基于中继线圈的WPT技术及其在高压设备中的应用研究

黄智慧 邹积岩 王永兴 王 林

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)



基于中继线圈的WPT技术及其在高压设备中的应用研究

黄智慧 邹积岩 王永兴 王 林

(大连理工大学电气工程学院 大连 116024)

对无线电能传输(WPT)技术在高压设备中的应用研究现状进行了总结，介绍了几种基于无线电能传输技术的高压端设备供电电源的研究情况，建立了带有中继线圈的电磁谐振式WPT的数学模型，对中继线圈最佳位置和传输功率、距离和效率进行了仿真分析。结果表明带有中继线圈的电磁谐振式WPT技术能够满足高压设备的电源需求和绝缘要求。

智能电网 无线电能传输技术 高压设备 电源 中继线圈

0 引言

高压设备的智能化是分布式智能电网的重要组成部分，如用于高压的电子式电流互感器[1]、由光控真空开关模块串并联组成的组合式智能高压真空断路器[2]、高压线路温度在线监测装置、视频摄像头、巡检机器人等监测设备[3]等。这些智能化的设备应用于电网的高压侧，又引入了智能控制技术，其控制部分是一种新的高压电子设备，需要稳定的电源供电，虽然与电网紧密联系，却无法直接从高压侧取电，阻碍着能源互联网的发展。

目前高压侧设备的取电方式主要有两种：一种是从高压侧取电，如使用特制的CT线圈从母线上取电[2]，这种方式在母线空载或小电流的情况下可能功率不足，或在高压侧安装太阳电池板取电，但受环境影响较大，工作不稳定；另一种方式是从低压侧向高压侧送电，如利用激光器通过光纤向高压侧发射激光能量，然后再由光电池等将光能转换成电能[1]，这种方式供电稳定性相对可靠，但激光器功率有限，光电转换效率只有约40%，目前仅适用于功耗较低的场合[4，5]。

近年来，无线电能传输技术(Wireless Power Transmission，WPT)的发展为解决高压设备的可靠供电问题提供了新的技术方案。本文介绍了WPT技术的发展及特点，提出一种使用电磁耦合式WPT技术的高压设备供电方案，为智能电网在高电压领域的发展提供帮助，同时也为WPT技术在能源互联网领域拓展了应用空间。

1 电磁谐振式WPT技术

1.1 电磁谐振式WPT的原理

无线电能传输是指负载与电源之间不用导线连接而利用电磁的感应、谐振、辐射等形式来实现电能的传输[6，7]，其中电磁感应WPT主要用于低功率、近距离的电能传输，电磁谐振WPT适于中等功率、中等距离传输[8]，电磁辐射WPT主要用于大功率、远距离传输[9]。对于高压电网中的智能设备，绝缘距离为米级，功率为十瓦至百瓦级，综合考虑电磁兼容问题，电磁谐振式WPT较合适，其原理图如图1所示。

图1 电磁谐振式WPT原理图Fig.1 Schematic diagram of WPT via electromagnetic resonant coupling

图1中US为高频交流电源(一般为几MHz～十几MHz)，RS为发射端电阻，LS为发射端源线圈电感，L1、L2为振荡器，LD为接收端线圈电感，RD为接收端负载线圈电阻，RL为负载电阻。电能传输时，将高频电源加载到源线圈上，产生一个高频电磁场，并耦合到相邻的振荡器L1上，振荡器L1发生谐振，并将电能传输到较远的振荡器L2，L2再与负载线圈感应，从而给负载供电。两个振荡器的自谐振频率和高频电源的频率一致时，传输效率最高[10]。

1.2 电磁谐振式WPT的传输特性

无线电能传输技术最早是在19世纪晚期由尼古拉特斯拉提出，并开展了相关实验研究[9]，一直以来国外一些科学家做了大量工作，如20世纪60年代初期Raytheon公司的W.C.Brown等[11-15]。麻省理工学院的研究工作在2007 年取得了突破，利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，其传输距离为2 m，传输效率约为40%[16]。2009年J.Casanova等[17]实现了具有多个负载的WPT技术，效率在2个负载时达到88%，在3个负载时达到74%，但其实验主要是针对小功率的WPT。美国佛罗里达大学的J.Garnica等[18]通过提高振荡器的耦合度和降低其寄生阻抗来提高WPT的传输效率，2011年在1 m的距离上，其WPT实验的传输效率达到76%，功率达到40 W。

