江炳蔚，魏斌，何浩，蔣成，吳曉康

（中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

無線電能傳輸(wireless power transfer，WPT)技術(shù)指的是利用磁場、電場、微波、激光等媒介，采用非接觸的方式進行電能傳輸?shù)囊环N技術(shù)。無線電能傳輸技術(shù)無需在供電端與受電端之間連接電纜，提升了設(shè)備的靈活性與安全性，在礦井、水下等場景下有著廣闊的應(yīng)用前景。在這些無線電能傳輸技術(shù)中，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用較為廣泛。

為應(yīng)對互聯(lián)大電網(wǎng)的發(fā)展方向，當(dāng)前電力系統(tǒng)正趨向無人化、智能化發(fā)展[1-5]。其中明顯變化是智能電力巡檢設(shè)備的使用，例如變電站巡檢機器人[6]、電力線路巡檢無人機[7]等。受限于目前電池與儲能技術(shù)，續(xù)航問題一直是限制智能化設(shè)備發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)“有線供電+蓄電池”的供電方式不僅限制了設(shè)備的使用半徑，且充電時容易產(chǎn)生接觸火花，易引起安全事故。因此考慮將磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，解決電力系統(tǒng)智能化設(shè)備的無線供電問題。

從交流電之父特斯拉開始，人類對于無線電能傳輸?shù)难芯繌奈赐Ｖ?，吸引了來自新西蘭奧克蘭大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院、韓國科學(xué)技術(shù)研究院等國外研學(xué)者，以及重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院等國內(nèi)研究團隊對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的進一步研究[8]。

在國內(nèi)外的相關(guān)文獻中，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)也被稱為感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)利用高頻電磁場進行電能傳輸，具有傳輸距離遠，抗偏移性能好、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，在電動汽車、巡檢機器人、巡檢無人機等電力系統(tǒng)智能化設(shè)備中應(yīng)用場景廣泛。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)從短距離(幾十毫米級)、小功率(百瓦級)開始，已經(jīng)發(fā)展到中距離(幾百毫米級)、中功率(10 kW級)階段，在傳輸距離和傳輸功率上已經(jīng)能滿足多種無線電能傳輸應(yīng)用的需求。

本文對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行簡要介紹，在對比歸納總結(jié)現(xiàn)階段的研究成果的基礎(chǔ)上，分析技術(shù)的發(fā)展趨勢，并對今后的研究方向提出建議。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)概述

磁耦合諧振式無線電能傳輸依據(jù)電磁感應(yīng)原理，其電能傳輸具有一定的導(dǎo)向性，且能夠穿過非鐵磁性物體傳播[9]。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)射端整流電路、逆變電路、發(fā)射端諧振補償電路、磁耦合線圈、接收端補償電路、接收端整流電路、負(fù)載和控制電路等。

1.1 磁耦合線圈

在線圈的傳輸過程中，由于漏磁的存在，會導(dǎo)致傳輸效率的下降。通常在線圈中加入鐵氧體材料，來約束傳輸線圈之間的磁路路徑，提高線圈之間的耦合系數(shù)。常見的線圈有圓形、矩形、雙D形，如圖1所示。

圓形與矩形線圈由于結(jié)構(gòu)簡單，制造較為容易，是常見且應(yīng)用較為廣泛的線圈形狀。線圈的形狀決定了其應(yīng)用場景，一般來說，圓形線圈用于接收端，矩形線圈用于發(fā)射端[10-11]。而雙D形線圈空間中的磁感應(yīng)強度整體較大，有利于能量的傳輸，一般應(yīng)用于發(fā)射端。雙D 形線圈漏磁要比圓形和矩形線圈小，文獻[12]中介紹了一種DDQ線圈，如圖2 所示，與雙D 形線圈相比，漏磁更小，對系統(tǒng)效率提升具有重要的意義，但相較其他類型線圈而言，結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，制作成本較高。

