基于空间电磁能的无线传感器自供能技术研究

摘要

发展智能电网是当今电力工业的核心内容，而无线传感器网络作为智能电网高级量测体系的重要组成部分，也成为工业界和学术界的研究热点。现场供能问题是束缚无线传感器网络规模化应用的重要瓶颈，而自供能技术的发展为其提供了一种有效的解决途径。基于变电站空间电磁能的自供能技术，因比其他自供能方式更具优势而受到更多关注，在高压电力系统中的应用前景广阔。
　　 本文旨在发展基于空间电磁能的无线传感器自供能技术，分别针对电场能和磁场能的收集开展相关理论探索与技术创新研究，以期解决制约工程化应用的关键问题。
　　 针对平板型电场集能转换器适应性差、集能效率低等问题，研究提出一种新的球冠型集能转换器拓扑，并在圆环坐标系下基于分离变量法建立了其解析模型，导出转换器空间电势及电容的完整解析形式。提出储能增量系数的概念以表征球冠型转换器对电容储能的改善程度，并导出以球冠开口半径与球半径之比为变量的储能增量系数表达式，可作为拓扑优化的目标函数。针对不同空间尺寸的球冠型拓扑进行储能增量系数的测试研究，验证了所建立球冠型转换器拓扑解析模型的正确性。研究结果为自供能装置集能转换器的优化设计奠定了理论依据。
　　 为解决传统调理单元电路存在的负载适应性差、传输效率低、启动时间长等问题，提出两种调理单元拓扑形式以适应不同的外电场工况条件。建立了含稳压电路调理单元拓扑的大信号模型和动态扰动分析模型，藉此研究其静态稳定性和动态扰动工作特性，获得关键参数计算公式，实现反馈补偿网络的设计。证明存在最优占空比使得电路具有最大输出功率，并据此设计了以输出功率最大化为目标的调理单元闭环控制驱动电路。仿真结果验证了上述调理单元拓扑建模及参数选择方法的有效性。
　　 在电场集能转换器和调理单元优化分析的基础上，设计了不同类型的自供能装置实验样机并搭建了实验平台，对自供能系统的整体性能开展测试研究。实验结果验证了上述建模和优化方法的有效性，并指出不同调理单元拓扑可稳定工作的电场变化范围，为自供能装置的工程应用提供了重要依据。
　　 论文还针对基于磁场能的自供能技术开展了探索研究，提出环绕式和分离式两种磁能转换器拓扑结构。建立了环绕式磁能转换器拓扑的数学模型，并定义感应系数以表征其磁能收集能力，给出环绕式磁能转换器的优化设计原则。针对分离式磁能转换器，提出有效磁导率的概念及其计算方法，并以骨架长度与直径之比为变量给出有效磁导率的函数表达式，进而由此建立转换器最大输出功率的估算方法。实验研究表明该估算方法有效，可为分离式磁能转换器的优化设计提供理论和实验依据。
　　 本文研究重点围绕基于空间电磁能的自供能关键技术，进一步发展了相关理论基础、系统建模与仿真分析方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无线传感器自供能技术的研究意义

1．2 无线传感器自供能技术的研究现状

1．2．1 基于太阳能的自供能技术

1．2．2 基于振动能的自供能技术

1．2．3 基于热能的自供能技术

1．2．4 基于电磁能的自供能技术

1．2．5 基于其他形式能量的自供能技术

1．2．6 变电站内基于电场能的自供能技术研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 自供能电容式转换器的建模及性能优化

2．1 传统平板型电容转换器的工作原理及特性分析

2．1．1 平板型电容转换器的性能指标

2．1．2 仿真与分析

2．1．3 电容式转换器的储能优化与约束条件

2．2 球型电容转换器的工作原理及特性分析

2．2．1 球型转换器的数学建模

2．2．2 球型转换器仿真与分析

2．3 球冠型电容转换器的工作原理及特性分析

2．3．1 球冠型转换器的数学建模

2．3．2 球冠型转换器优化分析

2．3．3 储能增量系数实验

2．4 本章小结

第三章 自供能装置调理单元设计研究

3．1 调理单元总体设计要求与原则

3．2 传统调理单元分析

3．3 集能加速调理单元设计与分析

3．3．1 集能加速调理单元分析

3．3．2 集能加速调理单元参数选择原则

3．4 稳压调理单元设计与分析

3．4．1 大信号建模与关键参数选择

3．4．2 动态小信号建模

3．4．3 最大功率控制策略

3．5 本章小结

第四章 基于电场能的自供能系统实验研究

4．1 电容式转换器工作特性实验

4．2 集能加速调理单元工作特性实验

4．3 稳压调理单元工作特性实验

4．4 本章小结

第五章 磁能转换器的拓扑设计与实验探索研究

5．1 环绕式磁能转换器原理分析与优化设计

5．1．1 环绕式磁能转换器的原理分析

5．1．2 环绕式磁能转换器的优化设计原则

5．1．3 环绕式磁能转换器的实验研究

5．2 分离式磁能转换器原理分析与优化设计

5．2．1 电缆沟槽附近磁场能估算

5．2．2 分离式磁能转换器的原理分析

5．2．3 有效磁导率的计算

5．2．4 分离式磁能转换器集能估计

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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