国内对电磁谐振式WPT的研究也比较深入。文献[10]分析了自谐振线圈耦合式WPT的最大效率，进行了建模仿真和比较实验，证明了当空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时，两线圈之间传递能量最大；文献[19]分析了电磁耦合谐振式WPT系统的原理，并进行了建模、设计与实验验证，实现了距离2 m时，传输功率约为45 W；文献[20]分析了无线电能有效传输距离及其影响因素，得到了谐振器线圈的优化设计方法。

目前利用电磁谐振进行电能传输的实验，距离可达2.5 m，功率可达60～100 W。因此电磁谐振式WPT从距离、功率和效率上都能满足智能电网高压侧设备的供电，且电磁辐射低，可满足电磁兼容的要求[6，7]。

1.3 WPT在高压领域内的研究现状

电磁谐振式WPT技术可应用于高压领域，其主要优点就是可解决电位隔离问题。目前国内外高压线路上监测设备的供电电源大部分使用的是电池或新能源取电供电，从而得到连续性的电能。但电池需要频繁更换，高压线路的节点又很多，使用电池的方式很不经济[3]；新能源取电受天气影响很大[21]，获得的电能很不稳定。所以当前高压监测设备供电问题成为亟待解决的重要问题之一。

文献[22]提出了高压线路无线取能及传能系统，其工作原理是先利用特制的两个C型铁心从母线上取电，然后经过次耦合式WPT方式将取得的电能传送给接收装置。取电及传电系统分为高压取能装置和电磁谐振式WPT系统两部分，其架构如图2所示。

图2 系统安装结构图Fig.2 The installation structure diagram of the system

整个系统的关键，一是取能装置也即铁心CT的性能，这关系到能否取得足够的电能；二是WPT系统传输能量的距离必须大于高压线路的绝缘距离。这种方式的本质是CT取电与WPT传电相配合，仍受母线电流的影响，在母线电流过小或没有电流时，无法获得足够的能量。

2 WPT技术在高压侧取电中的应用

2.1 绝缘棒与WPT传电配合

由于CT取电或新能源取电的缺点，在高压侧取电并非很好的选择。由于WPT的无线性质，使得在两个电位差较大的设备之间进行传电成为可能。文献[23]提出一种从低压侧取电，然后通过绝缘棒和WPT系统向高压侧供电的方法。其原理图如图3所示，其结构如图4所示。该电源利用了WPT原理，但在谐振器发射端和接收端之间使用了具有一定磁导率的绝缘棒。

图3 电源方案原理图Fig.3 Schematic of the new power proposal

图4 电能传送单元的结构图Fig.4 Scheme of the power transfer unit

由于绝缘棒的磁导率比空气的磁导率高，在初级磁心端口处将产生聚磁效应，有效减少了泄漏到空气中的磁通，从而增强了次级磁心的磁通密度，提高了电能的传输效率。通过仿真验证了该理论，如图5所示。

图5 耦合结构的磁路仿真图Fig.5 The emulation of the magnetic circuit for coupling structure

图5a中初级磁心端口处的磁通大部分进入绝缘棒中，而图5b中磁通全部扩散到空气气隙中，说明聚磁效应较明显；图5a中次级磁心中的磁通密度约是图5b中次级磁心磁通密度的7倍，说明有绝缘棒的耦合结构可增强次级磁心的磁通密度。

该结构的优点是实现了高低压侧电信号的完全隔离，且在提高传输效率的同时，降低了高频电磁场向外辐射的问题，提高了电磁兼容性。

在绝缘能力方面，由于绝缘棒材料的绝缘耐压强度远高于空气，故绝缘水平由空气的绝缘强度决定。如该实验所采用的绝缘棒长度为30 cm，按长间隙空气的平均绝缘强度5 kV/cm计算，则其绝缘耐压等级达到150 kV。

