基于自适应功率输出控制的电流互感器取能电源设计方法

0 引言

随着电力企业对供电可靠性要求的不断提高，在线监测设备的种类和数量越来越多，其监测的功能也越来越全面，如电子式互感器的电压/电流测量、导线温度的在线监测、在线故障测距及输电线路倾角监测等［1-2］。各类在线监测设备的可靠工作是电网安全稳定运行的重要保障，但当在线监测设备远离常规电源或者安装在高压侧时，其电源问题则成为影响其可靠工作的关键问题之一［3］。

目前，除了常规电源外，主流的供电方式还有太阳能或风力发电、电容分压取电、激光供电和电流互感器（TA）取能等。其中，太阳能或风力发电受天气因素的影响较大，且需要配合蓄电池使用，当出现连续的恶劣天气时电源可能停止供电，且蓄电池的寿命也使该方法应用受限［4-6］。电容分压取电是利用电容串联分得高压侧母线上的电压，该方法的不足是其获取的能量受限且绝缘可靠性较差［7-8］。激光供能是利用低压侧发射激光，通过光纤传输到高压侧设备内部转换为电能为其供电，该方法不适合在野外及架空线设备上使用［9-10］，且激光器的长期工作寿命也是目前该方式存在的问题。TA 取能是利用母线电流磁场激励获取能量的一种自供电方式。与其他供电方法相比，该方式具有可靠性高且成本低的优势，因此也成为目前使用率最高的供能方法［11-17］。TA 取能的关键是要满足母线电流的大动态范围要求，其通常存在小电流时正常工作，而大电流时电源发热严重的问题［18］。为使电源在大母线电流时依然以低热耗状态稳定工作，需要对TA在大电流时的输出功率加以控制。文献［19］提出了一种利用过压检测通过主控CPU 控制功率输出的方法，但该方法的实现过于烦琐。

针对以上问题，本文提出了一种自适应功率输出控制的TA 取能电源设计方法，该方法通过控制双向晶闸管的通断达到控制TA 功率输出的目的，且功率输出的导通时间根据母线电流大小自适应调节而无需CPU 控制。该方法既保证了电源在小电流时的功率输出，同时解决了大电流时电源的发热问题，保证了电源的使用寿命。

1 电源组成原理

1.1 线圈取能原理

将外接负载视为阻性负载，为简化分析，忽略铁芯损耗和漏电势，带负载取能线圈的等效模型见附录 A 图 A1。

根据电磁感应定律和全电流定律，线圈的励磁电流构建出铁芯磁通，副边根据变化的磁通感应出电动势，线圈输出电压有效值E2 的表达式如式（1）所示。

式中:N2 为线圈副边匝数；φm 为线圈铁芯内部通过的磁通最大值；f 为母线电流的频率。

由式（1）可知，副边匝数和电流频率一定时，E2与 φm 成正比，根据全电流定律［20］可知:

式中:Bm 为铁芯内部磁感应强度的最大值；A 为铁芯的横截面积；μ 为铁芯的有效磁导率；μ0 为真空磁导率；μr 为相对磁导率；Hm 为铁芯内部磁场强度的最大值；N1 为线圈的原边匝数；Im 为励磁电流的最大值；L 为平均磁路长度。在铁芯不饱和时，μ 可视为常数。输电导线作为取能线圈的原边，在计算时原边匝数N1 取1。

取能线圈的等效电路见附录A 图A2，其中:Zm为 励 磁 阻 抗为 原 边 电 流 为 铁 芯 的 励 磁 电 流 ，为副边电流折算到原边的电流。根据等效电路可知三者的关系为:

用矢量图表示各部分的关系见附录A 图A3。负载为全阻性负载，其负载电压和通过的电流同相位。由式（1）知 超前的相位为 90°，即超前的 相 位 为 90°。 α 为 原 边 电 流 和 励 磁 电 流 之 间 的相位差，与负载的大小有关，负载一定时，α 为一常数［19］。

线圈的输出功率P 可表示为:

线圈所能提供的最大输出功率为:

为保证电源正常工作，线圈输出电能须大于负载消耗的电能，其表达式需满足:

式中:T 为线圈输出电流的一个周期；Pout 为负载消耗的能量；Vout 为电源的输出电压；RL 为负载阻值；η1 为电源的能量转换效率（0 ＜ η1 ＜ 1）。

当线圈提供的电能大于负载和电路消耗电能的总和时，电源即可保证负载正常工作。但当母线电流过大时，线圈输出的过剩的电能将会导致电源严重发热［20-21］，通过本文所提出的对线圈输出功率的自适应输出控制可有效解决该问题。

1.2 自适应控制原理

自适应功率输出控制即通过利用双向晶闸管的通断特性，控制取能线圈的功率输出时间，使其每半个周期对外输出的总电能略大于该半个周期内负载消耗的电能，从而避免了大电流时电源发热。图1为自适应控制原理的简单示意图，其中TR 为双向晶闸管，C 为储能电容。

图1 自适应控制原理简单示意图
Fig.1 Simple schematic diagram of self-adaptive control principle