圖2 DDQ線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of DDQ coil

1.2 諧振網(wǎng)絡(luò)

諧振電路是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中控制諧振頻率的部分，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端都設(shè)置有諧振電路，處于磁耦合狀態(tài)發(fā)射端和接收端的諧振電路在同一特定頻率下都發(fā)生諧振。諧振電路拓?fù)涠喾N多樣，4 種基本形式分別為串-串(S-S)型、串-并(SP)型、并-串(P-S)型、并-并(P-P)型[13-14]。不同諧振拓?fù)漭敵鲭妷弘娏魈匦匀绫? 所示，其中U為WPT系統(tǒng)輸入電壓，M為原副邊磁耦合機構(gòu)的互感，ω為系統(tǒng)諧振角頻率，L2為接收端磁耦合機構(gòu)自感，RL為等效負(fù)載。

從表1 可以看出，接收端的諧振電路拓?fù)錄Q定了無線電能傳輸系統(tǒng)的輸出特性。接收端諧振拓?fù)錇榇?lián)型，輸出特性為恒流源特性；諧振拓?fù)錇椴⒙?lián)型，輸出特性為恒壓源。

表1 不同諧振拓?fù)漭敵鲭妷弘娏魈匦訲ab.1 Output voltage and current characteristics of different resonant topologies

除了4種基本拓?fù)渫?，還存在LCL型、LCC型等復(fù)合型拓?fù)洌鐖D3 所示。LCL 型拓?fù)淠軐崿F(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時對一次側(cè)造成的過電流問題。LCC 型拓?fù)淇梢愿綦x電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化[15-16]。

圖3 諧振拓?fù)銯ig.3 Resonant topology of WPT

在選擇補償電路拓?fù)鋾r，要綜合考慮系統(tǒng)的實際需求，選擇適合的補償電路。

2 電動汽車無線充電技術(shù)

2.1 電動汽車無線充電模型

近幾年，電動汽車(electric vehicle，EV)迅速發(fā)展，其與電網(wǎng)之間的互動越發(fā)密切。目前電動汽車充電時與電網(wǎng)之間大多采用有線連接方式，充電槍的頻繁拔插容易引起接觸火花和拉弧，導(dǎo)致事故。為解決這一問題，研究出電動汽車無線充電技術(shù)(electric vehicle wireless charging technology，EVWCT)，如圖4所示。

圖4 電動汽車無線充電模型Fig.4 Model of EVWCT

2.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

總體上看，EVWCT 的電路拓?fù)渑c基本的磁耦合諧振式無線電能傳輸拓?fù)湎嗖畈淮?，但在某些?xì)節(jié)方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在諧振電路的選擇上，文獻[17]根據(jù)電池的充電曲線對車載端諧振拓?fù)涓倪M，在充電的不同時間采用不同的諧振拓?fù)洹Ｔ摲椒ǚ想姵爻潆娨?guī)律，保護電池壽命。

系統(tǒng)的控制方式分為單邊控制和雙邊控制[18]。文獻[19-20]給出一種雙邊控制的方案，車載端實現(xiàn)對輸出電流的控制，地面端實現(xiàn)對線圈電流的控制。文獻[21]建立EVWCT動態(tài)解耦控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過計算因子實現(xiàn)解耦占空比對充電功率的控制。這2 種控制方案從電路模型和數(shù)學(xué)模型2 個角度實現(xiàn)對充電功率的控制，雙邊控制方案為雙向無線電能傳輸提供了一定的理論基礎(chǔ)，成為V2G的理論依據(jù)。

為保證EVWCT 的安全運行，減少對生物與環(huán)境的影響，系統(tǒng)中應(yīng)該包含4 項輔助功能：金屬異物檢測、生物體檢測[22]、引導(dǎo)入位以及偏移檢測[23]。文獻[24-27]對輔助功能進行深入研究，主要依靠熱釋電傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器等器件的有效配合，構(gòu)成EVWCT 的輔助檢測系統(tǒng)。

