電容式電場能收集裝置整流調(diào)理電路MPPT技術

本文提出了電容式電場能集能裝置整流調(diào)理電路最大功率跟蹤控制技術(Maximum Power Point Tracking-MPPT)，給出了用于變電站傳感器供電的直流網(wǎng)絡，設計了用于電容式電場能集能裝置MPPT 控制的電路拓撲，并將擾動觀察法用于其MPPT 控制，對電路的性能與MPPT算法進行仿真驗證，仿真結果表明了文中電路拓撲性能的優(yōu)越性與控制算法的有效性。本文的研究為智能電網(wǎng)無線傳感器電場能供電的實用化打下基礎。

1 引言　　

在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動下，變電站系統(tǒng)的綜合自動化是未來變電站的發(fā)展趨勢，其監(jiān)控和通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。在智能化變電站實時精確的數(shù)據(jù)監(jiān)測要求下，基于無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信技術具有明顯的優(yōu)勢。　　

無線傳感器網(wǎng)絡在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應用前景，但其能量的供給問題卻未得到有效解決。為此而嘗試采用的增加電池能量密度、采用新的能量傳輸?shù)确椒?，因安全性及可靠性不足等缺點而被擱置。而收集周圍環(huán)境中的能量(太陽能、電磁能等)并將其轉(zhuǎn)換為電能的自供能技術可以有效解決無線傳感器網(wǎng)絡的能量供給問題。　　

高壓變電站或高壓設備周圍蘊含豐富的電磁能量。測試數(shù)據(jù)表明，500kV 變電站內(nèi)的工頻電場一般較大，最大可達18kV/m，磁感應強度達70-90μT，在某些近高壓設備處如變壓器母線，補償電容電感周圍，電磁能測量數(shù)值甚至更高。因此，變電站內(nèi)電磁場能量相當豐富，若能有效的加以收集利用，可作為變電站內(nèi)無線傳感器自供能的理想供能方式?！　?/P>

本文針對電場能的收集利用進行研究。工頻電場能的收集是利用靜電感應原理，置于電場中的兩金屬極板感應出不同的電動勢，二者的電勢差可用于負載供電，實現(xiàn)電場能到電能的轉(zhuǎn)換?！　?/P>

由于電場能集能裝置輸出特性曲線會隨環(huán)境條件如電場強度、環(huán)境溫度、濕度等因素的變化而變化，在一定的電場強度、環(huán)境溫度、濕度下，電場能集能裝置工作在不同的輸出電流會對應輸出不同的功率，但有且只有一個電流對應的電場能集能裝置輸出功率最大，這個電流對應的工作點就是其最大功率點。外基金資助項目：國家自然科學基金資助項目(51107068)部環(huán)境穩(wěn)定的條件下，電場能集能裝置的輸出功率也會隨負載的變化而變化，只有當負載阻抗與電場能集能裝置阻抗匹配時，電場能集能裝置才能輸出最大功率，工作在最大功率點。外部環(huán)境和集能裝置負載經(jīng)常是變化的，為了使電場能集能裝置輸出最大功率，需要根據(jù)環(huán)境和負載的變化情況不斷調(diào)整工作點，使其輸出最大功率，此調(diào)節(jié)過程即為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking-MPPT)。　　

目前，電場能發(fā)電作為一種新能源發(fā)電形式，其最大功率跟蹤技術(MPPT)的研究還處于空白狀態(tài)。本文給出了用于變電站傳感器供電的直流網(wǎng)絡，分析了其中各種電源和儲能設備的控制方式，設計了用于電容式電場能集能裝置MPPT 控制的電路拓撲，分析了其對比于其他電路拓撲的優(yōu)越性。給出電場能集能裝置輸出電流-并網(wǎng)功率(Iorms ? Pdc )曲線，闡述了MPPT控制的必要性，分析了其并網(wǎng)電流輸出特性，設計了其電流二次諧波濾波方式，將擾動觀察法用于其MPPT 控制。最后以仿真的形式對電路的性能與MPPT算法進行驗證，并在系統(tǒng)各參數(shù)變化時，驗證該算法的有效性?！　?/P>

