基于空间电场能量的集能转换技术研究

摘要

智能电网是未来电力工业的发展方向，它要求具有先进的传感测量和信息交互以实现电网状态的实时监测和控制。无线传感器网络因先进的传感和测量特性在未来智能电网中具有广阔的应用前景，但是能量供给问题却成为其进一步发展的瓶颈。基于周围环境能量的集能转换技术提供了有效的解决途径，特别是在高压变电站中，基于空间电场能量的集能转换技术比其他集能转换技术更具优势而备受关注，成为业界研究的热点。
　　平板型集能拓扑结构简单，本文在推导得到的集能拓扑等效模型的基础上分析了其集能效果的影响因素，其中外电场方向对其集能效果影响明显。为改善外电场方向对集能效果的影响，提出新型的半球型集能拓扑结构。通过平行细圆环电容积分的方法建立半球型集能拓扑的数学解析模型，并以实验测量验证模型的有效性。以所占空间体积相同为限制条件，对比两种集能拓扑的集能效果，并辅以不同拓扑结构和参数的输出特性实验，验证理论分析的可靠性。
　　对比不同的能量存储方法，选择合适的能量存储单元。理论分析典型调理电路负载电流的影响因素，提出集能拓扑和调理电路的优化措施。针对外电场及传感器等效负载变化，提出输出特性更优的稳压调理单元。从非线性理论的角度分析外电场波动对调理主电路工作性能的影响，给出合适的输入电压波动范围。建立稳压调理电路的大信号和动态扰动模型，在此基础上给出调理电路的反馈网络设计原则。最后，仿真验证了电路设计和参数选择的可行性。
　　搭建整个集能转换系统的实验平台，以实验验证集能转换装置的整体工作性能。集能拓扑与典型调理电路结合，在不同工况下实验观察集能系统的集能效果，以验证理论分析的有效性。将半球型集能拓扑与稳压调理电路结合为基于电场能量的集能转换装置，研究装置在实验室模拟电场环境下的输出电压特性和稳定性，为整个装置的实用化奠定基础。