因双向晶闸管有电流过零自动关断的特性，所以能在一个周期内实现2 次“导通-关断”，且在正负各1/2 周期内其实现过程一致。线圈输出功率断开期间，由储能电容对DC/DC 单元供电。双向晶闸管和储能电容的状态如图2 所示。

图2 双向晶闸管及储能电容状态图
Fig.2 State diagram of bidirectional thyristor and energy storage capacitor

图2 中，UTR 和UC 分别为双向晶闸管两端电压和储能电容电压，状态1 和状态2 分别代表电源正常工作期间双向晶闸管和储能电容同时刻所处的状态。初始状态为母线通电瞬间，此时双向晶闸管端呈关断状态，UTR=0，储能电容无初始电能，UC=0。随着线圈功率对外输出，UTR 开始上升，晶闸管仍处于关断状态，储能电容开始充电，UC 上升，此时为状态1。当线圈输出的电能满足负载的消耗，晶闸管导通使线圈输出功率断开，储能电容开始放电，UC 下降，此时为状态2。当晶闸管因线圈输出电流过零而关断之后，线圈输出功率开启，重新回到状态1。此后，状态1 和状态2 不断循环，周而复始。

由于晶闸管导通需要的触发电流很小，线圈输出电流的上升速率相比于导通触发电流较大，所以导通过程所需时间极短，可实现在微秒级内开通［21］。为使导通能力更加可靠，采用2 个晶闸管级联的形式，利用小功率控制大功率，功率可被放大高达几十万倍。

2 电路设计

根据1.2 节的原理分析，自适应功率输出控制的TA 取能电源应该包括取能线圈、自适应控制单元和DC/DC 单元3 个部分，其结构组成见附录A图A4。

取能线圈从母线中取出电能后向自适应控制单元中的储能电容充电，同时向DC/DC 单元输出；自适应控制单元负责控制取能线圈的功率输出，使线圈在不同母线电流时输出相等的电能，同时保证DC/DC 单元处于安全工作电压范围内；DC/DC 单元的作用是把输入的电能转换为一固定大小的直流电压以供负载消耗。

图3 为根据1.2 节中的原理分析而设计的一种实现自适应功率输出控制的电路形式，电源按额定工作电流1 000 A 进行设计，启动电流为20 A，最大工作电流为2 000 A。图3 中TR1和TR2为双向晶闸管，BR 为低功耗整流桥，C2 为储能电容。压敏电阻RV 用于过电压保护，C1 和R1 组成的阻容吸收回路用来吸收晶闸管通断瞬间产生的振荡电压和冲击电流。C3 并联在DC/DC 单元的输入端，起到滤除杂波的作用。取能线圈输出电流的周期与母线电流一致，均为T。

图3 自适应功率输出控制电路
Fig.3 Control circuit of self-adaptive power output

图4 为自适应功率输出控制电路的理想波形曲线，其中:IL 为取能线圈电流；UTR2 为双向晶闸管TR2两端的电压，即线圈输出电压；UC2 为储能电容的电压，UCH 和UCL 分别为储能电容电压最大值和最小值。

图4 自适应功率输出控制电路时序图
Fig.4 Time sequence diagram for control circuit of self-adaptive power output

选取t0 时刻作为周期初始时刻，线圈输出电流从0 A 开始上升，晶闸管此时处于关断状态。由于线圈副边的杂散电容很小，线圈输出电压上升很快，达到UCL 的用时很短，分析时可以忽略。当线圈输出电压值大于储能电容电压时，线圈输出电流开始向DC/DC 单元供电及向储能电容充电，储能电容的电压开始上升。经过一段时间的充电，t1 时刻储能电容电压达到DC/DC 输入电压安全上限，同时线圈输出电压上升到稳压管导通的阈值，稳压管D2开始导通，R5 和R6 有电流通过并分得电压，双向晶闸管TR1的门极G1 和T1 极之间的电压即为电阻R6的电压。双向晶闸管为电流型触发元件，门极G1 和T1 极间的电压经电阻R4 变为电流信号，当该电流大于触发电流，双向晶闸管TR1 导通，电流流过R2 和R3。同理，当R2 分得电压后，双向晶闸管TR2 的门极G2 和A1 之间的电流达到触发阈值，TR2导通。此时线圈副边被短路，不再向后续电路提供电能。

线圈被短路期间，储能电容继续向DC/DC 单元供电，在这期间储能电容的电压持续下降。储能电容放电过程一直持续到t2 时刻线圈输出电流过零，双向晶闸管自动关断，随后开始负1/2 周期的取能过程，储能电容电压停止下降后开始回升。

状态1 时励磁电流较大，但因其持续时间随母线电流增大而缩短，发热量有限，因此很好地解决了状态1 时的铁芯发热问题。状态2 时由于副边绕组处于短路状态，此时铁芯中的励磁电流非常小，铁芯也不会发热。

设线圈输出电流为一周期正弦函数，线圈短路期间对后续电路的输出电流为零，在1/2 周期内对后续电路输出电流的分段表达式为:

