[发明专利]一种110kV高压无线供能系统感应取能装置设计方法

摘要

本发明公开了一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，包括无线传能系统功率需求侧分析、取能互感器能量抓取计算、基于功率需求的取能互感器参数约束设定。无线传能系统功率需求侧分析主要以高压线路绝缘距离为条件，运用无线传能技术隔空传输电能，通过计算综合效率，得出取能装置需提供的功率；取能装置能量抓取计算即利用电磁感应原理以两个半圆形铁芯为主体，计算带气隙铁芯的等效磁导率，并以此为参量，计算取能功率与取能装置各参数之间的关系；基于功率需求的取能互感器参数约束方法以取能功率为优化目标，以铁芯磁导率、线路电流波动等参数为约束条件，得出取能装置的优化设计方法。

主权项

一种110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置的设计方法，其特征在于，设计方法包括如下步骤：步骤(1)，根据110kV输电线路绝缘距离，拟定无线电能传输系统的工作频率为MHz级；步骤(2)，确定感应取能装置的取电功率：当无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈均调谐至谐振状态时，计算发射线圈与接收线圈间的能量传输效率为：η=(ωM)2RL(r2+RL)[r1(r2+RL)+(ωM)2]]]>其中，r1、r2分别为发射线圈与接收线圈的内阻，RL为在线监测设备等效至接收线圈侧的负载内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，ω为无线电能传输系统工作角频率；根据在线监测设备等效阻值、在线监测设备功率、无线电能传输系统的工作频率、发射线圈与接收线圈间的能量传输效率以及取能装置保护控制电路、高频变换装置、整流稳压装置的转换效率，计算得到感应取能装置的取电功率；步骤(3)，确定感应取能装置中带气隙铁芯的等效磁导率以及感应取能装置取能绕组输出端电压的大小：假设感应取能装置中两个半圆铁芯之间的气隙为δ，半圆铁芯高度为h，半圆铁芯内外半径分别为a、b，得到两个半圆铁芯形成的总磁路等效磁导率其中，le为半圆铁芯中的磁路长度，lt为带气隙铁芯中的总体等效磁路长度，ε为气隙处磁场的边缘效应系数，μ0为真空磁导率、μr为铁芯的相对磁导率；由感应取能装置等效电路计算其取能绕组输出端电压E2为：E2=-NsdΦm(t)dt=2Nsμ′fImsin(ωt)ln(ba)h]]>其中，Ns为取能绕组的线圈匝数，Φm(t)为t时刻带气隙铁芯中通过的磁通，f为励磁电流频率，Im为励磁电流大小，Im＝I1‑NsI2，I1为输电线路中的电流大小，I2为取能绕组输出电流大小；步骤(4)，获得感应取能装置的负载功率与自身参数设计之间的关系：根据所述E2及取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，得到感应取能装置的负载功率Po＝[(Re(I2))2+(Im(I2))2]·RL'；其中，RL'为取能绕组输出端的等效外负载阻值；步骤(5)，设定域值约束条件，根据所述域值约束条件确定优化设计目标值，所述优化设计目标值包括半圆铁芯内外半径分别为a、b，两个半圆铁芯之间的气隙δ，铁芯高度为h，取能绕组的线圈匝数Ns；其中，所述域值约束条件包括：①带气隙铁芯参数约束条件：当输电线路中的电流最小时带气隙铁芯中的磁场强度大于铁芯初始磁场强度Br，且当输电线路中的电流最大时带气隙铁芯中的磁场强度小于饱和磁场强度Bm max，即Br≤Immin·μ′ltBmmax≥Immax·μ′lt,]]>Im min为最小励磁电流，Im max为最大励磁电流；②气隙δ的约束条件：在输电线路电流小于0.2I0时感应取能装置输出功率应大于等于0.2P0，且当取能绕组输出端开路时铁芯不过分饱和，即气隙δ的设计应满足：其中，I0为输电线路设计的输电电流值，P0为感应取能装置的取电设计功率，I1max为输电线路电流最大值、Bmax为铁芯饱和磁感应强度、γ为饱和系数、E2min为感应取能装置的负载侧所需最小电压值；③取能绕组的线圈匝数Ns的约束条件：a)取能绕组的内阻值应小于等于取能绕组输出端的等效外负载阻值大小，使得取能绕组输出功率最大，即线圈匝数Ns应满足：其中ρcu、Scu分别为取能绕组的电阻率与截面积；b)由于取能绕组至多只能绕满一个半圆铁芯，故线圈匝数Ns与半圆铁芯内半径的约束关系为：Ns≤πa2πScu.]]>