智能电器高压端取电电源研究与设计

摘要

智能电网将信息技术、传感器技术、自动控制技术与电网基础设施融合来获取电网的全景信息，进而实现全网的智能调控。电网运行状态的监控又依赖于实现监测功能的高压智能电器，高压智能电器将采集到的电网状态信息传递给在线监测装置，再由在线监测装置通过通信设备发送给智能电网控制中心来实现实时监测电网状态的功能。高压端智能电器的信号检测转换系统和通信设备因为不能直接使用输电线路的电能作为电源而限制了这些智能电器的使用范围，如果能够从高压端获取电能作为这些电器的工作电源，可扩大这些电器的适用范围，对提高电网的智能化水平有重要意义。本文以高压端取电电源为研究对象，进行了取电系统的设计，并搭建实验平台进行实验测试。
　　高压端取电电源需要解决的关键性问题是输电线路电流波动和环境变化对取电电路输出功率的影响。针对这个问题本文提出了一种新的取电电路解决方案，其主体由高压电容、特制的隔离变压器串联组成，通过在变压器二次侧并联分压电容和串联匹配电感实现限压、提高输出功率的功能。通过建立基于理想变压器和非线性饱和变压器电路模型，对取电电路的输入输出特性、带载能力和雷击过电压特性进行了仿真，结果表明取电电路满足设计要求，不受电流波动和环境因素影响，能够稳定输出一定的功率，具有过压自我保护能力。根据取电电路的等效电路，详细给出了取电电路各器件参数计算方法，并给出了取电变压器设计方法以及补偿电感和分压电容的选择原则。
　　基于该取电电路设计了完整的取电系统，取电系统由高压取电电路、稳压滤波电路、储能系统以及保护电路组成。其中，以超级电容器组作为能量存储系统，设计两种超级电容均压方案—开关电阻均压法和多级飞渡电容均压法，仿真和实验证明均压效果良好。所设计的高压取电电源样机参数为系统高压交流6000V时，稳定输出直流24V、10W功率，通过样机空载升压、样机带固定负载、样机为超级电容充电、超级电容驱动断路器储能电机等实验验证了取电系统的可靠性和实用性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 高压端智能电器供电方法

1．3 本文的主要工作

2 高压取电电路拓扑与特性分析

2．1 高压端取电电路拓扑

2．2 基于取电变压器理想模型的取电电路特性分析

2．3 基于取电变压器非线性模型的取电电路特性分析

2．4 本章小结

3 高压取电电路设计

3．1 基于取电变压器理想模型的电路参数设计

3．2 基于取电变压器非线性模型的电路参数设计

3．3 高压电容、补偿电感、分压电容的选取

3．3．1 高压限流电容的选取

3．3．2 补偿电感L和分压电容C2的设计与选取

3．4 取电变压器设计与实现

3．5 保护电路设计与实现

3．5．1 低压侧工频过电压保护电路设计

3．5．2 高压侧雷击过电压保护电路设计

3．6 本章小结

4 基于超级电容器储能的高压取电电源系统设计

4．1 实用高压取电电源系统

4．2 超级电容储能系统设计

4．2．1 超级电容均压原理与要求

4．2．2 开关电阻法串联均压电路设计

4．2．3 飞渡电容法串联均压电路设计

4．3 能量管理策略

4．4 超级电容能量优化电路

4．5 本章小结

5 实验研究与结论

5．1 超级电容器串联均压实验

5．1．1 开关电阻法超级电容器串联均压实验

5．1．2 飞渡电容法超级电容器串联均压实验

5．2 取电电路实验测试

5．2．1 样机实物

5．2．2 取电电路空载升压实验

5．2．3 超级电容器组充电实验

5．2．4 工频过电压保护实验

5．2．5 高压取电电源系统功率测试实验

5．3 超级电容驱动直流电机实验

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