摘 要：隨著我國電力系統(tǒng)輸電量逐年上升，輸電網(wǎng)絡(luò)中的換流變壓器閥側(cè)套管等關(guān)鍵設(shè)備部件熱功率也隨之增大，因此有必要設(shè)計(jì)開發(fā)散熱風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)過熱故障多發(fā)點(diǎn)的主動(dòng)散熱。設(shè)計(jì)研發(fā)一種電流互感器（CT）取能調(diào)速風(fēng)冷裝置，利用CT從輸電線路上獲取能量為散熱風(fēng)機(jī)供能，以解決輸電線路現(xiàn)場常規(guī)電源無法使用的難題。針對(duì)CT的取能能力隨著輸電線路電流不斷變化且不受控的問題，設(shè)計(jì)一種功率主動(dòng)自平衡新策略，通過利用負(fù)載的控制自由度來適應(yīng)CT二次側(cè)電流的寬變化范圍，從而擴(kuò)展裝置的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間，提升電源的取能能力。將裝置套裝在交流輸電母排上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，母排電流的有效值在上千安培范圍內(nèi)變化，裝置始終穩(wěn)定且保持60%以上的功率容量利用率。

關(guān)鍵詞：換流變壓器閥側(cè)套管；電流互感器；取能電源；調(diào)速風(fēng)冷；功率平衡；穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號(hào)：TM595文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer under self-balancing power control

HE Jiewei LIU Zicheng HUANG Qiuping LIU Shan JIANG Zhe LIU Zhigang

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China; 2.Smart Grid Research Institute of SGCC， Beijing 100084， China； 3.Jiangsu Tengyan Electric Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

Abstract：With the increase in the transmission capacity of China's power system， the thermal power of key equipment components such as the converter transformer valve bushing of the transmission line also increases. Therefore， it is necessary to design and develop equipment such as heat dissipation fans to achieve active heat dissipation for multiple overheating failure points. A variable speed drive system for cooling fan powered from current transformer （CT） is designed and developed， which uses energy obtained from the transmission line by CT to supply power to the heat dissipation fan， to solve the problem of conventional power supply being unable to be used for transmission lines. In response to the problem that the CT power supply capacity changes continuously and uncontrollably with the transmission line current， a new strategy of power active self-balancing is designed to adapt to the wide range of CT secondary current changes by using the control freedom of the load， and to extend the stable operation range and improve power supply capacity. The device is tested and verified by mounting it on the AC transmission bus， and the effective value of the bus current changes within the range of thousands of amperes， the device is stable and maintains a power capacity utilization rate of more than 60%.

Keywords：the converter transformer valve bushing; current transformer; energy harvesting power supply; adjustable speed air cooling; power balance; stable operation range

0 引 言

本世紀(jì)以來，國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，中國電力需求呈現(xiàn)出長期持續(xù)增長趨勢，2022年全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億千瓦，同比增長7.8%[1]。隨著用電需求的增長，電力系統(tǒng)輸電壓力增大，散熱需求也逐漸上升，如發(fā)熱問題已成為制約換流站換流變壓器閥側(cè)干式套管安全穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸[2]，近年來國內(nèi)如寶雞、伊敏、楓涇等換流站都因其載流能力不足而導(dǎo)致電流致熱引發(fā)放電故障[3-4]。為保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，有必要對(duì)電力系統(tǒng)中的過熱故障多發(fā)點(diǎn)采取散熱措施，避免過熱故障的發(fā)生。

以換流變壓器閥側(cè)套管為例，高壓線路處的百瓦級(jí)大功率風(fēng)冷裝置的供電方法分為常規(guī)線路供電與就地取能供電兩種。若應(yīng)用場景能使用常規(guī)線路，則可通過常規(guī)線路供電為風(fēng)機(jī)提供穩(wěn)定能量供應(yīng)，但常規(guī)線路與風(fēng)機(jī)因隔離要求需要離處于高電位的散熱目標(biāo)一定距離，此時(shí)需要較長的風(fēng)道將氣流導(dǎo)向散熱目標(biāo)，也因此其安裝難度大，散熱效率低。就地取能供電方法可以簡化風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)更高效的風(fēng)冷散熱。

