黃智慧 鄒積巖 王永興 王 林

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024)

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基于中繼線圈的WPT技術(shù)及其在高壓設(shè)備中的應(yīng)用研究

黃智慧 鄒積巖 王永興 王 林

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024)

對(duì)無(wú)線電能傳輸(WPT)技術(shù)在高壓設(shè)備中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，介紹了幾種基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的高壓端設(shè)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(xué)模型，對(duì)中繼線圈最佳位置和傳輸功率、距離和效率進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明帶有中繼線圈的電磁諧振式WPT技術(shù)能夠滿足高壓設(shè)備的電源需求和絕緣要求。

智能電網(wǎng) 無(wú)線電能傳輸技術(shù) 高壓設(shè)備 電源 中繼線圈

0 引言

高壓設(shè)備的智能化是分布式智能電網(wǎng)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(kāi)關(guān)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(cè)裝置、視頻攝像頭、巡檢機(jī)器人等監(jiān)測(cè)設(shè)備[3]等。這些智能化的設(shè)備應(yīng)用于電網(wǎng)的高壓側(cè)，又引入了智能控制技術(shù)，其控制部分是一種新的高壓電子設(shè)備，需要穩(wěn)定的電源供電，雖然與電網(wǎng)緊密聯(lián)系，卻無(wú)法直接從高壓側(cè)取電，阻礙著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

目前高壓側(cè)設(shè)備的取電方式主要有兩種：一種是從高壓側(cè)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(cè)安裝太陽(yáng)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(cè)向高壓側(cè)送電，如利用激光器通過(guò)光纖向高壓側(cè)發(fā)射激光能量，然后再由光電池等將光能轉(zhuǎn)換成電能[1]，這種方式供電穩(wěn)定性相對(duì)可靠，但激光器功率有限，光電轉(zhuǎn)換效率只有約40%，目前僅適用于功耗較低的場(chǎng)合[4，5]。

近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transmission，WPT)的發(fā)展為解決高壓設(shè)備的可靠供電問(wèn)題提供了新的技術(shù)方案。本文介紹了WPT技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)，提出一種使用電磁耦合式WPT技術(shù)的高壓設(shè)備供電方案，為智能電網(wǎng)在高電壓領(lǐng)域的發(fā)展提供幫助，同時(shí)也為WPT技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域拓展了應(yīng)用空間。

1 電磁諧振式WPT技術(shù)

1.1 電磁諧振式WPT的原理

無(wú)線電能傳輸是指負(fù)載與電源之間不用導(dǎo)線連接而利用電磁的感應(yīng)、諧振、輻射等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸[6，7]，其中電磁感應(yīng)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(yuǎn)距離傳輸[9]。對(duì)于高壓電網(wǎng)中的智能設(shè)備，絕緣距離為米級(jí)，功率為十瓦至百瓦級(jí)，綜合考慮電磁兼容問(wèn)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(fù)載線圈電阻，RL為負(fù)載電阻。電能傳輸時(shí)，將高頻電源加載到源線圈上，產(chǎn)生一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，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(yuǎn)的振蕩器L2，L2再與負(fù)載線圈感應(yīng)，從而給負(fù)載供電。兩個(gè)振蕩器的自諧振頻率和高頻電源的頻率一致時(shí)，傳輸效率最高[10]。

1.2 電磁諧振式WPT的傳輸特性

無(wú)線電能傳輸技術(shù)最早是在19世紀(jì)晚期由尼古拉特斯拉提出，并開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[9]，一直以來(lái)國(guó)外一些科學(xué)家做了大量工作，如20世紀(jì)60年代初期Raytheon公司的W.C.Brown等[11-15]。麻省理工學(xué)院的研究工作在2007 年取得了突破，利用電磁諧振原理實(shí)現(xiàn)了中距離的電能無(wú)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(shí)現(xiàn)了具有多個(gè)負(fù)載的WPT技術(shù)，效率在2個(gè)負(fù)載時(shí)達(dá)到88%，在3個(gè)負(fù)載時(shí)達(dá)到74%，但其實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)小功率的WPT。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的J.Garnica等[18]通過(guò)提高振蕩器的耦合度和降低其寄生阻抗來(lái)提高WPT的傳輸效率，2011年在1 m的距離上，其WPT實(shí)驗(yàn)的傳輸效率達(dá)到76%，功率達(dá)到40 W。