式中:k 为输出电流的最大值；ω 为电流的角频率。

DC/DC 单元输出稳定直流电压，其电能输入和电能输出仅为转换效率的关系。因负载的功耗不变，而储能电容的电压为一变量，因此把DC/DC 单元和负载等同于一个可变电阻进行分析。其等效可变电阻表示为:

取能线圈等同于一个电流源，自适应功率输出控制等效电路如图5 所示。

图5 自适应功率输出控制等效电路
Fig.5 Equivalent circuit of self-adaptive power output control

图 5 中代表线圈输出的电流表示对储能电容充电的电流 表示通过等效负载的电流。3 个电流相量的关系为:

稳定工作期间，UCH 等于稳压管的导通电压，当储能电容处于充电时，其瞬时电压如式（11）所示。

储能电容放电期间所提供的电能等于外接负载和DC/DC 单元共同消耗的电能，即

放电末期电容电压的最小值为:

为简化计算将功率输出时的线圈输出电压拟合为一阶线性方程:

根据能量守恒定律，一个周期内线圈从母线取得的电能等于电源和负载消耗的总电能W，即

令t0=0，导通时间即为t1，W 在负载和电源参数确定时为一定值，联立式（13）—式（15）整理可得导通时间t1 与母线电流I1 的关系如式（16）所示。

导通角θ 与导通时间t1 的关系为:

根据式（16）利用二分法求得t1 的数值解，由式（17）计算得到的θ 值（见后文）可知，当电源输出功率不变时，母线电流越大，双向晶闸管导通时间越早，对应的导通角越小。

3 试验验证

为验证自适应功率输出控制电路的导通角与母线电流的关系，根据以上分析搭建了试验平台。设计电源可输出8 W 的功率，选用能输出5 V 直流电压的 DC/DC 转换器，转换效率为 0.85，外接 3.1 Ω 的功率电阻。DC/DC 转换器的安全工作电压上限为55 V，为此设定储能电容的电压达到51 V 时晶闸管导通，D1和D2选用导通电压为51 V 的稳压管。图3中其他元器件的参数选定为:C1=51 μF，C3=10 pF；R1=10 Ω，R2=500 Ω，R3=470 Ω，R4=1 kΩ，R5=1 kΩ，R6=2.2 kΩ；RV 型 号 为 10D680K，TR2 型 号 为BTA41-600B，TR1型号为 MAC97A6，BR 为低压降整流桥 MB2S；C2为 200 μF 耐压 100 V 的电解电容。

根据原理样机的工程安装要求，本设计选用带气隙的铁芯，气隙的引入可避免铁芯在大电流时过早饱和，但同时也提高了电源工作电流的下限。根据最小启动电流为20 A 时的8 W 输出功率要求，以铁芯在20 A 时以最大功率输出进行铁芯设计，保证铁芯体积和重量的最小化。铁芯材质选用O 形硅钢片，相对磁导率为12 000，具体尺寸如下:外径为95 mm，内径为65 mm，宽度为100 mm，气隙为0.1 mm。依据理论计算及测试结果，最终确定线圈绕组由130 匝直径为1.8 mm 的漆包线绕制而成。

利用大电流发生器提供不同幅值的母线电流，频率为50 Hz，试验测试平台照片见附录A 图A5，自适应控制单元的实测波形见图6 及附录A 图A6。

由实测波形可知，母线电流越大，导通所需时间越短，导通角越小。同时，观察图6（b）可发现，存在UTR2上升慢，下降沿有反冲电压的现象，其原因是双向晶闸管含有寄生电容且在导通过程中其内阻衰减率与触发电流相关。由于双向晶闸管工作在第一和第四象限，2 个象限并非完全对称，所以正负1/2周期导通情况略有差异，但并不影响电源的正常工作。

图6 不同母线电流下的电压波形
Fig.6 Voltage waveform with different bus currents

表1 为母线通过不同电流时试验测得的实际导通角、由式（16）计算得到的理论导通角和实际输出功率的值。

表1 不同母线电流下的导通角与实际输出功率
Table 1 Conduction angle and actual output power with different bus currents

由表1 数据可知，母线通过不同大小的电流时，取能线圈的实际输出功率基本稳定。另外，实际导通角比理论导通角偏大，原因是铁芯和功率输出控制电路存在能量损耗，线圈需提供额外的电能，延迟了晶闸管的导通时间。尤其在大电流时铁芯出现了轻微饱和现象，线圈对外输出功率变小，实际导通角比理论导通角进一步增大。

4 结语

针对TA 取能电源在母线大电流时的发热问题，本文提出了一种自适应功率输出控制的TA 取能电源设计方法。通过对取能线圈进行自适应功率输出控制，实现了不同母线电流下的恒功率获取，有效抑制了电源电路和铁芯的发热，可使电源在宽电流范围下工作。样机测试结果表明，电源在20 A 开始工作，随着母线电流增大，取能线圈的功率输出导通角减小，由此实现了额定电流工作时的低热耗，验证了本文设计方法的可行性。

本文主要进行了自适应功率输出控制的研究，而未论述故障电流以及雷电流对线圈发热和控制电路性能的影响，后续将对电源的可靠性和取能线圈的优化展开研究。