基于中繼線圈的WPT技術及其在高壓設備中的應用研究

黃智慧 鄒積巖 王永興 王 林

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

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基于中繼線圈的WPT技術及其在高壓設備中的應用研究

黃智慧 鄒積巖 王永興 王 林

(大連理工大學電氣工程學院 大連 116024)

對無線電能傳輸(WPT)技術在高壓設備中的應用研究現(xiàn)狀進行了總結，介紹了幾種基于無線電能傳輸技術的高壓端設備供電電源的研究情況，建立了帶有中繼線圈的電磁諧振式WPT的數(shù)學模型，對中繼線圈最佳位置和傳輸功率、距離和效率進行了仿真分析。結果表明帶有中繼線圈的電磁諧振式WPT技術能夠滿足高壓設備的電源需求和絕緣要求。

智能電網 無線電能傳輸技術 高壓設備 電源 中繼線圈

0 引言

高壓設備的智能化是分布式智能電網的重要組成部分，如用于高壓的電子式電流互感器[1]、由光控真空開關模塊串并聯(lián)組成的組合式智能高壓真空斷路器[2]、高壓線路溫度在線監(jiān)測裝置、視頻攝像頭、巡檢機器人等監(jiān)測設備[3]等。這些智能化的設備應用于電網的高壓側，又引入了智能控制技術，其控制部分是一種新的高壓電子設備，需要穩(wěn)定的電源供電，雖然與電網緊密聯(lián)系，卻無法直接從高壓側取電，阻礙著能源互聯(lián)網的發(fā)展。

目前高壓側設備的取電方式主要有兩種：一種是從高壓側取電，如使用特制的CT線圈從母線上取電[2]，這種方式在母線空載或小電流的情況下可能功率不足，或在高壓側安裝太陽電池板取電，但受環(huán)境影響較大，工作不穩(wěn)定；另一種方式是從低壓側向高壓側送電，如利用激光器通過光纖向高壓側發(fā)射激光能量，然后再由光電池等將光能轉換成電能[1]，這種方式供電穩(wěn)定性相對可靠，但激光器功率有限，光電轉換效率只有約40%，目前僅適用于功耗較低的場合[4，5]。

近年來，無線電能傳輸技術(Wireless Power Transmission，WPT)的發(fā)展為解決高壓設備的可靠供電問題提供了新的技術方案。本文介紹了WPT技術的發(fā)展及特點，提出一種使用電磁耦合式WPT技術的高壓設備供電方案，為智能電網在高電壓領域的發(fā)展提供幫助，同時也為WPT技術在能源互聯(lián)網領域拓展了應用空間。

1 電磁諧振式WPT技術

1.1 電磁諧振式WPT的原理

無線電能傳輸是指負載與電源之間不用導線連接而利用電磁的感應、諧振、輻射等形式來實現(xiàn)電能的傳輸[6，7]，其中電磁感應WPT主要用于低功率、近距離的電能傳輸，電磁諧振WPT適于中等功率、中等距離傳輸[8]，電磁輻射WPT主要用于大功率、遠距離傳輸[9]。對于高壓電網中的智能設備，絕緣距離為米級，功率為十瓦至百瓦級，綜合考慮電磁兼容問題，電磁諧振式WPT較合適，其原理圖如圖1所示。

圖1 電磁諧振式WPT原理圖Fig.1 Schematic diagram of WPT via electromagnetic resonant coupling

圖1中US為高頻交流電源(一般為幾MHz～十幾MHz)，RS為發(fā)射端電阻，LS為發(fā)射端源線圈電感，L1、L2為振蕩器，LD為接收端線圈電感，RD為接收端負載線圈電阻，RL為負載電阻。電能傳輸時，將高頻電源加載到源線圈上，產生一個高頻電磁場，并耦合到相鄰的振蕩器L1上，振蕩器L1發(fā)生諧振，并將電能傳輸?shù)捷^遠的振蕩器L2，L2再與負載線圈感應，從而給負載供電。兩個振蕩器的自諧振頻率和高頻電源的頻率一致時，傳輸效率最高[10]。