2.3 電磁輻射

WPT產(chǎn)生的高頻磁場會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生一定量的電磁輻射，作為一項民用技術(shù)，必須解決電動汽車無線充電電磁輻射對使用者的影響。

文獻[28]在仿真軟件COMSOL 中對人體進行建模，分析人體各部分遭受電磁輻射的影響程度，如圖5 所示，研究表明電磁輻射對肺部的影響最大。研究[29-31]發(fā)現(xiàn)，電動汽車在進行無線充電時，車內(nèi)的電磁輻射水平均在國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射值以下，符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 無線充電車內(nèi)人體器官磁場與電場強度圖Fig.5 Intensity diagram of magnetic field and electric field of human organs in wireless charging vehicle

2.4 無線充電效率

無線充電效率是影響電動汽車無線充電表現(xiàn)的一個重要參數(shù)。在電動汽車無線充電系統(tǒng)中，電力電子裝置的損耗、線圈內(nèi)阻以及線圈之間的傳輸損耗是影響充電效率的重要原因。

在國家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定電動汽車無線充電的效率不低于85%，目前在實驗室的條件下，電動汽車無線充電的效率最高可達94%。文獻[27]采用數(shù)學(xué)模型變換，探討了系統(tǒng)電能傳輸效率關(guān)系，通過改變接收線圈之間的距離，減少動態(tài)無線充電系統(tǒng)中的漏磁，提升了電動汽車無線充電系統(tǒng)的效率。文獻[32]中設(shè)計了高效率E 類逆變電源，E 類逆變器結(jié)構(gòu)中具有諧振電路，使開關(guān)管易實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的充電效率。

因此，通過控制電力電子裝置的損耗，增加傳輸線圈之間的耦合程度，能夠進一步提升無線充電系統(tǒng)的充電效率，實現(xiàn)高效率的電動汽車無線充電。

2.5 無線V2G技術(shù)

普通的EVWCT 中能量由電網(wǎng)單向傳輸?shù)紼V，但隨著智能配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，EV 與電網(wǎng)之間可實現(xiàn)功率的互動。車到網(wǎng)(vehicle to grid，V2G)利用電網(wǎng)調(diào)控技術(shù)將EV并入電網(wǎng)，可在低用電負(fù)荷時，將電能傳輸給閑置電動汽車；在高用電負(fù)荷時，把電能從電動汽車回饋到電網(wǎng)，提升電網(wǎng)供配電系統(tǒng)的靈活性和電能的有效利用[33-35]。典型無線V2G電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 無線V2G電路拓?fù)鋱DFig.6 Circuit topology of wireless V2G

文獻[36-37]提出了基于模糊控制的改進比例諧振控制技術(shù)，提高V2G 系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。文獻[38-39]從實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立微電網(wǎng)模型，研究V2G電動汽車并網(wǎng)后的使用場景和對電網(wǎng)的影響。

EVWCT 與無線V2G 技術(shù)實現(xiàn)了電網(wǎng)與電動汽車之間的良好交互。EVWCT 的研究主要集中于提升無線充電的效率和功率，無線V2G的研究集中于雙邊逆變器的控制，例如多電平逆變裝置。

2.6 工程化應(yīng)用

中國電力科學(xué)研究院在國家電網(wǎng)科技項目的支持下，在河北省張北縣建設(shè)了電動汽車無線充電系統(tǒng)試驗段。試驗段全長數(shù)百米，包括直道、彎道、特殊路段等共7段移動式無線供電導(dǎo)軌，2段靜態(tài)充電位、電力變換單元和監(jiān)控設(shè)備，如圖7所示。該系統(tǒng)以工程化、模塊化為設(shè)計主導(dǎo)思想，設(shè)計了新型“工”字型導(dǎo)軌線圈，提高系統(tǒng)的抗偏移特性與充電效率的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在受電端為規(guī)避單相受電端結(jié)構(gòu)存在的功率傳輸零點問題，設(shè)計了雙相DQ 結(jié)構(gòu)，采用上下堆疊結(jié)構(gòu)，保證移動式無線充電系統(tǒng)中能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖7 無線充電系統(tǒng)試驗段鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of wireless charging system