在仿真和实验中，均以30 cm长的绝缘棒作为研究对象。在此距离下，WPT的功率和效率可以满足系统电源的要求。但由于在实际高压系统中，低电位和高电位之间的绝缘距离要求会更高。如果WPT的传输距离能够尽可能的长，则会降低绝缘处理的难度和成本。

2.2 带有中继线圈的WPT

对高压设备的安装场合，若采用WPT，振荡线圈的安装可以严格固定，这是与其他应用领域的一个区别。因此本课题组提出一种使用中继线圈的电磁谐振式WPT技术[24]，以增加WPT的传输距离，提高电能传输的效率。

中继线圈的原理如图6所示。在图1中两个谐振线圈中间再放置一个与发射线圈振荡器和接受线圈振荡器同样的中继线圈振荡器，中继线圈没有负载，却能产生共振，改善发射端和接收端的电磁场分布。

图6 带中继线圈的电磁谐振式无线电能传输原理图Fig.6 Schematic diagram of WPT via electromagnetic resonant coupling with relay coil

所提出的基于带中继线圈的WPT技术的供电系统，其结构框图如图7所示。

1—高电位电源控制器；2—上端盖；3—振荡器2；4—绝缘支柱；5—绝缘伞裙；6—振荡器1；7—下端盖；8—高频电源；9—低电位电源控制器；10—中继线圈图7 WPT供电系统结构图Fig.7 Structure of WPT power supply system

为了降低成本，供电系统安装在绝缘支柱两端，这样可利用原有的绝缘支柱，保证绝缘性能不下降。两个振荡器使用硅橡胶或环氧树脂填充成型，分别固定在绝缘支柱上下端盖上，保证了振荡器的形状参数不变及两个振荡器的同心性。其工作原理为：

1)在低电位端，电源由外部输入，可以是工频交流电，也可是PT取电，或是其他形式的电能；然后由低电位电源控制器进行整流滤波，产生直流电；由高频电源部分将直流电变换成高频交流电，由源线圈感应到振荡器1上。

2)在高电位端，由振荡器2将高频交流电感应到负载线圈上，送到高电位电源控制器，进行整流滤波后产生直流电，再通过DC-DC电源模块产生稳定的直流12 V电源，给蓄电池或超级电容器充电，供给真空光控开关模块使用。

为了进行WPT供电系统的闭环控制，实时监测高压侧电源状态，高电位和低电位两电源控制器之间通过原高压侧设备的通信光纤进行数据交换。高电位端电源控制器实时测量电源的输出电压和电流以及蓄电池或超级电容器的电压、温度等参数，发送到低电位的电源控制器上。低电位控制器具备RS-485远程通信接口，能将电源系统的实时信息发送给上一级控制器。

3 带中继线圈的WPT仿真研究

中继线圈可有效提高WPT传输电能的距离和效率[25]，但由于WPT更注重电能传输中由无线带来的便利，而引入中继线圈后，很可能会妨碍WPT所带来的方便，因此关于中继线圈的研究和应用很少。然而在高压设备中，使用WPT技术并非是因为“无线”，而是因为无线所带来的绝缘性能方面的便利，且在使用中线圈的位置是可以固定不变的，这也正适合中继线圈的引入。

因此，带有中继线圈的WPT技术很适合高压设备的电能传输。为了研究中继线圈对WPT传输的影响，建立了相关模型并使用Matlab软件进行了编程仿真。根据文献[10，16，19，20]中的数据，在仿真中设定发射端电阻RS=2.011 Ω，接收端负载线圈电阻RD=10.002 Ω，负载电阻RL=10.002 Ω，电源频率f=14.5 MHz，线圈半径r=0.3 m，线圈匝数nc=1，线圈距离D=2 m。由于实际中不存在理想的中继线圈，其寄生阻抗也很难为零，因此设定中继线圈电阻R3=0.01 Ω。

3.1 数学模型

设图6中振荡器L1、L2和L3的各项参数完全一致。若L1和L2之间的距离为D，互感为M，根据文献[26]可知，线圈间互感M可由公式(1)近似计算得到。

(1)

若L1和L3之间的距离为xD(0

(2)

