吳遠(yuǎn)密，奚鑫澤，彭慶軍，彭俊臻，許守東，張麗，崔慶用

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

0 前言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)在軍用、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、搶險(xiǎn)救災(zāi)、視頻拍攝、物流等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在電力行業(yè)，使用無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源主要為電池和汽油，其中，在電力線路巡檢中使用的無(wú)人機(jī)，其動(dòng)力來(lái)源多為電池，受無(wú)人機(jī)體積和重量的限制，無(wú)人機(jī)的電池容量有限，導(dǎo)致進(jìn)行電力線路巡檢的無(wú)人機(jī)所巡檢的電力線路距離較短，相關(guān)技術(shù)中，需要控制無(wú)人機(jī)在電力不足時(shí)及時(shí)控制無(wú)人機(jī)返航進(jìn)行充電，充完電后再飛往電力線路附近進(jìn)行巡檢，電力線路巡檢工作的效率較低[1]。

目前，感應(yīng)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(yīng)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(dòng)、感應(yīng)取電電源的輸出功率較小，含蓄電池工作方式能給用電設(shè)備提供穩(wěn)定的電源和較大的瞬時(shí)電流。本文考慮無(wú)人機(jī)巡檢能耗較大、質(zhì)量要求較高，故設(shè)計(jì)采用含蓄電池工作方式[2-5]。

然而，很多基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電技術(shù)是將輸入的工頻交流電壓變換為穩(wěn)定的直流電壓，再逆變成高頻交流電壓發(fā)射出去。這種高頻感應(yīng)傳輸方式傳輸效率較高，但是對(duì)于架空輸電線路高空取電平臺(tái)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(yīng)傳輸方式設(shè)計(jì)[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(jì)算架空輸電線路電磁場(chǎng)數(shù)值，其是目前靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的一種主要方法[8]。模擬電荷法數(shù)學(xué)模型歸結(jié)為以電位函數(shù)φ為未知量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解問(wèn)題。

基本的電位方程，

第一類邊界條件，

不同介質(zhì)的分界面條件，

模擬電荷方程組，

其中，P為電位系數(shù)，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(shù)。

其中，rij為第j個(gè)模擬電荷與第i個(gè)匹配點(diǎn)之間的距離，Pij為第j個(gè)模擬電荷在第i個(gè)匹配點(diǎn)產(chǎn)生的電位值，r0為導(dǎo)線半徑。

場(chǎng)強(qiáng)與電位關(guān)系方程，

設(shè)任意一點(diǎn)P(x1，y1)，其電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式，

其中，中的EixR是第i根導(dǎo)線的實(shí)部模擬電荷在計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的x分量，Exil是第i根導(dǎo)線的虛部模擬電荷在計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的x分量；EiyR是第i根導(dǎo)線的實(shí)部模擬電荷在計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的y分量，Eiyl是第i根導(dǎo)線的虛部模擬電荷在計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的y分量。

2 高壓輸電線路取電平臺(tái)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(tái)副邊線圈、AC/DC整流模塊、DC/DC直流變換模塊、無(wú)人機(jī)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?fù)潆娐?，無(wú)人機(jī)充電端包括無(wú)人機(jī)備用電池浮充模塊和無(wú)人機(jī)直充接口。從架空線桿塔上的工頻輸電線路上取電，通過(guò)降壓傳至無(wú)人機(jī)補(bǔ)電平臺(tái)為無(wú)人機(jī)供電，解決了無(wú)人機(jī)在電力線路巡檢工作時(shí)續(xù)航不足的技術(shù)問(wèn)題，由于電網(wǎng)已經(jīng)覆蓋各村各戶，方便且經(jīng)濟(jì)，使得無(wú)人機(jī)運(yùn)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(wú)線取電，有線取電具有取電效率高的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線取電具有安全性高的優(yōu)點(diǎn)，本文主要以無(wú)線感應(yīng)電取電為研究對(duì)象。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

3 算例分析

3.1 取電端場(chǎng)路耦合仿真

本文運(yùn)用現(xiàn)有的Comsol有限元仿真軟件進(jìn)行感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)和仿真，探索架空輸電線路感應(yīng)取電線圈的電磁特性并對(duì)線圈傳輸效率進(jìn)行優(yōu)化，證明工頻輸電線路感應(yīng)取電的可行性[9-10]。

仿真模型如圖2、圖3所示，模型參數(shù)如下，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖2 場(chǎng)路耦合電路圖

圖3 線圈結(jié)構(gòu)圖

圖4 電磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖

兩線圈大小一樣（即原邊線圈、副邊線圈，無(wú)鐵芯，各為1匝），兩者相距100 mm，為銅線圈材料；每個(gè)線圈10繞，每繞間距為20 mm，線圈導(dǎo)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(yīng)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(guò)感應(yīng)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(guò)電壓變換技術(shù)轉(zhuǎn)換為無(wú)人機(jī)充電的適當(dāng)直流電壓。

圖5 感應(yīng)功率仿真圖

圖6 感應(yīng)電壓仿真圖

然而，架空輸電線路感應(yīng)電取電效率和線圈的匝數(shù)、繞數(shù)、材料、粗細(xì)（半徑）、距離等因素有關(guān)，改變參數(shù)仿真結(jié)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(shù)、繞數(shù)因素影響較大且成正比關(guān)系，受距離影響較大且成反比關(guān)系，受材料影響較大，受線圈粗細(xì)影響較小。故在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化，本文對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化，線圈距離為50 mm、20圈、10匝、銅材，其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真圖

由圖8可知線圈優(yōu)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(yōu)化后感應(yīng)功率仿真圖

3.2 充電端直流控制仿真

本文通過(guò)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(yīng)線圈電源完成輸電線路感應(yīng)電壓變換設(shè)計(jì)及仿真。采用Buck降壓電路閉環(huán)控制使得充電端輸出電壓穩(wěn)定、可調(diào)，不受負(fù)載大小變化影響。因?yàn)殚_環(huán)的Buck降壓電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會(huì)受到負(fù)載和外部的干擾，需加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[11-12]。模型通過(guò)采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓信號(hào)，再與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后通過(guò)閉環(huán)控制器得到反饋信號(hào)，與三角波進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的開關(guān)波形，將其作為開關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)Buck電路閉環(huán)控制系統(tǒng)。其電路模型如圖9所示。

圖9 直流閉環(huán)穩(wěn)壓控仿真圖

其中，Ton為開關(guān)通態(tài)時(shí)間，Toff為開關(guān)斷態(tài)時(shí)間，D0為占空比值。

由圖10可知，通過(guò)占空比調(diào)節(jié)輸出電壓控制為5 V，即無(wú)人機(jī)充電電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)PI將輸出電壓穩(wěn)定，PI調(diào)節(jié)參數(shù)如表2。

圖10 充電端輸出電壓仿真結(jié)果圖

表2 電壓閉環(huán)控制參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決輸電線路巡檢無(wú)人機(jī)電池續(xù)航不足的問(wèn)題，本文首次引入架空線路工頻感應(yīng)電取電技術(shù)并進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)。文章根據(jù)無(wú)人機(jī)充電需求設(shè)計(jì)了架空線路高空充電平臺(tái)，利用COMSOL軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)路耦合仿真，利用PSCAD軟件進(jìn)行電壓變換仿真，最終驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性。