試驗段包括了一段常規(guī)移動式無線充電路段、一段移動式無線充電特殊路段以及2 個靜止式無線充電車位。車輛改裝自宇通6805客車，無線充電額定功率為20 kW，無線充電頻率為20 kHz，移動式無線充電最高速度為60 km/h.

經(jīng)過測試得出，在車輛行駛速度為40 km/h的情況下，系統(tǒng)總體效率維持在76%，車輛的行駛速度每增加10 km/h，系統(tǒng)效率下降約1%。經(jīng)測量，車內(nèi)磁場強度為0.55 A/m，遠小于國際標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 變電站巡檢機器人無線充電系統(tǒng)

隨著變電站規(guī)模的逐漸擴大以及變電站無人值班制度的實行，變電站巡檢機器人投入使用。變電站巡檢機器人按照預(yù)先設(shè)定的軌跡自動對變電站進行巡檢，輔助運維人員掌握變電站的工作狀況。

變電站巡檢機器人充電方式大多為接觸式充電。接觸式充電方式需要較高的精確性來完成對接，頻繁地對接、脫離容易造成插頭磨損，導(dǎo)致接觸不良。變電站巡檢機器人在工作6 h后，需返回充電，充電時間達8 h[40]。在巡檢期間需要對機器人進行多次充電，嚴(yán)重占用巡檢機器人工作時間[41-42]。

3.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電力巡檢機器人無線充電系統(tǒng)采用動態(tài)無線充電方式，其中的一種結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的兩線圈式改造為四線圈式，即在發(fā)射線圈和接收線圈之間加入了2 個中繼線圈，增加傳輸距離，如圖8所示。

圖8 電力巡檢機器人無線充電系統(tǒng)電路拓?fù)銯ig.8 Circuit topology of wireless charging system for electric inspection robot

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，要求原邊與副邊線圈盡量對準(zhǔn)，但對于電力巡檢機器人來說精度并不能滿足要求。文獻[40]設(shè)計了雙層矩陣式線圈供電陣列，矩陣式線圈提升了系統(tǒng)的抗偏移特性，雙層設(shè)計避免了磁場分布不均的情況，使得功率傳輸更加穩(wěn)定，如圖9所示。

圖9 雙層矩陣式線圈Fig.9 Double layer matrix coil

除了保證發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合外，針對電力巡檢機器人的強磁場工作環(huán)境，需要減少設(shè)備之間的電磁干擾。文獻[28]采用主動屏蔽的方式，設(shè)置一個與發(fā)射線圈和接收線圈同時耦合的無功線圈，如圖10所示。當(dāng)漏磁通穿過諧振式無功線圈時，產(chǎn)生的反向磁通將漏磁通削弱至較小值。

圖10 諧振式無功屏蔽線圈電路拓?fù)銯ig.10 Circuit topology of resonant reactive shielding coil

3.2 系統(tǒng)控制方案

變電站巡檢機器人無線充電系統(tǒng)主要是對逆變器和發(fā)射線圈的切換進行精確控制。

逆變器控制的核心在于零電壓開關(guān)(zero voltage switch，ZVS)的控制。文獻[43]改變諧振電路的參數(shù)，使其略呈感性，保證ZVS的順利進行。但略呈感性的諧振電路會使得開關(guān)損耗變大，增加系統(tǒng)的無功功率。文獻[44]在逆變電路中采用GaN 器件并設(shè)計對稱分裂電感電容支路，如圖11所示，在提高系統(tǒng)頻率的同時也能夠保證ZVS的進行。但是GaN器件成本較高，經(jīng)濟性不好。以上方案均在低電磁干擾的環(huán)境下適用，而在強電磁干擾環(huán)境下的逆變器可靠控制方案還有待進一步研究。

