離網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)供電電源的研究進(jìn)展

1、 離網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)供電電源的研究進(jìn)展 3.浙江尚越新能源開發(fā)有限公司浙江杭州311100）摘要：在線監(jiān)控系統(tǒng)對于輸電線路電力設(shè)備的安全運行有著重要的意義，供電電源的穩(wěn)定性是確保在線監(jiān)控系統(tǒng)正常運作的核心。本文綜合分析了在線監(jiān)控系統(tǒng)的不同供電方式，并介紹由銅銦鎵硒（CopperIndiumGalliumSelenide，CIGS）薄膜太陽能電池，超級電容和鋰電池組成的新型供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有重量輕，弱光發(fā)電性能佳，使用壽命長，可應(yīng)用范圍廣的特點，綜合發(fā)電成本明顯低于傳統(tǒng)離網(wǎng)晶硅太陽能電池電源系統(tǒng)，將成為包括在線監(jiān)測系統(tǒng)供電電源等在內(nèi)的升級換代產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：輸電線路；供電電源；超級電容；銅銦鎵硒太

2、陽能電池1在線監(jiān)測電源系統(tǒng)的供電方式目前，常用的輸電線路的在線監(jiān)控設(shè)備供電模式主要可以分為兩大類：一類是自身感應(yīng)取能供電模式，另一類是接受外部能量轉(zhuǎn)化取能供電模式。1.1自身感應(yīng)取能供電模式自身感應(yīng)取能供電系統(tǒng)主要分成兩大部分：感應(yīng)器和電源。主要有這幾類：電壓互感器取能供電、電流互感器取能供電。1.1.1電壓互感器應(yīng)取能電壓感應(yīng)取能裝置主要由取能互感器和取能電源模塊組成2，工作原理如圖1所示，利用套裝在高壓輸電線路上的分布電容或者對地電容，感應(yīng)高壓輸電線路上的交變電壓，經(jīng)過取能電源模塊的整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出額定電壓，為在線監(jiān)測裝置提供電源3。Fig.1Schematicdiagramofge

3、ttingpowerfromelectricfield但是，這種供電模式在實際應(yīng)用中存在很大的局限性：安全性不夠高，可靠性低，一次側(cè)瞬間短路可能導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行；由于感應(yīng)器套裝在高壓線上，對供能電路與后續(xù)電路之間的過壓保護(hù)裝置的設(shè)計要求很高；采用這種方法得到的功率有限，且大電容造成的諧波會干擾監(jiān)測的結(jié)果。1.1.2電流互感器（TA）取能4電流感應(yīng)取能是目前一種較為有效的取能供電方式，它的工作原理如圖2所示，在高壓傳輸線路上套裝可開啟式的良磁導(dǎo)體，通過電磁感應(yīng)，從高壓傳輸線路周圍產(chǎn)生的交變磁場中獲取能量。Fig.2Schematicdiagramofgettingpowerfrommagne

4、ticfield這種取能監(jiān)控裝置將高壓傳輸線路工作時的高電壓、大電流信號通過感應(yīng)器轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流，然后傳遞到二次側(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這個過程中，二次側(cè)設(shè)備、工作人員與高壓傳輸線路之間有非常安全的電氣隔離，充分保證了二次側(cè)設(shè)備和工作人員的安全。但是，這種裝置在實際應(yīng)用中存在很多缺陷：傳輸線路的大電流易使感應(yīng)器的鐵芯長時間處于飽和狀態(tài)，從而使鐵芯產(chǎn)生很高的熱量，降低感應(yīng)器的工作效率；同時，這種裝置的取能電源電路設(shè)計復(fù)雜，在數(shù)據(jù)傳輸過程中能耗較大，對電源的質(zhì)量要求較高，目前不具備商業(yè)上推廣的條件，系統(tǒng)參數(shù)的選擇上的高難度也制約了其在工程上的應(yīng)用。1.2接受外部能量轉(zhuǎn)化取能供電模式1.2.1激光供

5、能5激光供能系統(tǒng)工作的主要原理是在低壓端利用大功率激光發(fā)生器發(fā)光，然后通過光纖，將光能傳遞到高壓端，并在高壓端通過光電轉(zhuǎn)化裝置，將光能轉(zhuǎn)化成電能，為在線監(jiān)測系統(tǒng)提供電能，如圖3所示。Fig.3Systemofpowersuppliesonlasersource激光供電系統(tǒng)實現(xiàn)了高低壓之間的隔離，使供電系統(tǒng)不受電磁干擾，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。但是，激光供電系統(tǒng)發(fā)展到目前為止，還存幾個方面的不足：激光功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，導(dǎo)致制造、維修的成本都很高，無法廣泛的推廣；此外，高壓傳輸線路經(jīng)常穿過荒蕪人煙的森林地帶，致使無可供電的低壓端，而且，系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率低，必須采用超低功率芯片，這種芯片目前并未發(fā)展

6、成熟。1.2.2超聲波供能6超聲波供能工作的原理與激光供能類似，如圖4所示，在低壓端安裝一個驅(qū)動電源，電源連接一個超聲波聲電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化器再與超聲波絕緣傳導(dǎo)介質(zhì)的低壓端相連，超聲波絕緣傳導(dǎo)介質(zhì)的高壓端與另一個超聲波聲電轉(zhuǎn)換器連接，再接入電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電，為在線監(jiān)測系統(tǒng)供電。Fig.4Systemofpowersuppliesonultrasonic超聲波供能雖然穩(wěn)定性好，安全性能高，但是依然存在轉(zhuǎn)換效率低、且供電系統(tǒng)造價昂貴等不足，所以這種供能方式依然無法普遍推廣。1.2.3太陽能供能太陽能屬于綠色可再生能源，取之不盡，用之不竭，是未來能源發(fā)展的一大趨勢。相較于電壓感應(yīng)器取能和電流感應(yīng)器

