電容式電場(chǎng)能收集裝置整流調理電路MPPT技術(shù)

本文提出了電容式電場(chǎng)能集能裝置整流調理電路最大功率跟蹤控制技術(shù)(Maximum Power Point Tracking-MPPT)，給出了用于變電站傳感器供電的直流網(wǎng)絡(luò )，設計了用于電容式電場(chǎng)能集能裝置MPPT 控制的電路拓撲，并將擾動(dòng)觀(guān)察法用于其MPPT 控制，對電路的性能與MPPT算法進(jìn)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(wú)線(xiàn)傳感器電場(chǎng)能供電的實(shí)用化打下基礎。

1 引言　　

在智能電網(wǎng)規劃的推動(dòng)下，變電站系統的綜合自動(dòng)化是未來(lái)變電站的發(fā)展趨勢，其監控和通信系統的重要性日益凸顯。在智能化變電站實(shí)時(shí)精確的數據監測要求下，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢?！　?/P>

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應用前景，但其能量的供給問(wèn)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、采用新的能量傳輸等方法，因安全性及可靠性不足等缺點(diǎn)而被擱置。而收集周?chē)h(huán)境中的能量(太陽(yáng)能、電磁能等)并將其轉換為電能的自供能技術(shù)可以有效解決無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的能量供給問(wèn)題?！　?/P>

高壓變電站或高壓設備周?chē)N含豐富的電磁能量。測試數據表明，500kV 變電站內的工頻電場(chǎng)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(xiàn)，補償電容電感周?chē)?，電磁能測量數值甚至更高。因此，變電站內電磁場(chǎng)能量相當豐富，若能有效的加以收集利用，可作為變電站內無(wú)線(xiàn)傳感器自供能的理想供能方式?！　?/P>

本文針對電場(chǎng)能的收集利用進(jìn)行研究。工頻電場(chǎng)能的收集是利用靜電感應原理，置于電場(chǎng)中的兩金屬極板感應出不同的電動(dòng)勢，二者的電勢差可用于負載供電，實(shí)現電場(chǎng)能到電能的轉換?！　?/P>

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

目前，電場(chǎng)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(shù)(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(luò )，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(chǎng)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(chǎng)能集能裝置輸出電流-并網(wǎng)功率(Iorms ? Pdc )曲線(xiàn)，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(dòng)觀(guān)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(jìn)行驗證，并在系統各參數變化時(shí)，驗證該算法的有效性?！　?/P>

2. 變電站無(wú)線(xiàn)傳感器用直流網(wǎng)絡(luò )　　

變電站傳感器周?chē)衫玫淖怨┠苣芰恐饕ㄌ?yáng)能與電磁場(chǎng)能等，由于太陽(yáng)能具有輸出間歇性強，受外界環(huán)境因素影響大，不適合室內使用等缺點(diǎn)，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(chǎng)能豐富且穩定存在，幾乎不存在間歇性等問(wèn)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(wú)線(xiàn)傳感器直流供電網(wǎng)絡(luò )，其結構如圖1 所示，箭頭方向表示功率流向。在變電站無(wú)線(xiàn)傳感器用直流網(wǎng)絡(luò )中，供電電源、儲能裝置、用電設備通過(guò)電力電子裝置與一條直流母線(xiàn)相連，供電電源均為可收集周?chē)h(huán)境能量的自供能電源，如光伏電池，電磁場(chǎng)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(xiàn)選為48V，48V 直流電可直接為變電站內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(luò )中各元件控制方式為：正常情況下備用電池處于充滿(mǎn)狀態(tài)，當超級電容能量未充滿(mǎn)時(shí)，光伏電池板輸出斬波電路工作于MPPT 模式，電磁場(chǎng)轉換器也工作在MPPT 模式，超級電容工作在電壓控制模式，用來(lái)穩定直流母線(xiàn)電壓，實(shí)現功率平衡;當自供能電源輸出的功率大于負載消耗的功率時(shí)，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(mǎn)時(shí)，光伏電池斬波電路工作于電壓控制方式，用來(lái)穩定直流母線(xiàn)的電壓，電磁場(chǎng)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(mǎn)足負載的用電需求時(shí)，啟動(dòng)備用電池進(jìn)行供電，這種狀態(tài)為緊急狀態(tài)，只在故障情況下才會(huì )產(chǎn)生，設計時(shí)應使自供能的功率滿(mǎn)足負載的用電需求。

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

3.電場(chǎng)能集能裝置整流調理電路拓撲　　

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

由電磁場(chǎng)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(shí)，其等效電路模型可近似為一個(gè)交流電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)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。

根據公式(4)到(6)，要想降低電容集能裝置的電源內容抗，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(huì )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(huì )導致電容輸出電壓的降低，所以，需要同時(shí)具備整流與升壓功能的電力電子調理輸出電路，使電場(chǎng)能集能裝置輸出可并入48V 直流母線(xiàn)?！　?/P>

因此，選用PWM 整流器作為電場(chǎng)能集能裝置調理輸出電路。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 為系統等效內阻，包括集能裝置內電阻，電力電子裝置內電阻等，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(gè)全控型