圖11 對稱分裂電感電容電路拓?fù)銯ig.11 Topology of symmetrical split inductor capacitor circuit

為了滿足變電站巡檢機器人“不停站”充電的要求，必須采用動態(tài)無線電能傳輸技術(shù)，因此需要研究線圈之間的切換問題。文獻[27]采用雙激勵單元，依據(jù)算法計算出接收線圈位置，開通相應(yīng)位置的發(fā)射線圈。文獻[45]將多個發(fā)射線圈連接到同一個逆變器上，減少了逆變器的重復(fù)布置，但對逆變器的性能要求較高。文獻[46]在機器人前部、后部各安裝了接收線圈，保證切換過程中平滑供電，如圖12所示，此方案對線圈安裝位置的精確度要求較高。

圖12 安裝雙接收線圈的變電站巡檢機器人Fig.12 Substation inspection robot with double receiving coils

以上控制方案通過采用GaN 電力電子器件，調(diào)整接收線圈與發(fā)射線圈之間的位置關(guān)系，能夠提升巡檢機器人無線充電系統(tǒng)的效率。

3.3 工程化應(yīng)用

中國電力科學(xué)研究院牽頭國家電網(wǎng)科技項目《適用于變電站巡檢機器人的非對稱耦合諧振系統(tǒng)研究》，項目中考慮到110 kV 及以上變電站的工頻高壓電場，模擬了樣機所在變電站中強電磁環(huán)境，分析搭載無線充電系統(tǒng)的變電站巡檢機器人在強磁場情況下的適應(yīng)性。

項目設(shè)計了基于多線圈矩陣網(wǎng)絡(luò)分布的無線充電系統(tǒng)，采用交錯雙層式矩陣線圈疊加的方式，使得發(fā)射平面具有較為均勻的磁場強度分布。無論巡檢機器人以何種方向停在充電區(qū)域的何處位置，都能進行高效率的無線充電，如圖13所示。

圖13 變電站巡檢機器人無線充電系統(tǒng)示意圖Fig.13 Schematic diagram of wireless charging system for substation inspection robot

項目研究了非對稱條件下耦合線圈的傳輸情況，測量不同供電端矩陣排布線圈與受電線圈的能量傳輸性能，如平行矩陣式排布與交錯矩陣式排布等。設(shè)計匹配供電端供電線圈陣列的巡檢機器人充電線圈的結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)，選取的供電線圈陣列為4×4圓角方形螺旋線圈陣列，供電線圈尺寸選為60 mm×60 mm，線匝寬度為20 mm，線圈間間距為10 mm。分別選擇與供電線圈完全相同的圓角方形螺旋線圈，以及外徑為125 mm(單個供電線圈尺寸的2倍，正好覆蓋4 個小的供電線圈)，線匝寬度為30 mm 的圓角方形螺旋線圈作為巡檢機器人受電線圈。研究采用了高階諧振補償網(wǎng)絡(luò)一般模型、非對稱耦合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)補償方式等關(guān)鍵參數(shù)對無線充電系統(tǒng)能效特性影響關(guān)系，最終優(yōu)化諧振補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。實際現(xiàn)場運行如圖14所示。

圖14 變電站巡檢機器人無線充電系統(tǒng)現(xiàn)場圖Fig.14 Field diagram of wireless charging system of substation patrol robot

4 線路巡檢無人機無線充電技術(shù)

電網(wǎng)需要定期對電力線路進行巡視檢查，在線路長、地理環(huán)境復(fù)雜時，一般采用無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)對線路進行巡檢工作。線路巡檢無人機的蓄電池并不大，導(dǎo)致無人機單次巡檢距離較短[47-49]，這樣的巡檢距離難以滿足遠距離輸電線路巡檢需求[48]。