常用就地取能供電方法包括：太陽能電池供電[5]、電容分壓器供電[6-7]、激光供電[8-10]和電流互感器（current transformer，CT）供電[11-20]等。其中，太陽能電池供電對(duì)安裝場地要求較大，且因天氣變化會(huì)出現(xiàn)輸出功率的波動(dòng)，需要配合蓄電池使用；電容分壓器能提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，但輸出功率較??；激光供電的輸出功率同樣有限，且激光器使用壽命較短、成本較高。上述供電方法難以滿足大功率穩(wěn)定電力供應(yīng)需求。CT供電通過將輸電線路磁場能量轉(zhuǎn)化為電能，能直接從輸電線路上獲取能量，相比上述就地取能供電方法具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率電能供應(yīng)場景中具有明顯優(yōu)勢[11]。

然而，CT取能能力隨輸電線路電流實(shí)時(shí)變化，存在低輸電電流工況時(shí)裝置易失穩(wěn)[12]，高輸電電流工況時(shí)裝置欠容量的問題，穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間有限，CT取能潛力未被充分挖掘。如何平衡取能能力與負(fù)載需求是首先需要解決的問題[13]。

目前常通過對(duì)泄流回路及負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，從能量輸入端與輸出端兩方面分別平衡功率，以適應(yīng)輸電線路的寬電流變化范圍。在電流過大時(shí)，CT取能能力大于負(fù)載功率，裝置一方面利用鋰電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能單元增大功率需求，另一方面通過間接性導(dǎo)通泄流回路泄放額外電流[14-16]，從而實(shí)現(xiàn)功率平衡，維持濾波電容電壓的穩(wěn)定，避免過壓情況出現(xiàn)。在電流過小時(shí)，CT供能能力小于負(fù)載功率，裝置通過釋放儲(chǔ)能單元中的能量實(shí)現(xiàn)功率平衡[17-20]，維持負(fù)載正常運(yùn)行，避免裝置失穩(wěn)。

動(dòng)態(tài)控制泄流回路泄放額外電流是CT取能裝置的必要措施，它不僅能在電流過大時(shí)實(shí)現(xiàn)功率平衡，還可以避免電容過壓。然而，泄放額外電流的方式并非為一種主動(dòng)功率平衡方法，CT取能潛力未被充分利用，另外其無法在電流過小時(shí)繼續(xù)完成平衡功率的任務(wù)，裝置仍會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

增加額外的儲(chǔ)能單元雖然能一定程度上削峰填谷，但將使裝置結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，此外因其儲(chǔ)能能力有限，在儲(chǔ)能達(dá)到限制后將無法再發(fā)揮平衡功率的作用，并不能從根本上實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的功率平衡。特別是在大功率應(yīng)用場合，有限的儲(chǔ)能能力將使其應(yīng)用更為受限。

本文設(shè)計(jì)研發(fā)一種CT取能調(diào)速風(fēng)冷裝置，為電力系統(tǒng)關(guān)鍵部件提供百瓦級(jí)大功率風(fēng)冷散熱，避免過熱故障的出現(xiàn)，為維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。為實(shí)現(xiàn)大功率CT取能的可持續(xù)功率平衡功能，本文提出功率主動(dòng)自平衡策略，利用電機(jī)負(fù)載的調(diào)速控制自由度，實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)負(fù)載功率，主動(dòng)匹配CT當(dāng)前運(yùn)行工況的最大取能功率，從而實(shí)現(xiàn)功率主動(dòng)自平衡，充分挖掘CT取能潛力。相比于增加額外儲(chǔ)能單元的技術(shù)方案，本裝置結(jié)構(gòu)簡單、更適用于大功率負(fù)載場合、具有可持續(xù)主動(dòng)功率平衡能力。

1 CT取能電源特性

1.1 取能電流互感器

取能CT通常為穿心式結(jié)構(gòu)，通過電磁感應(yīng)原理從輸電線路磁上獲取能量，為二次側(cè)電路供能。在磁芯未飽和時(shí)，可以將電流互感器等效為一個(gè)跟隨輸電線路電流大小變化的交流電流源。

圖1給出了CT取能電源的總體結(jié)構(gòu)圖，由取能CT、取能調(diào)整電路、電能變換器和負(fù)載四部分組成。CT二次側(cè)后接入取能調(diào)整電路將CT輸出的不穩(wěn)定交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，再通過后級(jí)電能變換器輸出負(fù)載所需的電源標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 取能調(diào)整電路數(shù)學(xué)模型

