一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路制造技术

本发明专利技术公开了一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路，属于电力系统在线监测设备技术领域。两级级联式的电场感应供电电路创新的将两级放电电路应用在单级电场感应取能电路中，用N+1个取能电容同时串联充电，各自达到阈值之后，利用各自独立的放电回路将能量转移到变压器副边储能电容上，实现了一种“串充并放”的效果，并在利用后续的DC‑DC充电电路产生小电流，给超级电容器充电，不仅保证了电路的整体拓扑，将串充并放电路进行改善，而且利用DC‑DC充电电路控制充电电流，减小了超级电容器充电损耗，提高了电源效率。通过本发明专利技术对现有的电场感应取能供电电路的优化设计，使得电场感应取能获得能量能够应用于大功率的在线监测设备中。

A Cascaded High Voltage Electric Field Induction Power Supply Circuit with Two-stage Variation

The invention discloses a cascaded high voltage electric field induction power supply circuit with two-stage variation, which belongs to the technical field of power system on-line monitoring equipment. Two-stage cascade electric field induction power supply circuit innovatively applies two-stage discharge circuit to single-stage electric field induction energy recovery circuit. N+1 capacitors are charged in series at the same time. After reaching their respective thresholds, the energy is transferred to the secondary energy storage capacitor of transformer by using their respective independent discharge circuits, thus realizing the effect of \series charge and parallel discharge\, and charging by subsequent DCs. The circuit generates small current and charges the supercapacitor, which not only ensures the overall circuit topology and improves the series charging and parallel discharging circuit, but also controls the charging current by using DC DC charging circuit, reduces the charging loss of the supercapacitor and improves the power supply efficiency. By optimizing the design of the existing electric field induction energy supply circuit, the electric field induction energy can be applied to high-power online monitoring equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路
本专利技术属于电力系统在线监测设备
，具体涉及一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路。
技术介绍