線路巡檢無人機無線充電系統(tǒng)將充電平臺安裝在輸電桿塔上，在巡檢過程中對巡檢無人機及時進行電能補充。

4.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

相比于普通無線充電的耦合裝置來說，無人機對接收端耦合裝置的體積與重量有嚴(yán)格要求，文獻[49]中將耦合裝置放置在無人機起落架底端，如圖15 所示，但小的氣隙容易引起耦合裝置對非對準(zhǔn)情況的過度敏感。因此，文獻[49]中也提出了適用于無人機的雙極性耦合裝置，如圖16 所示。相反的電流走向使得發(fā)射線圈內(nèi)部磁場有2 個方向，磁場具有雙極性特性，提高了耦合能力，降低了漏磁。

圖15 巡檢無人機線圈布置示意圖Fig.15 Coils layout of UAV

圖16 無線充電平臺耦合裝置磁路Fig.16 Magnetic circuit of coupling device of wireless charging platform

為了確保無人機平穩(wěn)準(zhǔn)確地停在無線充電平臺上，需要在無人機和充電平臺之間建立識別機制，輔助無人機準(zhǔn)確停靠在充電區(qū)域。文獻[47]提出的解決方案是利用Zigbee無線通信輔助無人機定位，這種方案可行性較高，但易受干擾。文獻[50-51]將無人機路徑規(guī)劃與無線充電平臺結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)的方式輔助定位，但方案靈活性不高。

4.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

無人機無線充電平臺布置在高壓輸電桿塔的頂部，高壓輸電線周圍會產(chǎn)生強磁場和強電場，很容易對無線充電平臺內(nèi)部器件產(chǎn)生干擾。

典型110 kV 和220 kV 輸電線路桿塔包括單回酒杯塔、單回貓頭塔、單回耐張塔以及雙回羊角塔等。針對不同結(jié)構(gòu)的桿塔，無人機充電平臺的布置方式、輸電線磁場對充電平臺的影響，需要進一步細(xì)化研究。文獻[50]中平臺置身于桿塔頂部，如圖17 所示，需要對塔身載荷進行桿塔力學(xué)的重新校核與計算，獲取不同載荷條件下桿塔的受力情況，并分析桿塔有可能產(chǎn)生的形變。

圖17 布置于桿塔頂端的巡檢無人機無線充電平臺Fig.17 Wireless charging platform for UAV arranged at the top of tower

無人機無線充電平臺需要長期暴露在室外，且充電平臺一般布置在輸電桿塔頂端，在惡劣天氣下極易受影響。室外充電平臺會遇到低溫、高濕、高溫等惡劣環(huán)境[51-52]。目前所做的實驗均是在實驗室理想條件下，一旦環(huán)境變化，無線充電的表現(xiàn)如何，還需要進一步研究。在戶外的無人機無線充電系統(tǒng)中，無線充電的系統(tǒng)效率將會比實驗室條件下的效率低，因此需要考慮提升無線充電效率的方案。考慮到無人機無線充電系統(tǒng)受體積與重量的限制，可以通過增加線圈之間的耦合程度，改善電力電子器件的控制方案，減小無線充電的損耗。此外，高空的充電平臺易受雷擊，需要對無線充電平臺在雷雨天氣下的可靠性進行研究，同時設(shè)計相應(yīng)的防雷保護方案。

4.3 工程化應(yīng)用

中國電力科學(xué)研究院參與的國家電網(wǎng)科技項目《基于光伏儲能和無線充電的線路巡檢無人機智能續(xù)航技術(shù)研究》，其預(yù)期目標(biāo)是研制出無人機無線充電平臺樣機，初步確定巡檢無人機無線充電輸出電壓為12 V，充電平臺布置在輸電桿塔頂端。項目需要解決無線充電平臺穩(wěn)定工作電磁環(huán)境判據(jù)，給出抑制高壓電磁干擾措施，實現(xiàn)高壓線路工頻與無線充電高頻的電磁兼容，保證無線充電平臺的長期安全穩(wěn)定運行。