國(guó)內(nèi)對(duì)電磁諧振式WPT的研究也比較深入。文獻(xiàn)[10]分析了自諧振線圈耦合式WPT的最大效率，進(jìn)行了建模仿真和比較實(shí)驗(yàn)，證明了當(dāng)空間隔離的兩空心線圈達(dá)到諧振耦合時(shí)，兩線圈之間傳遞能量最大；文獻(xiàn)[19]分析了電磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的原理，并進(jìn)行了建模、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了距離2 m時(shí)，傳輸功率約為45 W；文獻(xiàn)[20]分析了無(wú)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(shè)計(jì)方法。

目前利用電磁諧振進(jìn)行電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，距離可達(dá)2.5 m，功率可達(dá)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(wǎng)高壓側(cè)設(shè)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(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀

電磁諧振式WPT技術(shù)可應(yīng)用于高壓領(lǐng)域，其主要優(yōu)點(diǎn)就是可解決電位隔離問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外高壓線路上監(jiān)測(cè)設(shè)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(diǎn)又很多，使用電池的方式很不經(jīng)濟(jì)[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(dāng)前高壓監(jiān)測(cè)設(shè)備供電問(wèn)題成為亟待解決的重要問(wèn)題之一。

文獻(xiàn)[22]提出了高壓線路無(wú)線取能及傳能系統(tǒng)，其工作原理是先利用特制的兩個(gè)C型鐵心從母線上取電，然后經(jīng)過(guò)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(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The installation structure diagram of the system

整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，一是取能裝置也即鐵心CT的性能，這關(guān)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(zhì)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(guò)小或沒(méi)有電流時(shí)，無(wú)法獲得足夠的能量。

2 WPT技術(shù)在高壓側(cè)取電中的應(yīng)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(diǎn)，在高壓側(cè)取電并非很好的選擇。由于WPT的無(wú)線性質(zhì)，使得在兩個(gè)電位差較大的設(shè)備之間進(jìn)行傳電成為可能。文獻(xiàn)[23]提出一種從低壓側(cè)取電，然后通過(guò)絕緣棒和WPT系統(tǒng)向高壓側(cè)供電的方法。其原理圖如圖3所示，其結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)圖Fig.4 Scheme of the power transfer unit

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

圖5 耦合結(jié)構(gòu)的磁路仿真圖Fig.5 The emulation of the magnetic circuit for coupling structure

圖5a中初級(jí)磁心端口處的磁通大部分進(jìn)入絕緣棒中，而圖5b中磁通全部擴(kuò)散到空氣氣隙中，說(shuō)明聚磁效應(yīng)較明顯；圖5a中次級(jí)磁心中的磁通密度約是圖5b中次級(jí)磁心磁通密度的7倍，說(shuō)明有絕緣棒的耦合結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)次級(jí)磁心的磁通密度。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了高低壓側(cè)電信號(hào)的完全隔離，且在提高傳輸效率的同時(shí)，降低了高頻電磁場(chǎng)向外輻射的問(wèn)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于空氣，故絕緣水平由空氣的絕緣強(qiáng)度決定。如該實(shí)驗(yàn)所采用的絕緣棒長(zhǎng)度為30 cm，按長(zhǎng)間隙空氣的平均絕緣強(qiáng)度5 kV/cm計(jì)算，則其絕緣耐壓等級(jí)達(dá)到150 kV。

在仿真和實(shí)驗(yàn)中，均以30 cm長(zhǎng)的絕緣棒作為研究對(duì)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(shí)際高壓系統(tǒng)中，低電位和高電位之間的絕緣距離要求會(huì)更高。如果WPT的傳輸距離能夠盡可能的長(zhǎng)，則會(huì)降低絕緣處理的難度和成本。

2.2 帶有中繼線圈的WPT

對(duì)高壓設(shè)備的安裝場(chǎng)合，若采用WPT，振蕩線圈的安裝可以嚴(yán)格固定，這是與其他應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)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(shù)[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(gè)諧振線圈中間再放置一個(gè)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(méi)有負(fù)載，卻能產(chǎn)生共振，改善發(fā)射端和接收端的電磁場(chǎng)分布。

圖6 帶中繼線圈的電磁諧振式無(wú)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(shù)的供電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gè)振蕩器使用硅橡膠或環(huán)氧樹(shù)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(gè)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(jìn)行整流濾波，產(chǎn)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(yīng)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(yīng)到負(fù)載線圈上，送到高電位電源控制器，進(jìn)行整流濾波后產(chǎn)生直流電，再通過(guò)DC-DC電源模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的直流12 V電源，給蓄電池或超級(jí)電容器充電，供給真空光控開(kāi)關(guān)模塊使用。

