的双极板耦合电容接收端极板、接收端谐振电容、接收端谐振电感、单相整流模块通过导线依次连接；所述接收端谐振电容与所述单相整流模块通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的双极板电容式高压无线输电直流电源系统，其特征在于：所述MCU控制器用于产生DDS控制信号；所述DDS信号发生器根据MCU的控制信号产生频率可调的高频方波信号，高频方波信号的频率值和占空比由MCU根据采集到的发射端工作电流、电压等信息实时调节；所述同相电流驱动模块用于将频率可调的高频方波信号进行同相电流放大产生同相逆变驱动信号；所述反相电流驱动模块用于将高频方波信号进行反相电流放大产生反相逆变驱动信号；所述高压取电变压器用于将高压输电导线上的负荷电流通过电磁互感转换为工频交流电源；所述高压取电整流模块用于将工频交流电源整流成直流电源；所述H4全桥逆变模块用于根据同相逆变驱动信号以及反相逆变驱动信号的控制将直流电源逆变成高频交流电源；所述调谐电容阵列模块用于对所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容组成的发射端谐振电路的自然频率进行调节，使之与所述接收端谐振电感以及所述接收端谐振电容构成的接收端谐振电路的自然频率保持一致；所述发射端谐振电感以及所述发射端谐振电容在高频交流电源的激励下产生一个高频高压的谐振电压；该高频高压的谐振点与双极板耦合电容发射端极板进行连接，并传输至所述双极板耦合电容接收端极板；双极板耦合电容接收端极板通过耦合过来的高频交流电激励接收端谐振电容以及接收端谐振电感，并产生较大的谐振电流；所述单相整流模块将接收端谐振电容以及收端谐振电感中的高频交流电整流成负载直流电源；所述发射端谐振电感与所述发射端谐振电容的连接点与所述双极板耦合电容发射端极板连接；所述高压取电整流模块的负极输出与高压输电导线等电位连接；所述接收端谐振电感与所述接收端谐振电容的连接点，与双极板耦合电容接收端极板连接；所述单相整流模块的负极输出与大地等电位连接。