基于中继线圈的WPT技术及其在高压设备中的应用研究︱研究前沿
大连理工大学电气工程学院的研究人员黄智慧、邹积岩、王永兴、王林，在2015年第11期《电工技术学报》上撰文，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。
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
图1中US为高频交流电源（一般为几MHz～ 十几MHz），RS为源线圈阻抗，LS为源线圈电感，L1、L2为振荡器，LD为负载线圈电感，RD为负载线圈阻抗，RL为负载阻抗。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，效率在两个负载时达到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
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
图4 电能传送单元的结构图
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
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是 图5b中次级磁心磁通密度的约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150kV。
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，则无疑会降低绝缘处理的难度和成本。
2.2 带有中继线圈的WPT
由于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
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。
图7 WPT供电系统结构图
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12V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（略）
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。