太原理工大学研究生，太原理工大学研究生院
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传统的电流互感器（current transformer, CT）为在线监测设备供电时，输电线电流的大范围波动，不仅会导致小电流时CT取能不足、大电流时CT磁心饱和的问题，而且会进一步影响输电线路电流实时监测的精确性。 针对上述问题，太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室和国网山西省电力公司检修分公司的研究人员在2023年第1期《电工技术学报》上撰文，提出了一种基于电压源型PWM整流电路的测量与感应取电一体化互感器的实现方法。
研究背景
随着智能电网的大力建设，高压输电线路运行状态的实时监控越来越受到重视。高压输电线的监控设备通常工作于超高电位和强磁环境下，由于直接暴露在野外，线路距离长且分布范围广，因此稳定可靠性更高的电源是实时监控设备安全稳定运行的基础。
虽然市场已有唤醒电流很小的取电CT，但其取电功率往往很小（一般mW级，一般不超过5W），但随着新一代数字化电力系统的发展要求，现有铁心取电功率已不能满足诸如5G通信设备（或长距离高带宽通信设备）、视频采集等大功率监测传感等设备（通常在10W以上）的供电需求，因此亟需研发更大功率的取电CT。
论文所解决的问题和意义
由于应用场合的限制，电流互感器一次侧匝数为1匝，同时输电线路的运行条件和制造成本对取能装置的重量提出了较高要求，这导致取能CT的铁芯不能过大，因此当取能CT一次侧电流(正弦)大范围波动时，取能CT将可能无法在大范围工作条件下持续不断的输出稳定的电压。
另一方面，由于取能CT在输电线路上安装条件限制，输电线路作为取能CT的一次侧要穿过取能CT铁芯，因此，取能CT的铁芯一般由两个半圆柱铁芯拼接而成，这将导致铁芯等效磁导率大幅下降，增加了取能CT获取足够能量的难度。
测量方面，传统CT由于励磁电流的存在，导致实际值与测量值之间存在误差。此外，传统CT易受到绕组异常电流（如谐振过电流、电容充电电流、电感启动电流等）的影响，当CT流过异常电流时，二次侧易产生数千伏甚至上万伏的过电压。
这不仅给二次系统绝缘造成危害，还会使CT过激而烧损，甚至危及运行人员的生命安全。因此，提供一个稳定可靠的电源是实时监控设备安全稳定运行的基础。
论文方法及创新点
1.铁芯选型及匝数的优化设计
图1 铁心选型及匝数设计流程图
对于电子电流互感器，如果电子电路的电源供应不稳定，系统工作的可靠性和精度会受到影响。为保证能量的持续可靠供应，降低功耗损耗，取能电源设计的基本需求是：1）满足供应电路的功率需求；2）能够无间断地长时间稳定工作。
相应的设计思路是：1）预设互感器的运行参数，包括但不仅限于额定启动电流Iv、额定功率PN和额定电压UN等；3）CT无间断地长时间稳定工作的关键就是能够在一次侧（输电导线）小电流时，通过励磁使CT取得足够的功率；一次侧大电流时，通过去磁使CT获得稳定功率。
2.基于电压源型 PWM 整流电路的二次侧电压控制策略
图2 电路的工作逻辑
图3 对应4个预设的控制模块划分图
根据一次侧电流的变化，可将电压型PWM整流电路的控制模式分为全补偿、部分补偿、无补偿和去磁控制四个部分，如图（3）所示。
图4 单相全桥电压型PWM整流电路图
如图4所示，当以电源电动势为参考相量，利用 PWM 调制信号控制交流网侧电压的幅值与相位时，可以实现对交流侧电流的间接控制。令交流侧电流的幅值不发生变化，仅调整该电流的相位，可以分别得到 PWM 整流器四象限运行状态。
通过电压型PWM 整流器四象限运行特性，PWM整流电路不仅能够实现AC/DC的变换，还能实现阻抗变换的功能，通过控制电压型PWM整流电路可实现不同工况下对二次侧输出特性的调整且根据补偿特性实时反馈一次侧电流大小，实现测量与取电一体化功能。
3.实验验证
在实验中，调节大电流发生器模拟输电线路母线载流波动情况，并可根据一次侧电流监控策略实时获取输电线路电流大小。
图5 实验样机平台
在含有电压型PWM整流电路的情况下，测量与取电装置实现了在一次侧电流大范围波动时，持续稳定的输出电压，有效地避免了在一次侧小电流时取电功率不足，大电流时铁心饱和而导致波形畸变的问题。
此外，测量与取电装置成功解决了在一次侧大电流时由于励磁阻抗的下降而导致误差变大的问题，并以较高的精确度测量出了一次侧电流大小。
结论
现有CT难以在输电线路电流大范围波动时稳定供电，且不断变化的励磁电流也使得一次侧电流的测量精确度下降。本文针对 220kV 及以上电压等级输电线路一次侧电流大范围变化的工况，提出取电与测量一体化装置控制策略以及减少励磁电流误差的测量方法。
通过仿真和实验说明，本文提出的基于VSR 的测量与感应取电一体化装置，实现了一次侧电流在 60A-500A 范围内保持输出 80V 稳定电压，并能以相对误差小于 1%的精确度实时反馈一次侧电流的大小。
团队介绍
太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室依托太原理工大学和国网山西省电司，山西省科技厅于2014年批准立项建设。实验室密切结合山西战略转型跨越发展，以电网安全稳定运行为指导，以构建坚强电网为目标，以特高压交直流落户山西为契机，开展科学研究与新技术推广应用，为 山西省的可持续发展提供科技和人才支撑。
实验室瞄准电力系统运行与控制理论和技术前沿，以及国家和地区经济发展的特点，建设特色鲜明、结构合理、产学研用紧密结合、持续创新力强、科研装备先进、具有国际影响力的实验室，成为聚集和培养优秀科技人才、推动和交叉学科发展、开展国际学术交流的重要基地。
王祎凡
硕士研究生，研究方向为高压取电装置及其电磁理论。
任春光
副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子变换器建模与控制、电能路由器和微电网运行与控制。
韩肖清
教授，博士生导师，研究方向为电力系统运行与控制和新能源发电与微电网。
本文编自2023年第1期《电工技术学报》，论文标题为“基于电压源型PWM整流电路的输电线路测量与感应取电一体化互感器实现方法”。本课题得到国家自然科学基金项目、山西省高等学校科技创新项目和山西省重点研发计划的支持。
引用本文
王祎凡, 任春光, 张佰富, 杨宇, 韩肖清. 基于电压源型PWM整流电路的输电线路测量与感应取电一体化互感器实现方法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(1): 15-25. Wang Yifan, Ren Chunguang, Zhang Baifu, Yang Yu, Han Xiaoqing. Implementation Method of Integrated Transformer for Transmission Line Measurement and Inductive Power Taking Based on Voltage Source PWM Rectifier. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(1): 15-25.
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