CT二次側(cè)電流的大小隨著輸電線路電流大小不斷波動(dòng)，具有不受控特性及寬變化范圍，這會(huì)對(duì)取能電源穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，是取能電源設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的首要問題。

取能調(diào)整電路是取能電源的核心，其接在CT二次側(cè)后，通過整流穩(wěn)壓及泄流將CT輸出的不穩(wěn)定交流電變換為較為穩(wěn)定的直流電。假設(shè)CT在正常工況下始終未飽和，簡化的取能調(diào)整電路如圖2所示，CT二次側(cè)接二極管整流橋和濾波電容C進(jìn)行整流濾波；在整流橋與濾波電容之間并聯(lián)有泄流開關(guān)SW作為泄流回路，在濾波電容電壓過大時(shí)及時(shí)短路CT二次側(cè)，泄放多余電流，避免電容電壓進(jìn)一步升高對(duì)取能電源造成不可逆的損壞；D為防倒流二極管，串接在SW及濾波電容之間，防止SW導(dǎo)通時(shí)濾波電容通過SW放電。泄流回路采用滯環(huán)控制，當(dāng)濾波電容電壓vC大于滯環(huán)最大值VOPT時(shí)，導(dǎo)通SW，Loop A代表著此時(shí)電流流通路徑，直到vC下降到滯環(huán)最小值VRET時(shí)，SW被關(guān)斷，CT二次側(cè)電流流向?yàn)V波電容及負(fù)載，向后級(jí)電路輸出功率，電流回路如Loop B所示。

在此電路中負(fù)載電流、電容電壓等均為非正弦量，不能使用相量法分析，需采用時(shí)域分析法分析電路工作過程。取能調(diào)整電路可以分為SW導(dǎo)通及SW關(guān)斷2種工作狀態(tài)。

2 功率主動(dòng)自平衡策略

用SW的開關(guān)占空比D=ton/（ton+toff）作為衡量取能電源功率平衡能力的指標(biāo)。D越大代表著越多的CT二次側(cè)電流通過泄流回路泄放，此時(shí)CT未向后級(jí)電路輸出功率，其取能潛力未被充分挖掘，裝置處于欠容量狀態(tài)。另一方面，D越大代表著CT二次側(cè)電流i2相比剛好能滿足取能需求的電流值有更多的裕量，取能調(diào)整電路中的電子元器件將承受更大的電流應(yīng)力，例如此時(shí)不僅SW流過它的電流更大，且導(dǎo)通時(shí)間也更長，其功耗大幅增加，對(duì)其通流能力及散熱能力均是不小的挑戰(zhàn)。但同時(shí)，D等于0代表SW始終關(guān)斷，即電路處于“假啟動(dòng)”工況。占空比D越接近0表明裝置在穩(wěn)定前提上獲得了更多的能量，但實(shí)際中D的最優(yōu)工作區(qū)間需要綜合考慮CT取能能力、負(fù)載功率需求、裝置通流能力及功率裕度選取，在本文中，根據(jù)風(fēng)機(jī)升速暫態(tài)所造成的功率波動(dòng)情況，選取D在10%～20%內(nèi)為取能調(diào)整電路的最優(yōu)工作區(qū)間。

選定合適的CT匝比n可使在典型工況下D能保持在最優(yōu)工作區(qū)間，但固定的n難以適應(yīng)輸電線路的寬電流變化范圍，在輸電線路電流大小偏離典型工況太多時(shí)，裝置會(huì)進(jìn)入“假啟動(dòng)”工況或出現(xiàn)欠容量等問題。

假設(shè)在SW剛關(guān)斷時(shí)，i2相位角φ等于0，在VRET=150 V、VOPT=160 V、C=8 000 μF、R=30 Ω的條件下，固定CT匝比n為625，D隨輸電線路電流幅值I1m變化的曲線如圖5所示?？梢?，輸電線路電流變化將顯著影響電路運(yùn)行狀態(tài)。

本文的負(fù)載是可調(diào)速風(fēng)機(jī)，相比于恒定負(fù)載具有更大的控制自由度，這使將負(fù)載與取能電源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控成為可能，根據(jù)輸電線路電流大小實(shí)時(shí)調(diào)控負(fù)載功耗，使D始終維持在最優(yōu)工作區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)取能電源功率主動(dòng)自平衡。