现有的高压设备在线监测设备的供电方式分为两种：自主取能和传输供电。传输供电方式主要是通过光纤或微波等介质从地面将能量传输给在线测量装置，但是这种供能方式的主要缺点是造价昂贵。自主供电的主要技术方案包括：(1)电池供电：这种方式能量供应稳定，但是缺点是需要定时停电更换电池，而电力系统是不允许频繁停电的；(2)电流线圈供电：该方案主要利用安装在电力线上的电流线圈，通过互感原理从负荷电流中取能。但是电力线中的负荷电流是不断变化的，因此这种供电方式供能不稳定；(3)太阳能和风能供电：其基本原理是通过太阳能电池板或小风机来供能，该技术通常配合蓄电池一起使用，以应对夜晚或无风时发生的供能不足。但是这种供电方式受环境因素影响大，遇到极端天气例如大风、阴雨、尘垢等会影响安全和供电稳定性。另外，蓄电池的寿命有限，且不能承受较低环境温度。由于对温度和应力等参数进行在线测量不需要持续进行，可以采用间歇的工作方式，因此也可以采用间歇式的供电方式。考虑到电力线的电压是很稳定的，因此可以通过感应高压电场来取能。但是直接通过电场感应获得的能量是很低的，且充电时间长，取能效率低。因此先利用小薄膜电容将电压快速升到高压，但是在线测量设备的供电电压远小于小薄膜电容上的电压，所以需一个脉冲变压器进行降压后将能量传递到副边大电容上，最终大电容上的电压通过稳压实现在线设备的使用。但此种方式平均销量不高，因此针对专利号为ZL201510012804.8的专利“一种级联式电场感应供电电路”中的非电压变换式感应供电中取能的平均效率不高的不足，需要提出一种提高效率的新技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高电场感应供电中取能的平均效率，使得电场感应取能电源能够充分转存能量，使其能够应用在较大功率的电力设备中。为达到上述目的，本专利技术所述一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路，包括超级电容器C、DC-DC充电电路和依次级联的N+1级感应取能电路，N+1级感应取能电路的输出端与DC-DC充电电路的输入端连接，DC-DC充电电路的输出端与超级电容器C连接；其中，N+1级感应取能电路利用感应板与大地之间的高压电场产生的位移电流给取能电容充电，并通过脉冲放电将能量转移至电解电容；N+1级取能电路包括整流桥电路、N级变压器放电电路和1级电感放电电路，整流桥电路的直流输出侧与N级变压器放电电路以及1级电感放电电路的输入端连接；电感放电电路包括取能电容C0、电感L0、电解电容Cm-0和主开关S0形成的放电回路，续流二极管DP0跨接在电感L0和电解电容Cm-0两端形成续流回路；第1级到第N级变压器放电电路完全相同；包括由取能电容Cn、变压器Tn原边和主开关Sn形成的放电回路，变压器Tn原边跨接有续流二极管DP0，变压器Tn副边连接在电解电容Cm-n的两端形成续流回路，其中1≤n≤N；DC-DC充电电路用于将电解电容获得的能量转换为恒定充电电流，给超级电容器充电；超级电容器用于储存能量。进一步的，DC-DC充电电路为由开关SD1、开关SD2、开关SD3、开关SD4和电感LD构成的H桥，在DC-DC充电电路的控制电路的控制下在Buck状态和Boost状态的切换。进一步的，DC-DC电路的控制电路通过监测流过电感LD的电流值，来控制开关SD1、开关SD2、开关SD3和开关SD轮流工作，实现对超级电容器充电电流的控制。进一步的，N+1级感应取能电路中的各级电解电容与DC-DC充电电路之间连接有反向阻断二极管。进一步的，N级变压器放电电路和1级电感放电电路的放电控制电路相同，放电控制电路接在取能电容Cn两端，Cn两端还接有分压电阻Rn-1和Rn-2，控制电路输出端接主开关Sn的栅极。进一步的，取能电容均为耐压1100V的薄膜电容。进一步的，电路使用的有源器件都选择微功耗器件。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果:两级法电场感应供电电路通过两级放电的方式，在实现“串充并放”的基础上，通过对串联放电级电路的优化设计，最低一级不使用变压器，仅使用电感，好处是转换效率更高；各级使用单独的变压器，好处是变压器设计简化，无需考虑耦合问题。提高了最低一级的转换效率，通过各级感应取能电路单独控制，解决了原电路耦合导致各回路取能电容电压不均的问题。感应取能装置通过一块金属感应极板获取高压电厂环境下产生的位移电流，该位移电流给N个串联的电容充电，达到某一设定电压后在第一级控制电路的作用下先放电给各自电解电容，电解电容上的能量通过第二级DC-DC充电电路转移到超级电容器上。感应取能电路利用金属感应极板对地之间的高压电场产生的恒定的位移电流同时给依次给N+1个串联的取能电容充电，其中N+1级放电电路，最低一级采用纯电感设计，N级各级使用完全独立的变压器，相比使用多绕组变压器的N级级联，各级变压器独立，不存在耦合问题，电路设计模块化，级联时不需要考虑变压器的裕量；且由于最低一级纯电感电路效率较高，使用N+1级的设计，提高了电路的整体取能效率。