Recently, maintenance applications around power lines have been actively studied. These applications usually supply power through magnetic energy harvesting(MEH) to devices around the power line. The magnetic field energy harvesting method has many advantages compared to other energy harvesting methods, but has a problem of low power density due to saturation of the magnetic material. In particular, in the power line environment, it is important to overcome the saturation phenomenon of the magnetic material, which is the cause of the low power density in a wide current range.
In this paper, we propose a design methodology to harvest maximized output power by considering the saturation effect. To consider magnetic saturation, the output power model and the saturable magnetizing inductance model based on magnetizing current were comprehensively analyzed. Additionally, the critical point of saturation for the maximum harvested power was analyzed by considering different primary side current conditions. In addition, from a practical point of view, we analyzed problems such as the temperature rise of the magnetic material, the wide current range of the primary side, and the influence of the power line due to the installation of the harvester.
With the proposed design methodology, the accuracy and efficiency of the output model were verified with experimental results compared to the conventional model. To consider the real environment, a 150 kW class of AC resistor load bank was implemented to control the primary current from 0 to 100 A with power frequency of 60 Hz. Experimental results show that the proposed method can harvest an average power of 14.32 W on 70 A power line, which is an increase of 39.8 % compared with the conventional design method.
최근 전력선 주변의 유지보수 장치들이 활발히 연구되고 있다. 이러한 장비들은 일반적으로 전력선 주변에서 자기장을 이용한 에너지 하베스팅 방식을 통해 전력을 공급받는다. 자기장 에너지 하베스팅 방식은 다른 에너지 하베스팅 방식에 비하여 많은 이점을 가지지만, 자성체의 포화현상으로 인한 낮은 전력밀도를 갖는 문제점이 있다. 특히 전력선 환경에서는 넓은 전류 범위에서 낮은 전력밀도의 원인이 되는 자성체의 포화현상을 극복하는 것이 중요하다.
본 논문에서는 포화현상을 고려하여 자기장 에너지 하베스팅 시스템의 최대 출력을 얻을 수 있는 설계 방법을 제안한다. 자성체의 포화현상을 고려하기 위하여 자화전류를 기반으로 출력모델과 포화현상을 고려한 자화인덕턴스 모델을 종합적으로 분석했다. 또한 최대 수확 전력을 얻을 수 있는 임계 포화점을 다양한 전력선 전류 조건을 고려하여 새롭게 임계 포화점을 제시하였으며, 실제 전력선 환경에서 발생할 수 있는 손실 등을 분석하였다. 추가적으로, 실용적인 관점에서 자성체의 온도상승, 1차 측의 넓은 전류범위, 하베스터 설치로 인한 전력선 영향 등과 같은 문제점에 대해 분석을 진행하였다.
실험 결과를 토대로, 기존 방법과 비교하여 제안한 설계 방법의 정확성과 효율성을 검증하였다. 실제 전력선 환경을 고려하기 위해 150kW 급 AC 저항 부하기를 이용하여 1차 측 전류를 제어하도록 구현하였다. 그 결과, 제안한 방법을 통해서 70A 전력선에서 평균 14.32W의 전력을 수확할 수 있음을 보여주었고, 이는 기존 설계 방법에 비해 성능이 39.8% 증가함을 확인하였다.
