摘要：随着输变电线路在线监测设备的广泛使用，使得设备对野外供电电源的要求越来越高，电源供给成为制约高压在线监测系统发展的关键。本文提出了一种太阳能供电和风能供电相结合的供电方案，平时供电以太阳能和蓄电池为主，风能发电做补偿。采用垂直轴结构的叶轮和泄流电路解决了风能发电转速不稳定的缺点，自动调整供电状态及电池充放电状态，保证在线监测设备的长期稳定的工作。

　　关键词：输变电线路;在线监测设备;电源;太阳能供电;风能供电

　　随着输变电线路在线监测技术的广泛应用，其监测功能和范围越来越广，例如高压开关触点和电缆接头测温、导线覆冰状态在线监测、绝缘子污闪监测等系统[1]，安装在高压现场，受地理条件、绝缘成本以及电气隔离安全要求的限制，高压电路在线监测设备的电源一般不能由低压端直接供给，电源供给成为制约高压在线监测系统发展的关键。目前比较常用的供电方式有：采用太阳能板供电[2]、电池供电、激光供电、架空线路电磁感应供电等方式。太阳能板供电供能极其方便，但易受气候的影响，在南方多雨多雾的气候条件下并不适用。采用电池供电极其方便，但受到供电功率的限制，且需要经常性更换才能保证设备的正常运行。光供电方式是低压端将电能转换为光能，经光纤传送到高压端再转化为电能，为设备供电[3] ，该方式受地理条件限制(因高压输电线路多经过山区，森林等地)，且设备复杂，成本高，转换效率与功率不大。近年来出现的通过线路电磁感应获取能量的方法，对器件的绝缘要求较高，尤其是在特高压线路中，因电磁干扰极为明显，而可能无法正常使用。同时其绝缘成本将大大提高，可靠性也大大降低。

　　基金项目：中央高校基本科研业务资助(CDJRC 10150008)

　　综上所述，本文提出了一种改进的供电方案。该方案将太阳能供电和风能供电相结合，两者取长补短，突出解决高压在线监测设备的供能难题。

　　1 传统太阳能供电系统

　　如图1，传统太阳能供电系统主要由硅太阳能电池、蓄电池组和充-放电控制电路三个部分。硅太阳能电池在受光后开始发电，在光照充足时，硅电池一面向负载供电，一面对蓄电池充电，在阴天或夜间由蓄电池向负载供电。蓄电池一般选用容量较大的铅酸蓄电池和锂电池等。系统不同工作状态的控制转换由基于单片机的充-放电控制电路实现。控制信号为太阳能电池输出电压[6]。

　　图1太阳能供电系统

　　Fig.1 Structure of Solar Power System

　　太阳能是一种绿色可再生新能源，供电方式极为方便，在国内外得到广泛使用。但是，太阳能电池供电功率受电池板的面积、蓄电池的容量及地区平均日照时间影响，受气候影响较大。此外，蓄电池寿命与充放电循环次数有关，一般铅酸蓄电池充电循环次数一般为300次左右，反复多次深度充放电，其寿命更低，这对于长期运行在户外的在线设备来说是不适用的。因而必须改进供电方式，以提高电源寿命。

　　2 供能系统的组成

　　供能系统包括风力电机、PV太阳能板、泄流电路、电源控制电路、充\放电电路5部分组成。各部分原理分述如下：

　　图2 风光供电系统结构

　　Fig.2 Schematic diagram of a PV/wind hybrid system

　　2.1 风力发电技术

　　常规风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。受设计成本及其安装现场的影响，本设计用24V直流减速电机加装叶轮作为风力发电机。

　　表1 24V直流减速电机参数

　　Table 1 24V DC gear motor parameters

　　转速(r/min)

　　输出端电压(V)

　　输出功率(W)

　　200

　　24

　　20W

　　100

　　12

　　10W

　　风轮采用阻力型垂直轴结构，该风轮具有风向适应性较好、启动风速低(1m/s)、无噪音、回转半径小、安全性高和免维护等特点，其叶尖速比λ一般为0.3～0.6。为了达到风电效率和启动速度的最佳配合，本设计中风轮采用5叶片叶轮结构，其风速与电机转速关系：

　　v=nπDλ/60 (1)

　　其中，n为风机转速，D为风轮直径，v为风速，λ为叶尖速比。现代风机的有效输出功率[7]为：

　　(2)

　　式中ρ为空气密度，CP为风力机风能利用系数(理论值0.593，目前风机最大能达到0.45)，与叶尖速比λ有关[8-10]，A为风扫过的面积。

　　自然界的风速和方向时常变化的，由式(2)可知，风力机的输出功率与风速的大小有关，一般24V直流电机的输出为13～25V电压范围。当风速足够大时，风力电机开始发电，输出电压、功率随风速较大而增大，若此时电路负载较小，由直流电机运行特性可知，其转速会增加，输出电压进一步升高，直至超出后续电路正常工作电压，使蓄电池处于过压充电状态，将会大大缩短其使用寿命。

　　为了保证风力电机转速的相对恒定，保证蓄电池安全健康工作，需要对电路进行泄流[11]。本设计接入压控电阻和瞬态电压抑制器(TVS)，调节风力电机的向后续设备的输出功率和电压。

　　图3 泄流电路

　　Fig.3 The over current protection

　　如图4，设风力机输出电压为V0，则输出功率：

　　(3)

　　P1为MOS管Q1支路消耗的功率，P2为向后续电路传递的功率，I1为MOS管平均电流;当电源负载较小(或风速较大)时，电压V0升高，当上升至Q1的开启电压VQth时，Q1导通。风力电机多余输出功率由MOS管Q1支路消耗，阻止电压、转速进一步增加。反之，负荷较大(或风速较小)时，电压V0降低，MOS管几乎截止，电机输出功率全部提供给负载。则风力电机输出电压被钳制在一定范围(风速足够大时)：

　　(4)

　　2.2电源控制电路

　　蓄电池寿命与充放电循环次数以及充电质量有关，而太阳能及风能供电不连续，本设计采用两组电池交替充电、供电的方式，保证电池随时充电，有利于提高能量利用效率和电池使用寿命。如图4为电源控制电路，该电路可实现以下功能：

　　图4 电源控制电路

　　Fig.4 Power control circuit

　　(1)在风光发电端供能充足时，一面通过二极管D1、LM2588为负载供能，一面为电池组充电。

　　(2)电池组VC1、VC2一组充电，另一组放电，芯片MAX846A与 MOS管Q2、Q4组成充电电路，分别为两组电池充电;电池与Q3、Q5以及LM2588构成放电电路。两组电池工作状态的切换可以通过开关电平K控制。

　　图5充放电控制电路

　　Fig.5 Charge and discharge control circuit

　　如图5示，VC1和VC2为电池组1、2的端电压，为了防止电池放电过深，当一组电池长时间放电后，开关电平K翻转，将其切换到充电状态，将另一组电池切换到放电状态。

　　(5)

　　其中，Vmax为电池组设定最大允许电压差。比较器A输出端接JK触发器的电平输入端，JK触发器J、K端相连，并置高电平，构成计数器，当│VC1-VC2│>Vmax时，Vo3>Vref，比较器A输出跳变，下降沿驱动JK触发器输出端发生跳变，其输出通过NMOS开关控制电平K高低转换。即当两组电池电压差超过Vmax时，两块电池工作状态转换。

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