本专利技术的优势体现在：1、本专利技术在现有的放电法的高压电场取能技术基础上，采用完全隔离的取能回路的级联设计，各级器件无关联，将多级取能电路模块化，由于各级使用单独变压器，添加串联级数无需考虑变压器裕量，极大的简化了电路设计；同时改进了各级充电电路，将最低一级变压器取消，仅使用电感，由N级级联变成N+1级级联，其余各级充电电路使用的变压器由共铁芯的多绕组变压器，变为各自独立的变压器，提出N+1级电路拓扑，显著提高了电路的取能效率，在相同的时间内能够获得更多的能量，使得电场感应取能满足于大功率应用，如光学成像系统。2、加入第二级DC-DC充电电路设计，利用H桥原理，通过控制4个开关相互导通，实现超级电容器横流充电控制，利用电解电容隔离大电流回路，降低了充电电流，减小了脉冲放电过程中大电流带来的损耗，使得电场感应取能技术的效率有了很大提升，满足了大功率在线监测设备的供电需求。3、通过使用容量较大的电解电容，分隔开取能电容和后端超级电容器，这样的两级法放电电路，前端利用脉冲放电法取能，后端使用DC-DC充电电路控制超级电容器充电电流，既提高了取能功率，又避免了由于单次脉冲放电产生的大电流给超级电容器充电时的较大损耗，极大的提高了电路效率。附图说明图1为两级法级联式放电法的电场感应供电电路原理图；图2为电感一级放电波形图；图3为变压器一级放电波形图；图4为电路整体工作波形图；图5a为电路DC-DC单次工作波形图；图5b为电路DC-DC工作波形的细节图；图6为第0级至第n级放电控制电路图；图7为DC-DC电路控制电路的电源管理及监测电路原理图；图8为DC-DC电路控制电路的逻辑控制电力原理图。附图中：图1中，整流二极管：Dc1、Dc2、Dc3、Dc4；取能电容：C0、C1……Cn；各级分压电阻：第0级分压电阻：R0-1和R0-2；第1级分压电阻：R1-1和R1-2；……第n级分压电阻：Rn-1和Rn-2；各级放电控制电路：第0级放电控制电路、第1级放电控制电路、……、第n级放电控制电路；续流二极管：Dp0、Dp1……本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路，其特征在于，包括超级电容器C、DC‑DC充电电路和依次级联的N+1级感应取能电路，N+1级感应取能电路的输出端与DC‑DC充电电路的输入端连接，DC‑DC充电电路的输出端与超级电容器C连接；其中，N+1级感应取能电路利用感应板与大地之间的高压电场产生的位移电流给取能电容充电，并通过脉冲放电将能量转移至电解电容；N+1级取能电路包括整流桥电路、N级变压器放电电路和1级电感放电电路，整流桥电路的直流输出侧与N级变压器放电电路以及1级电感放电电路的输入端连接；电感放电电路包括取能电容C0、电感L0、电解电容Cm‑0和主开关S0形成的放电回路，续流二极管DP0跨接在电感L0和电解电容Cm‑0两端形成续流回路；第1级到第N级变压器放电电路完全相同；包括由取能电容Cn、变压器Tn原边和主开关Sn形成的放电回路，变压器Tn原边跨接有续流二极管DP0，变压器Tn副边连接在电解电容Cm‑n的两端形成续流回路，其中1≤n≤N；DC‑DC充电电路用于将电解电容获得的能量转换为恒定充电电流，给超级电容器充电；超级电容器用于储存能量。

【技术特征摘要】
1.一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路，其特征在于，包括超级电容器C、DC-DC充电电路和依次级联的N+1级感应取能电路，N+1级感应取能电路的输出端与DC-DC充电电路的输入端连接，DC-DC充电电路的输出端与超级电容器C连接；其中，N+1级感应取能电路利用感应板与大地之间的高压电场产生的位移电流给取能电容充电，并通过脉冲放电将能量转移至电解电容；N+1级取能电路包括整流桥电路、N级变压器放电电路和1级电感放电电路，整流桥电路的直流输出侧与N级变压器放电电路以及1级电感放电电路的输入端连接；电感放电电路包括取能电容C0、电感L0、电解电容Cm-0和主开关S0形成的放电回路，续流二极管DP0跨接在电感L0和电解电容Cm-0两端形成续流回路；第1级到第N级变压器放电电路完全相同；包括由取能电容Cn、变压器Tn原边和主开关Sn形成的放电回路，变压器Tn原边跨接有续流二极管DP0，变压器Tn副边连接在电解电容Cm-n的两端形成续流回路，其中1≤n≤N；DC-DC充电电路用于将电解电容获得的能量转换为恒定充电电流，给超级电容器充电；超级电容器用于储存能量。2.根据权利要求1所述的一种两级变化的级联式高压电场感应供电电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正阳，张静，肖黎，曾翔君，何宁辉，程林，周盟，熊帆，张杰，李梦齐，罗传仙，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，西安交通大学，国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42