7、取能，它的成本已經(jīng)大幅度的降低，而且在突發(fā)斷電的情況下，仍然能夠保持正常的運作；此外，相較于激光供能和超聲波供能，它無需外接電源供電。太陽能供能系統(tǒng)的工作原理是通過光伏發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，一部通過蓄電池儲存起來，另一部分則提供在線監(jiān)測系統(tǒng)使用，如圖5所示。Fig.5Systemofpowersuppliesonsolarenergy隨著國內(nèi)外太陽能儲能技術(shù)的發(fā)展，太陽能離網(wǎng)系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)了三種不同的儲能模式：太陽能+蓄電池，太陽能+超級電容，太陽能+超級電容+鋰電池。(1)太陽能+蓄電池目前，在線監(jiān)測裝置主要依靠太陽能電池與蓄電池配合供電。但是，這種供電方式不能在長期陽光不足的季節(jié)和地區(qū)使

8、用，而且，長時間處于自然環(huán)境條件中的太陽電池板，沒有定期進(jìn)行清理，容易在其表面堆積大量的灰塵，自然條件下的雨水無法沖刷，灰塵會削弱甚至遮蓋射入的陽光，大幅度降低了太陽能儲能系統(tǒng)的發(fā)電效率。此外，隨著使用年限的延長，蓄電池的其充放電效率大幅下降，因此電池的使用壽命較短。(2)太陽能+超級電容超級電容器是近年來發(fā)展成熟的一種綠色環(huán)保的大容量儲能部件。與蓄電池相比，超級電容器有更為突出的優(yōu)點：功率密度更大、充電速度快、使用壽命長等。太陽能電池與超級電容的控制電路已經(jīng)在太陽能庭院燈上得到了應(yīng)用7。但是該模式僅適用于一些功耗極低的的在線監(jiān)測設(shè)備。這是因為超級電容的能量密度明顯低于蓄電池，所以本裝置在電能

9、的持續(xù)工作能力不如技術(shù)比較成熟的鋰電池。（3）太陽能+超級電容+鋰電池結(jié)合超級電容器和鋰電池兩種技術(shù)的優(yōu)勢，即超級電容器的高功率密度和電池的高能量密度，形成了太陽能+超級電容+鋰電池的新型供電模式。大量的研究結(jié)果表明8-9，超級電容器的高峰值功率，降低鋰電池提供高瞬間功率的要求，從而減小電池組尺寸。超級電容器高峰值功率密度允許超級電容器在短時間內(nèi)提供更多的功率。相反，與超級電容器相比，鋰電池的能量密度更高，從而允許鋰電池在相同體積下存儲更多的能量，保證設(shè)備的長時間穩(wěn)定工作。銅銦鎵硒（CopperIndiumGalliumSelenide，CIGS）薄膜電池是目前轉(zhuǎn)換效率最高的可批量生產(chǎn)的薄膜電

10、池，是一種被公認(rèn)為最有前途的薄膜太陽能之一。到2015年底，CIGS薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)22.3%。銅銦鎵硒薄膜作為一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，其重要特性是能隙可通過鎵摻入量進(jìn)行調(diào)節(jié)。銅銦鎵硒材料禁帶寬度可以在1.04eV1.65eV間變化，非常適合調(diào)整和優(yōu)化材料的禁帶寬度，使銅銦鎵硒太陽能電池具有最佳的光學(xué)能隙。同時銅銦鎵硒薄膜材料對可見光的吸收系數(shù)也是太陽能電池中最高的，達(dá)到105cm-1，非常適合于電池結(jié)構(gòu)的薄膜化。Fig.6PackagestructureofflexibleCIGSthinfilmsolarcells與傳統(tǒng)晶硅太陽能電池相比，CIGS薄膜太陽能電池不僅可以剛

11、性襯底（如玻璃、陶瓷），形成光伏幕墻的光伏組件，還可以金屬鋁箔或高分子聚合物為襯底，形成可彎曲、質(zhì)輕、不易碎、抗輻射性好的柔性CIGS，除了傳統(tǒng)組件應(yīng)用之外，還可應(yīng)用于許多特殊的場合，如凹凸不平的屋頂、圓柱形鋼管塔、汽車頂、衣服上及輕型移動電站等。此外，柔性薄膜太陽能電池的產(chǎn)品正逐步走上市場化，除美國Ascent，美國Nanosolar等公司外，中國的尚越光電科技股份有限公司以不銹鋼鋁箔為襯底的柔性CIGS太陽能電池已實現(xiàn)商業(yè)化。因此，CIGS薄膜太陽能電池+超級電容+鋰電池的供電系統(tǒng)模式是目前最佳的儲能模式之一。3結(jié)論通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，由CIGS薄膜太陽能電池、超級電容器、鋰電池組成的太陽能供能模式，充分結(jié)合了三者的優(yōu)勢，具有弱光發(fā)電更佳、使用壽命長、質(zhì)量輕、維護(hù)成本低等優(yōu)點，使其成為在線監(jiān)測系統(tǒng)供電電源的主要發(fā)展趨勢。Reference：1王秋瑾.架空輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用J.電力信息與通信技術(shù)，2009，7（11）：59-62.2支理想，劉喆，張立東.高壓輸電線路在線監(jiān)測供電電源研究及應(yīng)用J.電源技術(shù)，2014，39（2）：413-415.3何文林，王煥然，劉曉輝.一種光電電流互感器超聲波供能裝置：中國，101309057P.2008-11-19.4蔣鵬儀，施鵬飛，付湘瓊.基于光伏電池與超級電容組建直流電源裝置J