一种基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置输出功率提升方法

本发明涉及磁场感应取能装置功率提升方法，特别涉及一种宽范围负载接入磁场感应取能装置高功率输出方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统的蓬勃发展，电网迎来数字化转型阶段，大量状态感知装置铺设于输变电线路、变压器和断路器等电气设备，从而实时监测设备关键节点运行状态，由于中高压环境恶劣和生态环境保护等问题，储能电池无法支撑感知装置持续工作，可以选择环境能量收集技术作为感知装置的能量来源。当前，绝大部分高压感知元件采用间歇式环境取能并辅以蓄电池的方式进行电能补给，如太阳能、风能、温差、振动多源取能、射频取能和电场取能等。但间歇式环境取能方式均存在初始能量来源不易或取能功率受自然环境影响大等问题，难以保证供能的连续性。输变电线路、配电网线缆和部分铁路轨道等通流导体周围的电磁场源具备能量丰富、分布广泛、功率密度高且稳定等优点。但由于圆环磁场感应取能装置特定的安装方式，磁芯存在气隙，当气隙存在时其抗饱和能力被增强，保护磁芯在线路大电流时免受发热、噪音、尖峰波输出等影响，然而磁芯存在气隙时，励磁电感急剧减小，导致取能功率相比于无气隙磁场感应取能装置下降较为明显。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置输出功率提升方法，通过捕获线路电流相位与第一路pwm的初相角协同优化输出功率。

2、技术方案：本发明的一种基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置输出功率提升方法，包括：

3、选定取能磁芯尺寸、磁芯气隙、取能线圈匝数、磁芯材料磁场感应取能装置具体参数；

4、选取低压降整流二极管d1和d2、低导通电阻mosfet，选定某一负载下可控整流输出功率大于全桥不控整流输出功率的最优pwm波频率fp、pwm1与线路电流初相角θ1以及pwm1和pwm2的相位差θ2；

5、获取可控整流输出电压与全桥不控整流输出电压一致的临界电阻rs；

6、监测负载电流和负载电压，根据欧姆定律计算得到负载阻抗，根据接入负载阻抗的大小判断是否需要使用可控整流输出；

7、在可控整流电路工作的情况下，增加电网频率波动监测，若检测到电网频率产生波动则重新捕获线路电流相位并按照既定初始相位角重新输出两路pwm波至mosfet，继续进行下一步测量。

8、进一步的，根据接入负载阻抗的大小判断是否需要使用可控整流输出；具体为：将负载阻抗rl与临界电阻rs进行比较，判断是否需要使用可控整流电路输出；若接入的负载阻抗rl小于rs，则两路pwm波始终输出低电平，全桥不可控整流工作；若接入的负载阻抗不小于rs，则两路pwm波输出设定的频率、pwm1与线路电流初相角和pwm1和pwm2的相位差，可控整流工作。

9、进一步的，在使用可控整流电路的情况下，通过比较电流由正到负的过零点与一路pwm波后一个上升沿的相位差实时监测电网频率波动，若存在波动则获取输入电流由负到正的过零点位置，并根据设定的初始相位角重新输出第一路pwm波，第二路pwm波根据两路pwm波的相位差重新输出。

10、本发明的一个实施例中，一种基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置电路，包括带气隙式磁场感应取能装置以及可控整流电路，其中，可控整流电路包括整流桥，以及并联在整流桥输出端的电容，负载两端与整流桥输出端连接，整流桥上桥臂包括两个整流二极管d1和d2，下桥臂包括两个开关管s1和s2，s1和s2均包括并联连接的体二极管和mosfet开关，通过控制可控整流电路中整流二极管和mosfet开关的通断，使磁场感应取能装置电路工作在不同状态。

11、可选的，磁场感应取能装置电路工作状态包括：

12、状态1：d1导通，d2关断，该状态的初始时刻pwm1驱动关断，s1断开，电感通过d1和s2构成的回路释放能量，负载正常充电，电流通过s2的体二极管或者mosfet开关，并完成自然换相；

