面向智能电网的光电传感器技术

论文摘要

测量设备在智能电网中占有非常重要的地位,电网中需要实时并且精确的测量高压线路的电流和电压值。有源型光纤电流传感器利用电磁感应原理,测量高压电路的电流值。近年来,它凭借成熟的传统互感器原理和先进的光纤通信技术已经逐步市场化。现在无源型光纤电流传感器也引起人们的重视。它利用法拉第电磁感应原理,在高压侧引入磁光介质的传感头感应电流产生的磁场,间接得到电流值。无源型光纤电流传感器是电流传感器发展的终极方向。本论文首先阐述了基于智能电网的光纤电流传感器的分类和发展现状,之后利用琼斯矩阵理论分析了基于磁光晶体钇铁石榴石(YIG)的光纤电流传感器系统,说明了在光纤电流传感器中加聚磁环的作用。并在此基础上提出两种基于磁光晶体的光纤电流传感器的传感头的设计方案。制作并测试了其中一种传感头,说明此传感头对于测量高压电流有效果,但是由于自身材料特性的限制,测量的范围不够大,所以目前用于实际的高压电力系统中还有一定困难。由于磁光晶体光纤电流传感器的缺陷,本论文又利用琼斯矩阵理论分析了全光纤电流传感器,提出一种反射式的全光纤电流传感器系统的结构,并且实际制作和测量了该系统。全光纤电流传感器能用来测量高压电流,尤其采用扭曲缠绕光钎传感头的方法抑制光纤线双折射。为今后更进一步研究全光纤电流传感器奠定一些基础。本论文还系统研究了用于有源型光纤电流传感器中的光伏能量转换器,它实际上是一种单结光伏电池。不仅理论分析了光伏电池的基本原理,而且给出了光伏能量转换器的外延层结构和半导体器件的结构。在此基础上,详细说明了该转换器的工艺制作过程,并测试了制作的样品,在输入光功率为200mW时,光电转换效率达到20.7%。最后,本论文提出一种聚光的色散型光伏太阳能电池的系统设计。它的主要思想是将广谱太阳光色散成多个窄谱,然后利用对不同波长敏感的单结光伏电池来吸收。因为单结电池制作简单,而且容易针对特定波段进行优化,所以这个方案很有前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 智能电网的定义及发展状况
• 1.2 光纤电流传感器的国内外发展状况
• 1.3 有源光纤电流传感器中的光电转换器的关键技术
• 1.4 太阳能电池简介
• 1.5 论文的研究的内容与安排
• 2 基于磁光晶体的光电传感器系统
• 2.1 光纤电流传感器的分类
• 2.2 基于磁光晶体的光纤电流传感器的基本原理
• 2.3 基于磁光晶体的聚磁环型光纤电流传感器的传感头设计
• 2.4 基于磁光晶体的光纤电流传感器系统的实验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 反射式全光纤电流传感器系统
• 3.1 全光纤电流传感器系统的基本原理
• 3.2 反射式全光纤电流传感器系统的分析
• 3.3 反射式全光纤电流传感器系统的实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 有源光电互感器中的光伏能量转换器的研究及制作
• 4.1 光伏能量转换器在有源光电互感器中的应用背景
• 4.2 光伏能量转换器的基本原理
• 4.3 光伏能量转换器的结构
• 4.4 光伏能量转换器的工艺过程
• 4.5 光伏能量转换器的测试结果
• 4.6 本章小结
• 5 一种聚光的色散型光伏太阳能电池
• 5.1 聚光的色散型光伏电池的背景技术
• 5.2 聚光的色散型光伏电池系统的结构
• 5.3 聚光的色散型光伏电池的展望
• 6 总结
• 6.1 论文总结及主要贡献
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文
• 附录2 英文缩写对照表