电容式电场能收集装置整流调理电路MPPT技术

本文提出了电容式电场能集能装置整流调理电路最大功率跟踪控制技术(Maximum Power Point Tracking-MPPT)，给出了用于变电站传感器供电的直流网络，设计了用于电容式电场能集能装置MPPT 控制的电路拓扑，并将扰动观察法用于其MPPT 控制，对电路的性能与MPPT算法进行仿真验证，仿真结果表明了文中电路拓扑性能的优越性与控制算法的有效性。本文的研究为智能电网无线传感器电场能供电的实用化打下基础。

1 引言　　

在智能电网规划的推动下，变电站系统的综合自动化是未来变电站的发展趋势，其监控和通信系统的重要性日益凸显。在智能化变电站实时精确的数据监测要求下，基于无线传感器网络的无线通信技术具有明显的优势。　　

无线传感器网络在智能电网中具有广阔的应用前景，但其能量的供给问题却未得到有效解决。为此而尝试采用的增加电池能量密度、采用新的能量传输等方法，因安全性及可靠性不足等缺点而被搁置。而收集周围环境中的能量(太阳能、电磁能等)并将其转换为电能的自供能技术可以有效解决无线传感器网络的能量供给问题。　　

高压变电站或高压设备周围蕴含丰富的电磁能量。测试数据表明，500kV 变电站内的工频电场一般较大，最大可达18kV/m，磁感应强度达70-90μT，在某些近高压设备处如变压器母线，补偿电容电感周围，电磁能测量数值甚至更高。因此，变电站内电磁场能量相当丰富，若能有效的加以收集利用，可作为变电站内无线传感器自供能的理想供能方式。　　

本文针对电场能的收集利用进行研究。工频电场能的收集是利用静电感应原理，置于电场中的两金属极板感应出不同的电动势，二者的电势差可用于负载供电，实现电场能到电能的转换。　　

由于电场能集能装置输出特性曲线会随环境条件如电场强度、环境温度、湿度等因素的变化而变化，在一定的电场强度、环境温度、湿度下，电场能集能装置工作在不同的输出电流会对应输出不同的功率，但有且只有一个电流对应的电场能集能装置输出功率最大，这个电流对应的工作点就是其最大功率点。外基金资助项目：国家自然科学基金资助项目(51107068)部环境稳定的条件下，电场能集能装置的输出功率也会随负载的变化而变化，只有当负载阻抗与电场能集能装置阻抗匹配时，电场能集能装置才能输出最大功率，工作在最大功率点。外部环境和集能装置负载经常是变化的，为了使电场能集能装置输出最大功率，需要根据环境和负载的变化情况不断调整工作点，使其输出最大功率，此调节过程即为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking-MPPT)。　　

目前，电场能发电作为一种新能源发电形式，其最大功率跟踪技术(MPPT)的研究还处于空白状态。本文给出了用于变电站传感器供电的直流网络，分析了其中各种电源和储能设备的控制方式，设计了用于电容式电场能集能装置MPPT 控制的电路拓扑，分析了其对比于其他电路拓扑的优越性。给出电场能集能装置输出电流-并网功率(Iorms − Pdc )曲线，阐述了MPPT控制的必要性，分析了其并网电流输出特性，设计了其电流二次谐波滤波方式，将扰动观察法用于其MPPT 控制。最后以仿真的形式对电路的性能与MPPT算法进行验证，并在系统各参数变化时，验证该算法的有效性。　　

2. 变电站无线传感器用直流网络　　

变电站传感器周围可利用的自供能能量主要包括太阳能与电磁场能等，由于太阳能具有输出间歇性强，受外界环境因素影响大，不适合室内使用等缺点，单独使用此供电方式很难保证传感器供电的可靠性。而在变电站中，电磁场能丰富且稳定存在，几乎不存在间歇性等问题，因此，将各种供电方式综合利用并与储能装置配合使用，即得到变电站无线传感器直流供电网络，其结构如图1 所示，箭头方向表示功率流向。在变电站无线传感器用直流网络中，供电电源、储能装置、用电设备通过电力电子装置与一条直流母线相连，供电电源均为可收集周围环境能量的自供能电源，如光伏电池，电磁场能集能装置等，储能设备包括超级电容，备用电池等，其中备用电池为可选元件。考虑到传感器供电电压及安全性等因素，直流母线选为48V，48V 直流电可直接为变电站内传感器或其它用电设备供电也可经DC/DC 斩波后为它们供电。

直流网络中各元件控制方式为：正常情况下备用电池处于充满状态，当超级电容能量未充满时，光伏电池板输出斩波电路工作于MPPT 模式，电磁场转换器也工作在MPPT 模式，超级电容工作在电压控制模式，用来稳定直流母线电压，实现功率平衡;当自供能电源输出的功率大于负载消耗的功率时，超级电容吸收能量，反之，超级电容则放出能量;当储能装置能量均充满时，光伏电池斩波电路工作于电压控制方式，用来稳定直流母线的电压，电磁场能集能装置工作在MPPT 模式;当超级电容放完电且自供能电源输出能量不足以满足负载的用电需求时，启动备用电池进行供电，这种状态为紧急状态，只在故障情况下才会产生，设计时应使自供能的功率满足负载的用电需求。