1.2 電磁諧振式WPT的傳輸特性

無線電能傳輸技術最早是在19世紀晚期由尼古拉特斯拉提出，并開展了相關實驗研究[9]，一直以來國外一些科學家做了大量工作，如20世紀60年代初期Raytheon公司的W.C.Brown等[11-15]。麻省理工學院的研究工作在2007 年取得了突破，利用電磁諧振原理實現(xiàn)了中距離的電能無線傳輸，其傳輸距離為2 m，傳輸效率約為40%[16]。2009年J.Casanova等[17]實現(xiàn)了具有多個負載的WPT技術，效率在2個負載時達到88%，在3個負載時達到74%，但其實驗主要是針對小功率的WPT。美國佛羅里達大學的J.Garnica等[18]通過提高振蕩器的耦合度和降低其寄生阻抗來提高WPT的傳輸效率，2011年在1 m的距離上，其WPT實驗的傳輸效率達到76%，功率達到40 W。

國內對電磁諧振式WPT的研究也比較深入。文獻[10]分析了自諧振線圈耦合式WPT的最大效率，進行了建模仿真和比較實驗，證明了當空間隔離的兩空心線圈達到諧振耦合時，兩線圈之間傳遞能量最大；文獻[19]分析了電磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的原理，并進行了建模、設計與實驗驗證，實現(xiàn)了距離2 m時，傳輸功率約為45 W；文獻[20]分析了無線電能有效傳輸距離及其影響因素，得到了諧振器線圈的優(yōu)化設計方法。

目前利用電磁諧振進行電能傳輸?shù)膶嶒灒嚯x可達2.5 m，功率可達60～100 W。因此電磁諧振式WPT從距離、功率和效率上都能滿足智能電網高壓側設備的供電，且電磁輻射低，可滿足電磁兼容的要求[6，7]。

1.3 WPT在高壓領域內的研究現(xiàn)狀

電磁諧振式WPT技術可應用于高壓領域，其主要優(yōu)點就是可解決電位隔離問題。目前國內外高壓線路上監(jiān)測設備的供電電源大部分使用的是電池或新能源取電供電，從而得到連續(xù)性的電能。但電池需要頻繁更換，高壓線路的節(jié)點又很多，使用電池的方式很不經濟[3]；新能源取電受天氣影響很大[21]，獲得的電能很不穩(wěn)定。所以當前高壓監(jiān)測設備供電問題成為亟待解決的重要問題之一。

文獻[22]提出了高壓線路無線取能及傳能系統(tǒng)，其工作原理是先利用特制的兩個C型鐵心從母線上取電，然后經過次耦合式WPT方式將取得的電能傳送給接收裝置。取電及傳電系統(tǒng)分為高壓取能裝置和電磁諧振式WPT系統(tǒng)兩部分，其架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)安裝結構圖Fig.2 The installation structure diagram of the system

整個系統(tǒng)的關鍵，一是取能裝置也即鐵心CT的性能，這關系到能否取得足夠的電能；二是WPT系統(tǒng)傳輸能量的距離必須大于高壓線路的絕緣距離。這種方式的本質是CT取電與WPT傳電相配合，仍受母線電流的影響，在母線電流過小或沒有電流時，無法獲得足夠的能量。

2 WPT技術在高壓側取電中的應用

2.1 絕緣棒與WPT傳電配合

由于CT取電或新能源取電的缺點，在高壓側取電并非很好的選擇。由于WPT的無線性質，使得在兩個電位差較大的設備之間進行傳電成為可能。文獻[23]提出一種從低壓側取電，然后通過絕緣棒和WPT系統(tǒng)向高壓側供電的方法。其原理圖如圖3所示，其結構如圖4所示。該電源利用了WPT原理，但在諧振器發(fā)射端和接收端之間使用了具有一定磁導率的絕緣棒。