在接入阻抗負(fù)載時(shí)，使用上述“假啟動(dòng)”工況分析方法，固定輸電線路電流值，通過不斷改變負(fù)載電阻阻值，可以得到該電流值時(shí)不會(huì)進(jìn)入“假啟動(dòng)”工況的最小負(fù)載電阻值，只要負(fù)載電阻R大于此值，取能電源將處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

通過數(shù)值計(jì)算，可以得到取能電源在C=8 000 μF、VOPT=160 V、n=625時(shí)不同輸電線路電流幅值I1m對(duì)應(yīng)的不進(jìn)入“假啟動(dòng)”工況的最小負(fù)載電阻值Rmin，如圖6所示。

由此可以得到不同取能電源參數(shù)下的輸電線路電流幅值及最小負(fù)載電阻值對(duì)應(yīng)表，通過測量輸電線路電流，根據(jù)所得對(duì)應(yīng)表實(shí)時(shí)調(diào)控負(fù)載等效電阻，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)D的調(diào)控，使其始終維持在最優(yōu)區(qū)間。這種新穎的功率主動(dòng)自平衡方法將負(fù)載與取能電源統(tǒng)一起來，能充分挖掘CT取能潛力，提高取電能力，擴(kuò)大取能電源穩(wěn)定工作范圍。

3 風(fēng)機(jī)控制方法

3.1 風(fēng)機(jī)負(fù)載

本文使用的實(shí)際負(fù)載是一臺(tái)50 Hz 230 V交流電源供電的散熱風(fēng)機(jī)，使用電能變換器將取能調(diào)整電路輸出的直流電壓變換為風(fēng)機(jī)供電標(biāo)準(zhǔn)電源。

由于電力電子變換器的使用，取能調(diào)整電路的實(shí)際負(fù)載呈現(xiàn)的并非是一個(gè)純阻抗特性，此時(shí)散熱風(fēng)機(jī)更類似于一個(gè)恒功率負(fù)載。當(dāng)輸電線路電流較小，CT取能電源最大取能功率小于散熱風(fēng)機(jī)需要的功率時(shí)，取能電源將會(huì)出現(xiàn)電容電壓驟降、電能變換器不斷啟停等異常情況，對(duì)應(yīng)恒阻抗負(fù)載時(shí)的“假啟動(dòng)”工況。

將功率主動(dòng)自平衡策略融合到風(fēng)機(jī)的調(diào)速方法中去，是十分有意義且必要的工作?？梢栽谳旊娋€路電流小時(shí)減小散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速避免出現(xiàn)不穩(wěn)定工作狀態(tài)，在輸電線路電流大時(shí)增大散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步挖掘CT取能電源的取能潛力，同時(shí)滿足散熱目標(biāo)隨電流升高而增大的散熱需求。

3.2 風(fēng)機(jī)調(diào)速方法

實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)輸電線路電流大小實(shí)時(shí)調(diào)整的不再是負(fù)載電阻的阻值，而是散熱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)本質(zhì)上是對(duì)風(fēng)機(jī)功率的調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)功率實(shí)時(shí)跟蹤取能電源最大取電功率，實(shí)現(xiàn)功率自平衡。由于滯環(huán)范圍通常較小，可以將電容電壓近似為VRET，可得到此時(shí)的最大輸出平均功率值為

考慮電能變換器存在的功率損耗及應(yīng)保留的功率裕度，風(fēng)機(jī)最優(yōu)功率值由最大取電功率乘以裕量系數(shù)M后得到

通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系曲線可以得到此時(shí)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速指令。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于升速或降速的過程中，其實(shí)際功率應(yīng)大于或小于此轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)功率值。因此，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速指令應(yīng)遵從“緩升驟降”原則，在升速過程中犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能來減少實(shí)際功率與穩(wěn)態(tài)功率之間的差值來保證風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