本文研究的重点如图1 所示，为电场能集能装置及其输出整流调理电路。电磁场能集能装置整流调理电路始终工作于MPPT 模式，使电场能集能装置输送至电网的功率达到最大。　　

3.电场能集能装置整流调理电路拓扑　　

电容式电场能电场能集能装置，是用平板电容器置于交变的电场中，其两端感应出交流电压，将电场能转换为电能，向负载进行供电。其结构如所图2 示。

由电磁场理论可知，平行板电容器的存储能量可表示为：

当集能电容做为电源，向外输出电能时，其等效电路模型可近似为一个交流电压源串联一个电阻和一个电容，其中，电阻为集能装置输出损耗等效电阻，电容为集能装置的电源输出电容，其值等于集能电容器的电容值。

根据公式(4)到(6)，要想降低电容集能装置的电源内容抗，需要增大集能装置的电容。减小极板间距离可以增大集能电容，但电容极板距离的减小又会降低极板之间的电压。因此，可采取在电容两极板间加入介电常数较高的介质，增大极板的面积，减小极板之间的距离等措施，但这些措施又会导致电容输出电压的降低，所以，需要同时具备整流与升压功能的电力电子调理输出电路，使电场能集能装置输出可并入48V 直流母线。　　

因此，选用PWM 整流器作为电场能集能装置调理输出电路。其电路拓扑如图3 错误!未找到引用源。所示。ac V 表示集能装置等效交流电压有效值，R 为系统等效内阻，包括集能装置内电阻，电力电子装置内电阻等，C为集能装置输出电容，L为PWM整流电路输入电感，o i 为集能电容输出电流，S1 ~ S4为四个全控型功率开关管，id 表示输送到电网的电流，Cd 为直流侧电容。PWM 整流器不但具有整流与升压功能，与二极管整流相比，电流流过通态电阻极低的功率MOSFET，而不是二极管，使整流损耗大大降低，并具备输入电流连续可控等优点，适合运用于电场能集能装置整流调理电路。

4.整流调理电路MPPT 控制技术　　

为了控制集能电容输出电流，并提高系统的稳定性，采用电流闭环反馈控制方式。将集能装置输出电容框进整流电路中，所示该系统控制框图：

从图5 和图6 可以看出，当ac V 或R 变化时，最大功率点也会随之变化， ac V 与空间电场的强度、方向、集能电容特性等因素相关，R 值则与集能电容的填充介质的材料，电力电子器件导通阻抗，开关频率等条件有关，是否受电场强度大小和方向的影响，还需要进一步实验加以验证。如何在电场大小和方向均时刻变化的变电站电磁环境中快速的找到最大功率点，则成为MPPT 算法的关键。

根据公式(9)，如果测出集能电容等效电压源电压Vac与系统等效内阻R 的值，即可求出电路最大功率输出点。但由于平板电容器供电时，其两端电压为Vac与等效内电容，内电阻电压之和，所以Vac 在实际系统中很难直接测出，而R 的值会随周围温度、湿度、电场等条件变化而变化，也很难直接测出。所以，需要一定的算法来实现该电路的MPPT 控制。　　

5.MPPT算法的实现　　

电场能集能装置的MPPT 控制可以借鉴光伏系统。光伏系统中常用的MPPT 控制方法有：恒定电压法，扰动观察法，增量电导法等。由于本系统中控制为输出电流，且最大功率点电流值随电场强度、方向等因素变化很大，恒定电压法并不适合于此控制。因此，本文选用扰动观察法作为其MPPT 控制算法。扰动观察法可以在系统参数R、ac V 未知的情况下，只需要测量电路电流等参数即可实现算法，具有采样参数少、只需进行简单的逻辑判断，编程容易实现、系统稳定等优点。

电场能集能装置扰动观察MPPT 控制与光伏发电中扰动观察MPPT 控制策略相类似。但不同的是，电场能集能装置输出为交流，输入到电网的电流也是时刻变化，可光伏阵列输出则为直流。因此，并不能像光伏发电MPPT 控制一样进行实时的控制。设集能装置等效电压源电压与输出电流的瞬时值同相位，分别为：

6.仿真验证

7 结论　　

在变电站无线传感器供电的直流网络中，电磁场能集能装置整流调理电路始终工作于MPPT模式，即最大限度地向直流电网输出功率。文中用于电容式电场能集能装置MPPT 控制的整流调理电路拓扑，具有比其他电路拓扑更优越的性能，且该电路具有良好的电流跟踪特性，适合运用于电场能集能装置MPPT 控制技术。文中分析并给出电场能集能装置输出电流-并网功率( orms dc I − P )曲线，并将扰动观察法用于其MPPT控制。仿真结果证实了整流调理电路具有良好的电流跟踪特性，且在等效电压源ac V 与等效内阻R 变化时，MPPT控制算法均可有效地找到最大功率点，并在其附近的一个较小范围往复达到稳态。仿真结果表明了文中电路拓扑性能的优越性与控制算法的有效性，为智能电网无线传感器电场能供电的实用化打下基础。