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专利号: 2021113526674
申请人: 华东交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种高压电力线缆的自供电低压电源系统,其特征在于:包括能量捕获单元、功率处理单元、超级电容、功率变换单元,所述能量捕获单元的输出端连接功率处理单元的输入端,功率处理单元的输出端连接超级电容与功率变换单元的输入端,超级电容的输入端连接动态功率因数校正单元的输出端和功率变换单元的输入端,功率变换单元的输出端与负载相连;

所述能量捕获单元实施能量捕获,利用电流互感器CT充当取电装置,并将电流互感器CT直接安装在三相电力线缆的其中一相电力线缆上,当该相电力线缆中有电流i流过时,电流互感器CT进行能量捕获并向动态功率因数校正单元供电;由于该相电力线缆中的电流i不可控,因而能量捕获单元的输出电压uCT随该相电力线缆中的电流i的变化而变化;

所述功率处理单元为动态功率因数校正单元或阻抗匹配单元;

所述动态功率因数校正单元能完成非正弦波形功率因数校正PFC与目标输出电压动态控制的功能,即不论能量捕获单元的输出电压uCT是否为正弦波,能量捕获单元的输出电流iCT波形严格追踪输出电压uCT波形,并使两者波形和相位一致,且动态功率因数校正单元的目标输出电压UR根据能量捕获单元的输出电压uCT与直流母线/超级电容的电压U动态调整;

动态功率因数校正单元既能完成功率因数校正PFC功能,又能完成对超级电容的充电功能,动态功率因数校正单元与超级电容一并完成向功率变换单元的供电任务;

所述阻抗匹配单元不进行功率因数校正而是以动态调节功率的方案来实现动态阻抗匹配,并完成对超级电容的充电功能,阻抗匹配单元与超级电容一并完成向功率变换单元的供电任务,直流母线/超级电容电压U动态调整;

所述超级电容通过功率处理单元的充电及系统功率控制,实现能量存储与释放;

所述功率变换单元将功率处理单元或超级电容的输入直流电变换成实际电子负载所需的交流/直流电压输出;

其中,所述动态功率因数校正单元的控制算法如下:不论能量捕获单元的输出电压uCT是否为正弦波,能量捕获单元的输出电流iCT波形严格追踪输出电压uCT波形,使两者波形和相位一致;动态功率因数校正单元的目标输出电压UR根据能量捕获单元的输出电压uCT与直流母线/超级电容电压U动态调整,即:UR=f(uCT,U),具体算法如下:式中,U为当前直流母线/超级电容电压,UR为动态功率因数校正单元的目标输出电压,UCT为uCT的幅值;UUC为超级电容额定值;K1、K2为根据实际工况的预设常数,且K1

1)当电力线缆电流i较小时,能量捕获单元捕获的功率PH也小,其输出电压幅值UCT较小,UCT

2)当电力线缆电流i较大时,能量捕获单元捕获的功率PH也大,其输出电压幅值UCT也高,K1

3)当电力线缆电流i较大时,能量捕获单元捕获的功率PH也大,其输出电压幅值UCT也高,UCT

4)当U≥UUC时,即超级电容电压大于等于超级电容额定电压时,实施过电压保护,关闭动态功率因数校正单元以避免超级电容过充;

其中,所述阻抗匹配单元控制算法的控制目标在于得到最大功率,令阻抗匹配单元追踪不同电流i时能量捕获单元最大输出功率pCT_max时的阻抗,RCTO为能量捕获单元的动态响应输出阻抗;

RCTO_P=f(i)且pCT=pCT_max,pCT为电力线缆电流i时能量捕获单元的输出功率,pCT_max为电流i时能量捕获单元的最大输出功率,最大功率阻抗RCTO_P为能量捕获单元最大输出功率时的输出阻抗;

Rin为阻抗匹配单元动态响应输入阻抗;

阻抗匹配单元控制算法为控制阻抗匹配单元的输入阻抗Rin=RCTO_P,即Rin=f(i)且pCT=pCT_max且阻抗匹配单元的的输入功率为pCT_max;

阻抗匹配单元以动态调节功率方案实现动态阻抗匹配,采用动态寻优算法,且由于uCT越大pCT_max越大,因此设定p的初值越大;

其中,超级电容有三个基本功能:1)能量储存与释放;2)与超级电容与动态功率因数校正单元的输出滤波电容C构成电容+超级电容的复合滤波电容结构,提供瞬时大功率;3)降低动态功率因数校正单元的输出阻抗,有利于增强系统的级联稳定性。

2.根据权利要求1所述的高压电力线缆的自供电低压电源系统,其特征在于:当电力线缆中有电流i时,能量捕获单元实施能量捕获,向功率处理单元供电,功率处理单元向超级电容与功率变换单元供电,超级电容电压与动态功率因数校正单元输出电压相同;当电力线缆中没有电流i时,完全由超级电容向功率变换单元供电,当电力线缆中有电流i但功率处理单元提供的功率不足时,由功率处理单元与超级电容共同向功率变换单元供电;抑制功率处理单元提供瞬时大功率响应速度,使功率处理单元不提供瞬时大功率,对功率处理单元稳态功率不进行抑制,只加入过流保护,瞬时大功率由超级电容提供,超级电容直接与直流母线联接且不限制其功率提供能力。

3.根据权利要求1所述的高压电力线缆的自供电低压电源系统,其特征在于:功率处理单元电路拓扑由功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4、功率开关S5、电感L与电容C构成,uCT为输入端,功率开关S1、功率开关S3的一端A联接uCT的一端A,功率开关S1的另一端C联接电感L的一端C,功率开关S2的一端C与功率开关S5的一端C,功率开关S5的另一端E联接电容C的一端E,功率开关S2的另一端B与S4的一端B联接于uCT的另一端B,功率开关S3的另一端D、功率开关S4的另一端D、电感L的另一端D及电容C的另一端D相联,电容C与后续单元并联,输出直流U;

所述功率处理单元电路有两类工况,工况1:uCT为正,工况2:uCT为负;所述工况1:uCT为正时,t∈(0,dT),导通时间为dT,T为周期时间,功率开关S3和功率开关S2导通,其它均关断,电流流经uCT(A)→S3→L→S2→uCT(B),电感L从uCT获得能量并储能;uCT为正时,t∈(dT,T),导通时间为(1‑d)T,功率开关S5导通,其它功率开关均关断,电流流经L(D)→S5→C→L(D),电感L释放能量;

所述工况2:uCT为负时,t∈(0,dT),导通时间为dT,T为周期时间,功率开关S1和功率开关S4导通,其它均关断,电流流经uCT(B)→S4→L→S1→uCT(A),电感L从uCT获得能量并储能;

uCT为负时,t∈(dT,T),导通时间为(1‑d)T,功率开关S5导通,其它功率开关均关断,电流流经L(D)→S5→C→L(D),电感L释放能量。