2. 變電站無線傳感器用直流網(wǎng)絡　　

變電站傳感器周圍可利用的自供能能量主要包括太陽能與電磁場能等，由于太陽能具有輸出間歇性強，受外界環(huán)境因素影響大，不適合室內(nèi)使用等缺點，單獨使用此供電方式很難保證傳感器供電的可靠性。而在變電站中，電磁場能豐富且穩(wěn)定存在，幾乎不存在間歇性等問題，因此，將各種供電方式綜合利用并與儲能裝置配合使用，即得到變電站無線傳感器直流供電網(wǎng)絡，其結構如圖1 所示，箭頭方向表示功率流向。在變電站無線傳感器用直流網(wǎng)絡中，供電電源、儲能裝置、用電設備通過電力電子裝置與一條直流母線相連，供電電源均為可收集周圍環(huán)境能量的自供能電源，如光伏電池，電磁場能集能裝置等，儲能設備包括超級電容，備用電池等，其中備用電池為可選元件?？紤]到傳感器供電電壓及安全性等因素，直流母線選為48V，48V 直流電可直接為變電站內(nèi)傳感器或其它用電設備供電也可經(jīng)DC/DC 斬波后為它們供電。

直流網(wǎng)絡中各元件控制方式為：正常情況下備用電池處于充滿狀態(tài)，當超級電容能量未充滿時，光伏電池板輸出斬波電路工作于MPPT 模式，電磁場轉(zhuǎn)換器也工作在MPPT 模式，超級電容工作在電壓控制模式，用來穩(wěn)定直流母線電壓，實現(xiàn)功率平衡;當自供能電源輸出的功率大于負載消耗的功率時，超級電容吸收能量，反之，超級電容則放出能量;當儲能裝置能量均充滿時，光伏電池斬波電路工作于電壓控制方式，用來穩(wěn)定直流母線的電壓，電磁場能集能裝置工作在MPPT 模式;當超級電容放完電且自供能電源輸出能量不足以滿足負載的用電需求時，啟動備用電池進行供電，這種狀態(tài)為緊急狀態(tài)，只在故障情況下才會產(chǎn)生，設計時應使自供能的功率滿足負載的用電需求。

本文研究的重點如圖1 所示，為電場能集能裝置及其輸出整流調(diào)理電路。電磁場能集能裝置整流調(diào)理電路始終工作于MPPT 模式，使電場能集能裝置輸送至電網(wǎng)的功率達到最大。　

3.電場能集能裝置整流調(diào)理電路拓撲　　

電容式電場能電場能集能裝置，是用平板電容器置于交變的電場中，其兩端感應出交流電壓，將電場能轉(zhuǎn)換為電能，向負載進行供電。其結構如所圖2 示。

由電磁場理論可知，平行板電容器的存儲能量可表示為：

當集能電容做為電源，向外輸出電能時，其等效電路模型可近似為一個交流電壓源串聯(lián)一個電阻和一個電容，其中，電阻為集能裝置輸出損耗等效電阻，電容為集能裝置的電源輸出電容，其值等于集能電容器的電容值。

根據(jù)公式(4)到(6)，要想降低電容集能裝置的電源內(nèi)容抗，需要增大集能裝置的電容。減小極板間距離可以增大集能電容，但電容極板距離的減小又會降低極板之間的電壓。因此，可采取在電容兩極板間加入介電常數(shù)較高的介質(zhì)，增大極板的面積，減小極板之間的距離等措施，但這些措施又會導致電容輸出電壓的降低，所以，需要同時具備整流與升壓功能的電力電子調(diào)理輸出電路，使電場能集能裝置輸出可并入48V 直流母線?！　?/P>

因此，選用PWM 整流器作為電場能集能裝置調(diào)理輸出電路。其電路拓撲如圖3 錯誤!未找到引用源。所示。ac V 表示集能裝置等效交流電壓有效值，R 為系統(tǒng)等效內(nèi)阻，包括集能裝置內(nèi)電阻，電力電子裝置內(nèi)電阻等，C為集能裝置輸出電容，L為PWM整流電路輸入電感，o i 為集能電容輸出電流，S1 ~ S4為四個全控型