圖3 電源方案原理圖Fig.3 Schematic of the new power proposal

圖4 電能傳送單元的結構圖Fig.4 Scheme of the power transfer unit

由于絕緣棒的磁導率比空氣的磁導率高，在初級磁心端口處將產生聚磁效應，有效減少了泄漏到空氣中的磁通，從而增強了次級磁心的磁通密度，提高了電能的傳輸效率。通過仿真驗證了該理論，如圖5所示。

圖5 耦合結構的磁路仿真圖Fig.5 The emulation of the magnetic circuit for coupling structure

圖5a中初級磁心端口處的磁通大部分進入絕緣棒中，而圖5b中磁通全部擴散到空氣氣隙中，說明聚磁效應較明顯；圖5a中次級磁心中的磁通密度約是圖5b中次級磁心磁通密度的7倍，說明有絕緣棒的耦合結構可增強次級磁心的磁通密度。

該結構的優(yōu)點是實現(xiàn)了高低壓側電信號的完全隔離，且在提高傳輸效率的同時，降低了高頻電磁場向外輻射的問題，提高了電磁兼容性。

在絕緣能力方面，由于絕緣棒材料的絕緣耐壓強度遠高于空氣，故絕緣水平由空氣的絕緣強度決定。如該實驗所采用的絕緣棒長度為30 cm，按長間隙空氣的平均絕緣強度5 kV/cm計算，則其絕緣耐壓等級達到150 kV。

在仿真和實驗中，均以30 cm長的絕緣棒作為研究對象。在此距離下，WPT的功率和效率可以滿足系統(tǒng)電源的要求。但由于在實際高壓系統(tǒng)中，低電位和高電位之間的絕緣距離要求會更高。如果WPT的傳輸距離能夠盡可能的長，則會降低絕緣處理的難度和成本。

2.2 帶有中繼線圈的WPT

對高壓設備的安裝場合，若采用WPT，振蕩線圈的安裝可以嚴格固定，這是與其他應用領域的一個區(qū)別。因此本課題組提出一種使用中繼線圈的電磁諧振式WPT技術[24]，以增加WPT的傳輸距離，提高電能傳輸?shù)男省?/p>

中繼線圈的原理如圖6所示。在圖1中兩個諧振線圈中間再放置一個與發(fā)射線圈振蕩器和接受線圈振蕩器同樣的中繼線圈振蕩器，中繼線圈沒有負載，卻能產生共振，改善發(fā)射端和接收端的電磁場分布。

圖6 帶中繼線圈的電磁諧振式無線電能傳輸原理圖Fig.6 Schematic diagram of WPT via electromagnetic resonant coupling with relay coil

所提出的基于帶中繼線圈的WPT技術的供電系統(tǒng)，其結構框圖如圖7所示。

1—高電位電源控制器；2—上端蓋；3—振蕩器2；4—絕緣支柱；5—絕緣傘裙；6—振蕩器1；7—下端蓋；8—高頻電源；9—低電位電源控制器；10—中繼線圈圖7 WPT供電系統(tǒng)結構圖Fig.7 Structure of WPT power supply system

為了降低成本，供電系統(tǒng)安裝在絕緣支柱兩端，這樣可利用原有的絕緣支柱，保證絕緣性能不下降。兩個振蕩器使用硅橡膠或環(huán)氧樹脂填充成型，分別固定在絕緣支柱上下端蓋上，保證了振蕩器的形狀參數(shù)不變及兩個振蕩器的同心性。其工作原理為：

1)在低電位端，電源由外部輸入，可以是工頻交流電，也可是PT取電，或是其他形式的電能；然后由低電位電源控制器進行整流濾波，產生直流電；由高頻電源部分將直流電變換成高頻交流電，由源線圈感應到振蕩器1上。