同時，考慮到輸電線路走向與當(dāng)?shù)氐匦?，需要對巡檢無人機充電平臺的布置進行有效的規(guī)劃布局。該項目建立無人機能量需求特性、無線充電平臺能量供給特性與外界環(huán)境之間的耦合分析模型，提出無線充電平臺強時空耦合下的容量、數(shù)量及空間距離的優(yōu)化布局方案。

項目目標(biāo)：充電平臺整體效率達80%以上，研制出基于磁共振無線輸電技術(shù)的塔上供電模塊，傳輸距離≥2 m，發(fā)射端轉(zhuǎn)換功率≥200 W。

5 無線電能傳輸?shù)陌l(fā)展與改進

經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，WPT的性能和穩(wěn)定性有了長足的進步。目前，WPT在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈加廣泛，江蘇同里建設(shè)了一條“三合一”電子公路，其中包含了動態(tài)無線充電；中國電力科學(xué)研究院與魯能智能技術(shù)有限公司合作研發(fā)的第六代無線供電式變電站電力巡檢機器人投入使用；由中國電力科學(xué)研究院與國網(wǎng)江西省電力公司合作的基于光伏儲能與無線充電的線路巡檢無人機研發(fā)成功，即將投入使用。

然而，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)仍然存在著改進的空間。提升磁耦合諧振式無線電能傳輸效率一直是研究領(lǐng)域的熱點問題，可以通過改進無線充電系統(tǒng)的電路拓?fù)?、磁耦合機構(gòu)、耦合線圈以及控制方式來提升效率。例如對逆變電路拓?fù)溥M行改進，采用E 類逆變器，顯著提升了充電效率。

在一些特定的應(yīng)用場合，對WPT的傳輸功率有一定的要求。大功率WPT可通過提高輸入功率的方法實現(xiàn)。第一，采用模塊化并聯(lián)的方案。但是模塊化的結(jié)構(gòu)對控制電路的要求較高，要求保證各模塊觸發(fā)脈沖的一致性，否則將會在電路中產(chǎn)生巨大環(huán)流，影響設(shè)備安全。第二，采用多拾取線圈的方案。但是難以保證多個拾取線圈都能夠以最大效率向發(fā)射線圈拾取功率，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。

與普通應(yīng)用場景不同，電力系統(tǒng)中的電磁環(huán)境比較復(fù)雜。首先，電力系統(tǒng)的許多設(shè)備(如變壓器、線路等)周圍磁場較強，容易對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成傳輸功率和傳輸效率的下降。其中一種方案是采用自適應(yīng)頻率跟蹤WPT系統(tǒng)，通過粒子群優(yōu)化算法，保證傳輸?shù)钠椒€(wěn)性。再者，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)依靠高頻磁場傳輸電能，在傳輸線圈中存在漏磁，可能會對電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備，特別是通信設(shè)備產(chǎn)生干擾。

雙向無線電能傳輸技術(shù)為無線充電設(shè)備參與到電網(wǎng)調(diào)度，實現(xiàn)與分布式微電網(wǎng)的友好融合提供了極大的便利。雙向無線電能傳輸技術(shù)可與新能源發(fā)電技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，將會成為新的研究熱點。

6 結(jié)論

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)在近幾年的研究中取得了較大的突破，與電力系統(tǒng)的聯(lián)系越來越緊密，應(yīng)用愈發(fā)廣泛。簡要介紹了WPT的部分應(yīng)用案例，分析了應(yīng)用方案中的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)與不足。作為一項新興技術(shù)，它擁有廣闊的應(yīng)用前景，但是目前在充電效率、充電功率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電磁屏蔽等方面具有廣闊的研究空間。充電效率與充電功率的提升對于無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與電磁屏蔽能力有助于無線電能傳輸技術(shù)的進一步推廣。