【摘 要】
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分布式智能传感器是电网运行参量和设备状态信息感知的关键设备,随着智能传感器的广泛应用,在实际电力生产中的传感器供能问题日益凸显。现场环境能量收集提供了一种可行的分布式传感器移动电源解决方案,是目前电气与电子工程领域的研究热点之一。现场环境能量收集并为低功耗传感器供电具有重要意义,但单一的环境能量收集往往电能量小、稳定性差,因此,本文开展了对多源环境能量收集的阵列取能器件优化和能量融合与管理方法的研
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分布式智能传感器是电网运行参量和设备状态信息感知的关键设备,随着智能传感器的广泛应用,在实际电力生产中的传感器供能问题日益凸显。现场环境能量收集提供了一种可行的分布式传感器移动电源解决方案,是目前电气与电子工程领域的研究热点之一。现场环境能量收集并为低功耗传感器供电具有重要意义,但单一的环境能量收集往往电能量小、稳定性差,因此,本文开展了对多源环境能量收集的阵列取能器件优化和能量融合与管理方法的研究,以实际的电磁、温差的混合能量收集为例,实现了对电缆缆芯温度无线传感器的电能供给。由于不同取能器件的输出电气特性差异大,单个取能器件的输出功率有限,本文提出了一种阵列式取能器件的优化设计方法。在不同取能器件的等效电路模型基础上,得到阵列形式下的输出特性函数,利用后端能量提取电路的多约束电气条件,对取能器件的阵列形式进行优化,实现较高效率的阻抗匹配,提高能量提取效率和转换效率。采用分级储能的多源环境能量融合方法,建立了源-储-荷的充放电控制约束方程,协同控制能量的输入、存储和释放。针对实际电缆运行环境,适配设计了独立的电磁、温差能量提取电路,并研制了电磁与温差的混合能量收集系统。论文的研究内容和成果主要有:（1）基于光照、温差、振动、电磁取能器件的典型等效电路模型,采用实验的方式获取器件的输出响应特性函数和模型参数。阵列式取能器件的最大功率提取,依赖于取能器件与后端能量提取电路的阻抗匹配,在单个器件的基础上推导出阵列器件的电路模型和输出特性函数,以多电气约束条件优化阵列形式。通过取能器件的阵列优化实现取能器件的输出阻抗变换,从而提高后端能量提取电路对能量的提取效率和转换效率。（2）提出了一种基于分级储能的多源能量融合方法,设计了便于多路能量扩展的电路架构,采用超级电容器作为储能元件,分析了电容器的充电效率。不同的能量输入源对各级电容器充电,使得能够独立适配设计各路MPPT,在迟滞电压控制下实现能量融合和对负载的供电。研究了能量融合的损耗模型,以电压响应时间和融合效率为目标,建立了多源能量流动行为控制约束方程,优化选取多源能量收集储能系统的控制参数,实现了对源-储-荷的协同控制。（3）采用磁芯线圈和温差发电片作为取能器件,设计了电磁-温差混合能量收集系统。热电仿真明确了较佳的垂直阵列方式;根据磁芯线圈取能的数学模型,确定了应用于电缆环流取能的磁芯线圈基本参数;选用ADP5091作为能量收集芯片,阐述了芯片的工作电压逻辑和能量管理过程,根据芯片的输入电气特性、最大功率跟踪（MPPT）以及阵列取能器件的等效电路模型,提出了对前端取能器件的阵列约束条件,并利用遗传算法优化了阵列参数;根据实际负载需求,优化了储能系统控制参数。研制了电磁-温差混合能量收集系统,测试结果表明,单源能量输入下的能量收集系统冷启动电压约为430m V,最小输入功率约42μW;系统对电磁能量的提取效率约为88.98%,对温差能量的提取效率约为80.46%,提取功率分别为50m W、24m W,峰值转换效率分别为93.4%、89.7%;能量收集系统能够稳定输出3.3V、5V～12V（可调）,实现了对额定负载100m W、200m W的稳定供电。（4）提出了一种构建温度梯度分析的非侵入式缆芯温度测量方法,通过测量电缆护套外裹隔热层的内外温度,理论或拟合公式计算得到缆芯温度。以真型10k V交联聚乙烯电缆为试验对象,利用电缆外部多点温度计算出缆芯温度,实验结果表明了该方法具有较高的缆芯温度测量准确度;研制了基于Zigbee的多路温度测量无线传感器,与电磁-温差混合能量收集系统模块联合实验,实现了对无线传感器的间歇供电。
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