當(dāng)CT二次側(cè)電流過小，取能電源不足以提供風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速所需能量時(shí)，應(yīng)切除風(fēng)機(jī)負(fù)載。實(shí)時(shí)對(duì)二次側(cè)電流大小進(jìn)行監(jiān)控，一旦電流大小滿足啟動(dòng)條件，則接入風(fēng)機(jī)負(fù)載，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的控制方法框圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析，搭建了如圖8所示的CT取能調(diào)速風(fēng)冷實(shí)驗(yàn)裝置，裝置由取能CT、取能調(diào)整電路及風(fēng)機(jī)負(fù)載三部分組成。匝數(shù)為625的取能CT套裝在能交流輸電母排上，將磁場能量轉(zhuǎn)化為電能。取能調(diào)整電路將不穩(wěn)定的交流電流源變換為小范圍波動(dòng)的直流電壓源。風(fēng)機(jī)負(fù)載由LMF1000-20B48型57 V輸出DC/DC變換器、NTS-1700型50 Hz 230 V輸出DC/AC變換器及G3G20-GN17-01型風(fēng)機(jī)組成，電能變換器將取能調(diào)整電路輸出的直流電壓源變?yōu)?0 Hz 230 V穩(wěn)定交流電壓源給風(fēng)機(jī)供電。取能調(diào)整電路的核心參數(shù)在表1中給出。

裝置正常運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)波形如圖9所示。輸電母排上的電流i1及CT二次側(cè)電流i2都為頻率為50 Hz的階梯波。電容電壓vC在146 V與152 V之間波動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)“假啟動(dòng)”工況。

通過改變母排電流有效值觀察CT二次側(cè)輸出電流有效值，結(jié)果如圖10所示?？梢?，在測試范圍內(nèi)，CT二次側(cè)電流有效值與母排電流有效值具有線性關(guān)系，比值在625附近波動(dòng)，結(jié)果表明在測試范圍內(nèi)CT始終未飽和。

取能調(diào)整電路的占空比平均值及風(fēng)機(jī)負(fù)載功率與最大取能功率的比值隨母排電流有效值的變化如圖11所示。圖12給出了4個(gè)母排電流大小下的電容電壓vC波形?？梢婋m然最大取能功率隨母排電流不斷變化，但功率自平衡策略可以根據(jù)電流的變化靈活調(diào)整負(fù)載的功率。在測試范圍內(nèi)，泄流MOSFET開關(guān)管的開關(guān)占空比始終保持在較低水平，始終保持在8%到20%區(qū)間內(nèi)，在避免“假啟動(dòng)”的同時(shí)具有較高的能量獲取能力，風(fēng)機(jī)負(fù)載功率與最大取能功率的比值始終大于60%。可見，功率主動(dòng)自平衡策略通過利用負(fù)載的控制自由度來適應(yīng)電流的寬變化范圍的方法是有效的，能進(jìn)一步擴(kuò)展裝置穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間，提升電源取能能力。

5 結(jié) 論

為滿足電力系統(tǒng)高壓線路旁過熱故障多發(fā)點(diǎn)的散熱需求，本文設(shè)計(jì)一種帶功率主動(dòng)自平衡策略的CT取能調(diào)速風(fēng)冷裝置，利用CT非侵入式地從輸電線路中獲取能量，經(jīng)后級(jí)電路調(diào)整為穩(wěn)定電源后為散熱風(fēng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷目標(biāo)。

本文所提出的功率主動(dòng)自平衡策略能夠利用電機(jī)負(fù)載的調(diào)速控制自由度，實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)負(fù)載功率，主動(dòng)匹配CT當(dāng)前運(yùn)行工況的最大取能功率，充分挖掘CT取能潛力。相比于增加額外儲(chǔ)能單元的技術(shù)方案，該策略具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、更適用于大功率負(fù)載場合、具有可持續(xù)性的主動(dòng)功率平衡能力等優(yōu)勢，為CT取能的大功率應(yīng)用提供一種新的解決思路。

實(shí)驗(yàn)表明，裝置能適應(yīng)輸電線路電流上千安培的寬電流變化范圍，驅(qū)動(dòng)百瓦級(jí)大功率散熱風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，且具有較高的取能容量利用率。

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2023-05-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52077088）

作者簡介：何杰偉（2001—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制；

劉自程（1989—），男，博士，副研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；

黃秋萍（2001—），女，學(xué)士，研究方向?yàn)榛谏疃葘W(xué)習(xí)的新能源功率預(yù)測；

劉 杉（1989—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姡?/p>

姜 喆（1988—），女，博士，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)及裝備等；

劉志剛（1974—），男，博士，研究方向?yàn)楦唠妷航^緣與高電壓試驗(yàn)設(shè)備及在線監(jiān)測裝置。

通信作者：劉自程