為了進(jìn)行WPT供電系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓側(cè)電源狀態(tài)，高電位和低電位兩電源控制器之間通過(guò)原高壓側(cè)設(shè)備的通信光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。高電位端電源控制器實(shí)時(shí)測(cè)量電源的輸出電壓和電流以及蓄電池或超級(jí)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(yuǎn)程通信接口，能將電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送給上一級(jí)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(wú)線帶來(lái)的便利，而引入中繼線圈后，很可能會(huì)妨礙WPT所帶來(lái)的方便，因此關(guān)于中繼線圈的研究和應(yīng)用很少。然而在高壓設(shè)備中，使用WPT技術(shù)并非是因?yàn)椤盁o(wú)線”，而是因?yàn)闊o(wú)線所帶來(lái)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(shù)很適合高壓設(shè)備的電能傳輸。為了研究中繼線圈對(duì)WPT傳輸?shù)挠绊?，建立了相關(guān)模型并使用Matlab軟件進(jìn)行了編程仿真。根據(jù)文獻(xiàn)[10，16，19，20]中的數(shù)據(jù)，在仿真中設(shè)定發(fā)射端電阻RS=2.011 Ω，接收端負(fù)載線圈電阻RD=10.002 Ω，負(fù)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(shí)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(shè)定中繼線圈電阻R3=0.01 Ω。

3.1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)圖6中振蕩器L1、L2和L3的各項(xiàng)參數(shù)完全一致。若L1和L2之間的距離為D，互感為M，根據(jù)文獻(xiàn)[26]可知，線圈間互感M可由公式(1)近似計(jì)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(fù)載端電流。假設(shè)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(shí)，中繼線圈相對(duì)發(fā)射線圈的位置存在一個(gè)最佳位置點(diǎn)，使得傳輸效率最高，為了便于分析，忽略線圈內(nèi)阻，則有

(7)

當(dāng)0

圖8中，當(dāng)x=0.5時(shí)，中繼線圈正好位于發(fā)射線圈與接收線圈的中點(diǎn)位置。由圖可知，在距離較遠(yuǎn)時(shí)，存在一個(gè)傳輸效率的最大值，在x=0.5附近。距離約1.0 m時(shí)，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(shí)(仿真中為0.6 m)，傳輸效率急劇下降，如圖9所示，這應(yīng)與互感的計(jì)算公式不夠精確有關(guān)。

圖8 不同傳輸距離下中繼線圈位置與傳輸效率關(guān)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(guān)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(guān)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(duì)位置的關(guān)系曲線。從圖中可看出，傳輸功率與中繼線圈相對(duì)位置也存在一個(gè)最大值，不同傳輸距離下略有差別，一般在x=0.56附近達(dá)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(shí)(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(diǎn)位置。

當(dāng)x=0.5，中繼線圈阻抗近似為零即R3≈0時(shí)，有

(8)

由式(8)可知，當(dāng)各諧振器線圈為理想的內(nèi)阻為零的線圈，且中繼線圈嚴(yán)格位于發(fā)射線圈和接收線圈中點(diǎn)位置時(shí)，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(fù)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(duì)比仿真分析

不帶中繼線圈時(shí)，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(duì)帶有中繼線圈和不帶中繼線圈的WPT傳輸方式進(jìn)行了對(duì)比仿真分析，線圈半徑均為0.3 m 時(shí)，結(jié)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(duì)于1～3 m的距離，其傳輸效率理論上可達(dá)到80%，功率可達(dá)上百瓦，且工作區(qū)間更長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，完全滿足高壓側(cè)設(shè)備對(duì)傳輸功率和距離的要求。

圖11 無(wú)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(jié)論

本文介紹了無(wú)線電能傳輸技術(shù)的原理和發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了最近幾年WPT技術(shù)在高壓設(shè)備領(lǐng)域的相關(guān)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(jié)論：

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

2)發(fā)射端和接收端的中點(diǎn)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(shù)在高壓設(shè)備中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)分布式電力系統(tǒng)的應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51337001)，國(guó)家自然科學(xué)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?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)、相控技術(shù)、智能電器和無(wú)線電能傳輸技術(shù)等。(通信作者)

鄒積巖 男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芑_(kāi)關(guān)電器理論及應(yīng)用，高電壓新技術(shù)及其應(yīng)用，電力設(shè)備智能檢測(cè)等。