式中，US为发射端电源电压；IS为发射端电流；I3为中继线圈电流；ID为负载端电流。假设发射端电流已知，并用其表示各参数，可得

(3)

则接收端的功率为

(4)

发射端的功率为

(5)

则传输效率为

(6)

3.2 中继线圈最佳放置位置的仿真分析

由式(6)可知，在各参数一定时，中继线圈相对发射线圈的位置存在一个最佳位置点，使得传输效率最高，为了便于分析，忽略线圈内阻，则有

(7)

当0

图8中，当x=0.5时，中继线圈正好位于发射线圈与接收线圈的中点位置。由图可知，在距离较远时，存在一个传输效率的最大值，在x=0.5附近。距离约1.0 m时，中继线圈离发射线圈越近，传输效率越高。在仿真中还发现，发射线圈和接收线圈距离小于线圈直径时(仿真中为0.6 m)，传输效率急剧下降，如图9所示，这应与互感的计算公式不够精确有关。

图8 不同传输距离下中继线圈位置与传输效率关系Fig.8 Transmission efficiency in different relative position and transmission distance

图9 不同传输距离下中继线圈位置与传输效率关系Fig.9 Transmission efficiency in different relative position and transmission distance

图10 不同传输距离下中继线圈位置与传输功率关系Fig.10 Transmission power in different relative position and transmission distance

图10为传输功率(接收端功率)与中继线圈相对位置的关系曲线。从图中可看出，传输功率与中继线圈相对位置也存在一个最大值，不同传输距离下略有差别，一般在x=0.56附近达到最大传输功率。仿真中发现发射线圈和接收线圈距离小于线圈直径时(仿真中为0.6 m)，传输功率也急剧下降。

传输效率和传输功率除了受到中继线圈放置位置的影响，还受到线圈本身参数、电源频率等的影响。综合传输效率和传输功率，取x=0.5为中继线圈最佳位置，即中继线圈安装在发射端和接收端的中点位置。

当x=0.5，中继线圈阻抗近似为零即R3≈0时，有

(8)

由式(8)可知，当各谐振器线圈为理想的内阻为零的线圈，且中继线圈严格位于发射线圈和接收线圈中点位置时，WPT的效率随传输距离的增大而提高，最终趋近于RD/(RS+RL+RD)，发射端电流和负载端电流大小相等，方向相反。

3.3 带中继线圈与不带中继线圈的对比仿真分析

不带中继线圈时，系统的状态方程为

(9)

可得

(10)

则接收端的功率为

(11)

传输效率为

(12)

对带有中继线圈和不带中继线圈的WPT传输方式进行了对比仿真分析，线圈半径均为0.3 m 时，结果如图11所示。

由图11可知，带有中继线圈的电磁谐振式WPT具有更好的传输效率、功率和距离。对于1～3 m的距离，其传输效率理论上可达到80%，功率可达上百瓦，且工作区间更长，稳定性好，完全满足高压侧设备对传输功率和距离的要求。

图11 无线电能传输的功率和效率(r=0.3 m)Fig.11 Power and efficiency of WPT with/without relay coil (r=0.3 m)

4 结论

本文介绍了无线电能传输技术的原理和发展现状，总结了最近几年WPT技术在高压设备领域的相关研究，研究了带中继线圈的电磁谐振式WPT的传输特性。得出以下结论：

1)带有中继线圈的电磁谐振式WPT技术的传输距离和功率可满足高压侧电子设备的需要。

2)发射端和接收端的中点为中继线圈的最佳安装位置，中继线圈可提高电能传输的距离、效率、功率和稳定性。

3)WPT技术在高压设备中的应用还需要进一步的研究，结合能源互联网分布式电力系统的应用，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

国家自然科学基金重点项目(51337001)，国家自然科学基金(51207015)资助。

2015-02-14 改稿日期2015-04-02

TM133；TM561

黄智慧 男，1982年生，博士，讲师，研究方向为高电压技术、相控技术、智能电器和无线电能传输技术等。(通信作者)

邹积岩 男，1954年生，教授，博士生导师，研究方向为智能化开关电器理论及应用，高电压新技术及其应用，电力设备智能检测等。