13、状态2：d1关断，d2关断，相比于负载励磁电感较小，此时ip(t)/n电流大部分流过励磁电感，负载几乎无电流通过，ip(t)为磁场感应取能装置原边电流，n为取能线圈匝数；

14、状态3：d1关断，d2关断，此时s2闭合，ip(t)/n恰好完成换相，ir(t)为负，由于体二极管的存在，s1断开或者闭合均不会影响电路的正常工作，后续电路近似短路，流进可控整流电路的电流值逐渐升高；

15、状态4：d1关断，d2导通，该状态的初始时刻pwm2驱动关断，s2断开，电感通过d2和s1构成的回路释放能量，负载正常充电；

16、状态5：d1关断，d2关断，ir(t)电流路径与状态2中ir(t)电流路径一致，电流方向相反，此时ip(t)/n电流大部分流过励磁电感，直至pwm1高电平触发s1；

17、状态6：此时d1、d2仍关断，s1和s2处于导通状态，后续电路短路，um(t)电压被拉平为mosfet体二极管电压，负载停止充电，ir(t)电流路径与状态3中ir(t)电流路径一致，方向相反。

18、可选的，整流二极管d1和d2为低压降整流二极管，mosfet开关为低导通电阻mosfet。

19、可选的，根据负载阻抗rl与可控整流输出电压与全桥不控整流输出电压一致的临界电阻rs的大小关系，判断是否需要使用可控整流电路输出。

20、本发明的一个实施例中，一种带气隙式磁场感应取能装置的可控整流平台，包括：电流发生器、电流互感器、取能装置、可控整流电路和微控制器，使用电流发生器模拟实际线路电流，使用电流互感器读取线路电流相位并传输给微控制器进行处理，取能装置通过磁场感应取能给后续电路供电，电流互感器与取能装置均套设在线路上且与微控制器电路和可控整流电路相连，微控制器处理收到的线路电流相位信息并与预设值进行比较，输出两路pwm波控制可控整流电路，使得输入等效电阻与负载阻抗相匹配，取能功率达到最大。

21、本发明的一个实施例中，一种基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置输出功率提升系统，包括：

22、取能装置参数选取单元，用于选定取能磁芯尺寸、磁芯气隙、取能线圈匝数、磁芯材料磁场感应取能装置具体参数；

23、可控整流电路参数选取单元，用于选取低压降整流二极管d1和d2、低导通电阻mosfet，选定某一负载下可控整流输出功率大于全桥不控整流输出功率的最优pwm波频率fp、pwm1与线路电流初相角θ1以及pwm1和pwm2的相位差θ2；

24、临界电阻获取单元，用于获取可控整流输出电压与全桥不控整流输出电压一致的临界电阻rs；

25、可控整流判断单元，用于监测负载电流和负载电压，根据欧姆定律计算得到负载阻抗，根据接入负载阻抗的大小判断是否需要使用可控整流输出；

26、可控整流控制单元，用于在可控整流电路工作的情况下，增加电网频率波动监测，若检测到电网频率产生波动则重新捕获线路电流相位并按照既定初始相位角重新输出两路pwm波至mosfet，继续进行下一步测量。

27、本发明的一个实施例中，一种电子设备，所述设备包括：

28、存储有可执行程序代码的存储器；

29、与所述存储器耦合的处理器；

30、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的基于可控整流的带气隙式磁场感应取能装置输出功率提升方法的步骤。

31、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：通过变化主动整流mosfet的驱动信号频率、相位和与线路电流的初相位等参数，调节等效输入阻抗，从而获取最优输出功率，在此基础上，考虑到电网中线路电流的频率存在一定的波动性，通过实时监测并比较线路电流相位与第一路pwm波的初相角的方法进行校准，按照既定初始相位角和相位差重新输出两路pwm波，该方法进一步拓宽了磁场感应取能装置高功率输出负载接入区间，有效提高宽范围负载接入磁场感应取能装置的功率。