本文提出了電容式電場(chǎng)能集能裝置整流調(diào)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(shè)計(jì)了用于電容式電場(chǎng)能集能裝置MPPT 控制的電路拓?fù)洌_動(dòng)觀察法用于其MPPT 控制，對(duì)電路的性能與MPPT算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明了文中電路拓?fù)湫阅艿膬?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(chǎng)能供電的實(shí)用化打下基礎(chǔ)。

1 引言　　

在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動(dòng)下，變電站系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化是未來變電站的發(fā)展趨勢(shì)，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(shí)時(shí)精確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求下，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)?！　?/P>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)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(diǎn)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(shù)可以有效解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供給問題?！　?/P>

高壓變電站或高壓設(shè)備周圍蘊(yùn)含豐富的電磁能量。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，500kV 變電站內(nèi)的工頻電場(chǎng)一般較大，最大可達(dá)18kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)70-90μT，在某些近高壓設(shè)備處如變壓器母線，補(bǔ)償電容電感周圍，電磁能測(cè)量數(shù)值甚至更高。因此，變電站內(nèi)電磁場(chǎng)能量相當(dāng)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。　　

本文針對(duì)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(yīng)原理，置于電場(chǎng)中的兩金屬極板感應(yīng)出不同的電動(dòng)勢(shì)，二者的電勢(shì)差可用于負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)能到電能的轉(zhuǎn)換?！　?/P>

由于電場(chǎng)能集能裝置輸出特性曲線會(huì)隨環(huán)境條件如電場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)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(duì)應(yīng)輸出不同的功率，但有且只有一個(gè)電流對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)能集能裝置輸出功率最大，這個(gè)電流對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)就是其最大功率點(diǎn)。外基金資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51107068)部環(huán)境穩(wěn)定的條件下，電場(chǎng)能集能裝置的輸出功率也會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，只有當(dāng)負(fù)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(fù)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(jù)環(huán)境和負(fù)載的變化情況不斷調(diào)整工作點(diǎn)，使其輸出最大功率，此調(diào)節(jié)過程即為最大功率點(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(chǔ)能設(shè)備的控制方式，設(shè)計(jì)了用于電容式電場(chǎng)能集能裝置MPPT 控制的電路拓?fù)洌治隽似鋵?duì)比于其他電路拓?fù)涞膬?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，闡述了MPPT控制的必要性，分析了其并網(wǎng)電流輸出特性，設(shè)計(jì)了其電流二次諧波濾波方式，將擾動(dòng)觀察法用于其MPPT 控制。最后以仿真的形式對(duì)電路的性能與MPPT算法進(jìn)行驗(yàn)證，并在系統(tǒng)各參數(shù)變化時(shí)，驗(yàn)證該算法的有效性。　　

2. 變電站無線傳感器用直流網(wǎng)絡(luò)　　

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(chǎng)能等，由于太陽能具有輸出間歇性強(qiáng)，受外界環(huán)境因素影響大，不適合室內(nèi)使用等缺點(diǎn)，單獨(dú)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(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(chǔ)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(luò)，其結(jié)構(gòu)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(luò)中，供電電源、儲(chǔ)能裝置、用電設(shè)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(chǎng)能集能裝置等，儲(chǔ)能設(shè)備包括超級(jí)電容，備用電池等，其中備用電池為可選元件。考慮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(shè)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狀態(tài)，當(dāng)超級(jí)電容能量未充滿時(shí)，光伏電池板輸出斬波電路工作于MPPT 模式，電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換器也工作在MPPT 模式，超級(jí)電容工作在電壓控制模式，用來穩(wěn)定直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)功率平衡;當(dāng)自供能電源輸出的功率大于負(fù)載消耗的功率時(shí)，超級(jí)電容吸收能量，反之，超級(jí)電容則放出能量;當(dāng)儲(chǔ)能裝置能量均充滿時(shí)，光伏電池?cái)夭娐饭ぷ饔陔妷嚎刂品绞剑脕矸€(wěn)定直流母線的電壓，電磁場(chǎng)能集能裝置工作在MPPT 模式;當(dāng)超級(jí)電容放完電且自供能電源輸出能量不足以滿足負(fù)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使自供能的功率滿足負(fù)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(diào)理電路。電磁場(chǎng)能集能裝置整流調(diào)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(dá)到最大?！?/P>

3.電場(chǎng)能集能裝置整流調(diào)理電路拓?fù)?/B>　　

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(yīng)出交流電壓，將電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載進(jìn)行供電。其結(jié)構(gòu)如所圖2 示。

由電磁場(chǎng)理論可知，平行板電容器的存儲(chǔ)能量可表示為：

當(dāng)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(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(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(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(huì)導(dǎo)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(diào)理輸出電路，使電場(chǎng)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(chǎng)能集能裝置調(diào)理輸出電路。其電路拓?fù)淙鐖D3 錯(cuò)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(gè)全控型