2)在高電位端，由振蕩器2將高頻交流電感應到負載線圈上，送到高電位電源控制器，進行整流濾波后產生直流電，再通過DC-DC電源模塊產生穩(wěn)定的直流12 V電源，給蓄電池或超級電容器充電，供給真空光控開關模塊使用。

為了進行WPT供電系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實時監(jiān)測高壓側電源狀態(tài)，高電位和低電位兩電源控制器之間通過原高壓側設備的通信光纖進行數(shù)據交換。高電位端電源控制器實時測量電源的輸出電壓和電流以及蓄電池或超級電容器的電壓、溫度等參數(shù)，發(fā)送到低電位的電源控制器上。低電位控制器具備RS-485遠程通信接口，能將電源系統(tǒng)的實時信息發(fā)送給上一級控制器。

3 帶中繼線圈的WPT仿真研究

中繼線圈可有效提高WPT傳輸電能的距離和效率[25]，但由于WPT更注重電能傳輸中由無線帶來的便利，而引入中繼線圈后，很可能會妨礙WPT所帶來的方便，因此關于中繼線圈的研究和應用很少。然而在高壓設備中，使用WPT技術并非是因為“無線”，而是因為無線所帶來的絕緣性能方面的便利，且在使用中線圈的位置是可以固定不變的，這也正適合中繼線圈的引入。

因此，帶有中繼線圈的WPT技術很適合高壓設備的電能傳輸。為了研究中繼線圈對WPT傳輸?shù)挠绊懀⒘讼嚓P模型并使用Matlab軟件進行了編程仿真。根據文獻[10，16，19，20]中的數(shù)據，在仿真中設定發(fā)射端電阻RS=2.011 Ω，接收端負載線圈電阻RD=10.002 Ω，負載電阻RL=10.002 Ω，電源頻率f=14.5 MHz，線圈半徑r=0.3 m，線圈匝數(shù)nc=1，線圈距離D=2 m。由于實際中不存在理想的中繼線圈，其寄生阻抗也很難為零，因此設定中繼線圈電阻R3=0.01 Ω。

3.1 數(shù)學模型

設圖6中振蕩器L1、L2和L3的各項參數(shù)完全一致。若L1和L2之間的距離為D，互感為M，根據文獻[26]可知，線圈間互感M可由公式(1)近似計算得到。

(1)

若L1和L3之間的距離為xD(0

(2)

式中，US為發(fā)射端電源電壓；IS為發(fā)射端電流；I3為中繼線圈電流；ID為負載端電流。假設發(fā)射端電流已知，并用其表示各參數(shù)，可得

(3)

則接收端的功率為

(4)

發(fā)射端的功率為

(5)

則傳輸效率為

(6)

3.2 中繼線圈最佳放置位置的仿真分析

由式(6)可知，在各參數(shù)一定時，中繼線圈相對發(fā)射線圈的位置存在一個最佳位置點，使得傳輸效率最高，為了便于分析，忽略線圈內阻，則有

(7)

當0

圖8中，當x=0.5時，中繼線圈正好位于發(fā)射線圈與接收線圈的中點位置。由圖可知，在距離較遠時，存在一個傳輸效率的最大值，在x=0.5附近。距離約1.0 m時，中繼線圈離發(fā)射線圈越近，傳輸效率越高。在仿真中還發(fā)現(xiàn)，發(fā)射線圈和接收線圈距離小于線圈直徑時(仿真中為0.6 m)，傳輸效率急劇下降，如圖9所示，這應與互感的計算公式不夠精確有關。

圖8 不同傳輸距離下中繼線圈位置與傳輸效率關系Fig.8 Transmission efficiency in different relative position and transmission distance

圖9 不同傳輸距離下中繼線圈位置與傳輸效率關系Fig.9 Transmission efficiency in different relative position and transmission distance

圖10 不同傳輸距離下中繼線圈位置與傳輸功率關系Fig.10 Transmission power in different relative position and transmission distance

