基于架空輸電線路的無人機取電平臺設計及仿真

吳遠密，奚鑫澤，彭慶軍，彭俊臻，許守東，張麗，崔慶用

（1.云南電網有限責任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

隨著無人機技術的不斷發展，無人機在軍用、農業、地質、氣象、電力、搶險救災、視頻拍攝、物流等行業已經得到了廣泛應用。在電力行業，使用無人機開展電力線路巡檢工作逐漸成為電力科研人員的重要研究方向。無人機的動力來源主要為電池和汽油，其中，在電力線路巡檢中使用的無人機，其動力來源多為電池，受無人機體積和重量的限制，無人機的電池容量有限，導致進行電力線路巡檢的無人機所巡檢的電力線路距離較短，相關技術中，需要控制無人機在電力不足時及時控制無人機返航進行充電，充完電后再飛往電力線路附近進行巡檢，電力線路巡檢工作的效率較低[1]。

目前，感應取電電源的研究主要包括不含蓄電池工作方式和含蓄電池工作方式，相應地有兩種工作方式。不含蓄電池方式提取的電能存在很大的電壓波動、感應取電電源的輸出功率較小，含蓄電池工作方式能給用電設備提供穩定的電源和較大的瞬時電流。本文考慮無人機巡檢能耗較大、質量要求較高，故設計采用含蓄電池工作方式[2-5]。

然而，很多基于電磁感應的無線充電技術是將輸入的工頻交流電壓變換為穩定的直流電壓，再逆變成高頻交流電壓發射出去。這種高頻感應傳輸方式傳輸效率較高，但是對于架空輸電線路高空取電平臺而言將在線路上增加了很多元器件，如某器件損壞，不僅檢修不便而且降低架空輸電線路的安全、可靠性，故本文采用50 Hz工頻感應傳輸方式設計[6-7]。

1 架空輸電線路電磁特性分析

本文采用模擬電荷法計算架空輸電線路電磁場數值，其是目前靜電場數值計算的一種主要方法[8]。模擬電荷法數學模型歸結為以電位函數φ為未知量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解問題。

基本的電位方程，

第一類邊界條件，

不同介質的分界面條件，

模擬電荷方程組，

其中，P為電位系數，電位值φ，Q為模擬電荷，ρ為電荷體密度，σ為面電荷密度，ε為常數。

其中，rij為第j個模擬電荷與第i個匹配點之間的距離，Pij為第j個模擬電荷在第i個匹配點產生的電位值，r0為導線半徑。

場強與電位關系方程，

設任意一點P(x1，y1)，其電場強度計算公式，

其中，中的EixR是第i根導線的實部模擬電荷在計算場點產生的電場的x分量，Exil是第i根導線的虛部模擬電荷在計算場點產生的電場的x分量；EiyR是第i根導線的實部模擬電荷在計算場點產生的電場的y分量，Eiyl是第i根導線的虛部模擬電荷在計算場點產生的電場的y分量。

2 高壓輸電線路取電平臺的設計

設計原理如圖1所示，主要包括架空輸電線路原邊線圈、取電平臺副邊線圈、AC/DC整流模塊、DC/DC直流變換模塊、無人機充電端。其中AC/DC整流模塊采用全橋整流電路，DC/DC直流變換模塊采用Buck拓撲電路，無人機充電端包括無人機備用電池浮充模塊和無人機直充接口。從架空線桿塔上的工頻輸電線路上取電，通過降壓傳至無人機補電平臺為無人機供電，解決了無人機在電力線路巡檢工作時續航不足的技術問題，由于電網已經覆蓋各村各戶，方便且經濟，使得無人機運輸距離將得到極大地提升。其中從輸電線路上取電的方式包括有線取電和無線取電，有線取電具有取電效率高的優點，無線取電具有安全性高的優點，本文主要以無線感應電取電為研究對象。

圖1 設計框圖

3 算例分析

3.1 取電端場路耦合仿真

本文運用現有的Comsol有限元仿真軟件進行感應線圈設計和仿真，探索架空輸電線路感應取電線圈的電磁特性并對線圈傳輸效率進行優化，證明工頻輸電線路感應取電的可行性[9-10]。

仿真模型如圖2、圖3所示，模型參數如下，仿真結果如圖4所示。

圖2 場路耦合電路圖

圖3 線圈結構圖

圖4 電磁場強度仿真圖

兩線圈大小一樣（即原邊線圈、副邊線圈，無鐵芯，各為1匝），兩者相距100 mm，為銅線圈材料；每個線圈10繞，每繞間距為20 mm，線圈導體直徑為10 mm；向原邊線圈加220 kV工頻50 Hz交流電壓，副邊線圈得到感應電壓，電源E為220 kV、50Hz，R1為0.000 01 Ω，R2 為 0.1 Ω。

由圖5、圖6可得220 kV架空輸電線路可以用過感應取電方式得到原邊線圈功率為6.563e11 W、原邊線圈電壓為2.2e5 V、副邊線圈功率為4.690e10 W、副邊線圈電壓為0.1e5 V，傳輸效率為7.15 %，該電壓將通過電壓變換技術轉換為無人機充電的適當直流電壓。

圖5 感應功率仿真圖

圖6 感應電壓仿真圖

然而，架空輸電線路感應電取電效率和線圈的匝數、繞數、材料、粗細（半徑）、距離等因素有關，改變參數仿真結果如表1。

表1 線圈功率影響因素分析

由表1可知線圈傳輸功率受匝數、繞數因素影響較大且成正比關系，受距離影響較大且成反比關系，受材料影響較大，受線圈粗細影響較小。故在平臺設計時有必要對線圈進行優化，本文對線圈進行優化，線圈距離為50 mm、20圈、10匝、銅材，其仿真結果如圖7所示。

圖7 優化后磁場強度仿真圖

由圖8可知線圈優化后原邊線圈功率為2.613 35e6 W、副邊線圈功率為2.377 65e6 W，傳輸效率為90.98%。

圖8 優化后感應功率仿真圖

3.2 充電端直流控制仿真

本文通過PSCAD軟件建立架空輸電線路模型，并使用電壓互感器代替感應線圈電源完成輸電線路感應電壓變換設計及仿真。采用Buck降壓電路閉環控制使得充電端輸出電壓穩定、可調，不受負載大小變化影響。因為開環的Buck降壓電路輸出的電壓不穩定，會受到負載和外部的干擾，需加入補償網絡，可實現閉環控制[11-12]。模型通過采樣環節得到所需電壓信號，再與基準值進行比較，然后通過閉環控制器得到反饋信號，與三角波進行比較，得到調制后的開關波形，將其作為開關信號，從而實現Buck電路閉環控制系統。其電路模型如圖9所示。

圖9 直流閉環穩壓控仿真圖

其中，Ton為開關通態時間，Toff為開關斷態時間，D0為占空比值。

由圖10可知，通過占空比調節輸出電壓控制為5 V，即無人機充電電壓。通過調節PI將輸出電壓穩定，PI調節參數如表2。

圖10 充電端輸出電壓仿真結果圖

表2 電壓閉環控制參數

4 結束語

為了解決輸電線路巡檢無人機電池續航不足的問題，本文首次引入架空線路工頻感應電取電技術并進行平臺設計。文章根據無人機充電需求設計了架空線路高空充電平臺，利用COMSOL軟件進行電磁場路耦合仿真，利用PSCAD軟件進行電壓變換仿真，最終驗證了平臺設計的可行性。