圖10為傳輸功率(接收端功率)與中繼線圈相對位置的關系曲線。從圖中可看出，傳輸功率與中繼線圈相對位置也存在一個最大值，不同傳輸距離下略有差別，一般在x=0.56附近達到最大傳輸功率。仿真中發(fā)現(xiàn)發(fā)射線圈和接收線圈距離小于線圈直徑時(仿真中為0.6 m)，傳輸功率也急劇下降。

傳輸效率和傳輸功率除了受到中繼線圈放置位置的影響，還受到線圈本身參數(shù)、電源頻率等的影響。綜合傳輸效率和傳輸功率，取x=0.5為中繼線圈最佳位置，即中繼線圈安裝在發(fā)射端和接收端的中點位置。

當x=0.5，中繼線圈阻抗近似為零即R3≈0時，有

(8)

由式(8)可知，當各諧振器線圈為理想的內阻為零的線圈，且中繼線圈嚴格位于發(fā)射線圈和接收線圈中點位置時，WPT的效率隨傳輸距離的增大而提高，最終趨近于RD/(RS+RL+RD)，發(fā)射端電流和負載端電流大小相等，方向相反。

3.3 帶中繼線圈與不帶中繼線圈的對比仿真分析

不帶中繼線圈時，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

(9)

可得

(10)

則接收端的功率為

(11)

傳輸效率為

(12)

對帶有中繼線圈和不帶中繼線圈的WPT傳輸方式進行了對比仿真分析，線圈半徑均為0.3 m 時，結果如圖11所示。

由圖11可知，帶有中繼線圈的電磁諧振式WPT具有更好的傳輸效率、功率和距離。對于1～3 m的距離，其傳輸效率理論上可達到80%，功率可達上百瓦，且工作區(qū)間更長，穩(wěn)定性好，完全滿足高壓側設備對傳輸功率和距離的要求。

圖11 無線電能傳輸?shù)墓β屎托?r=0.3 m)Fig.11 Power and efficiency of WPT with/without relay coil (r=0.3 m)

4 結論

本文介紹了無線電能傳輸技術的原理和發(fā)展現(xiàn)狀，總結了最近幾年WPT技術在高壓設備領域的相關研究，研究了帶中繼線圈的電磁諧振式WPT的傳輸特性。得出以下結論：

1)帶有中繼線圈的電磁諧振式WPT技術的傳輸距離和功率可滿足高壓側電子設備的需要。

2)發(fā)射端和接收端的中點為中繼線圈的最佳安裝位置，中繼線圈可提高電能傳輸?shù)木嚯x、效率、功率和穩(wěn)定性。

3)WPT技術在高壓設備中的應用還需要進一步的研究，結合能源互聯(lián)網分布式電力系統(tǒng)的應用，前景良好。

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Application Research of Wireless Power Transmission Technology in High-voltage Equipment Based on Relay Coil

HuangZhihuiZouJiyanWangYongxingWangLin

(School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China)

This paper firstly summarizesthe research and application status of the wireless power transmission (WPT) technology in high voltage equipment.Some researches of the power suppliesapplied in the high voltage terminal equipment based on wireless power transmission technology are then introduced.The mathematical model of the electromagnetic resonant WPT with relay coil is established.And the optimal location of the relay coil and the transmission power，distance and efficiency aresimulated and analyzed accordingly.It is concluded that the electromagnetic resonant WPT technology with relay coil can meet the power demand of the high voltage equipment and the requirementof insulation.

Smart grid，wireless power transmission，high-voltage equipment，power supply，relay coil

國家自然科學基金重點項目(51337001)，國家自然科學基金(51207015)資助。

2015-02-14 改稿日期2015-04-02

TM133；TM561

黃智慧 男，1982年生，博士，講師，研究方向為高電壓技術、相控技術、智能電器和無線電能傳輸技術等。(通信作者)

鄒積巖 男，1954年生，教授，博士生導師，研究方向為智能化開關電器理論及應用，高電壓新技術及其應用，電力設備智能檢測等。