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

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(jìn)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(duì)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(jī)器人[6]、電力線路巡檢無人機(jī)[7]等。受限于目前電池與儲(chǔ)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(shí)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(duì)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(tuán)隊(duì)對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的進(jìn)一步研究[8]。

在國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)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(jìn)行電能傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗偏移性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、巡檢機(jī)器人、巡檢無人機(jī)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(jí))、小功率(百瓦級(jí))開始，已經(jīng)發(fā)展到中距離(幾百毫米級(jí))、中功率(10 kW級(jí))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(duì)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(jìn)行簡要介紹，在對(duì)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(duì)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(bǔ)償電路、磁耦合線圈、接收端補(bǔ)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(huì)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(qiáng)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(xiàn)[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(duì)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(jī)構(gòu)的互感，ω為系統(tǒng)諧振角頻率，L2為接收端磁耦合機(jī)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?shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時(shí)避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)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(bǔ)償電路拓?fù)鋾r(shí)，要綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)際需求，選擇適合的補(bǔ)償電路。

2 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)

2.1 電動(dòng)汽車無線充電模型

近幾年，電動(dòng)汽車(electric vehicle，EV)迅速發(fā)展，其與電網(wǎng)之間的互動(dòng)越發(fā)密切。目前電動(dòng)汽車充電時(shí)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(dòng)汽車無線充電技術(shù)(electric vehicle wireless charging technology，EVWCT)，如圖4所示。

圖4 電動(dòng)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(xiàn)[17]根據(jù)電池的充電曲線對(duì)車載端諧振拓?fù)涓倪M(jìn)，在充電的不同時(shí)間采用不同的諧振拓?fù)?。該方法符合電池充電?guī)律，保護(hù)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(xiàn)[19-20]給出一種雙邊控制的方案，車載端實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制，地面端實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈電流的控制。文獻(xiàn)[21]建立EVWCT動(dòng)態(tài)解耦控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算因子實(shí)現(xiàn)解耦占空比對(duì)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(gè)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行，減少對(duì)生物與環(huán)境的影響，系統(tǒng)中應(yīng)該包含4 項(xiàng)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(xiàn)[24-27]對(duì)輔助功能進(jìn)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(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生一定量的電磁輻射，作為一項(xiàng)民用技術(shù)，必須解決電動(dòng)汽車無線充電電磁輻射對(duì)使用者的影響。

文獻(xiàn)[28]在仿真軟件COMSOL 中對(duì)人體進(jìn)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(duì)肺部的影響最大。研究[29-31]發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車在進(jìn)行無線充電時(shí)，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(qiáng)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(dòng)汽車無線充電表現(xiàn)的一個(gè)重要參數(shù)。在電動(dòng)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(dòng)汽車無線充電的效率不低于85%，目前在實(shí)驗(yàn)室的條件下，電動(dòng)汽車無線充電的效率最高可達(dá)94%。文獻(xiàn)[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(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)中的漏磁，提升了電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)[32]中設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)一步提升無線充電系統(tǒng)的充電效率，實(shí)現(xiàn)高效率的電動(dòng)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(shí)現(xiàn)功率的互動(dòng)。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(shí)，將電能傳輸給閑置電動(dòng)汽車；在高用電負(fù)荷時(shí)，把電能從電動(dòng)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(xiàn)[36-37]提出了基于模糊控制的改進(jìn)比例諧振控制技術(shù)，提高V2G 系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[38-39]從實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立微電網(wǎng)模型，研究V2G電動(dòng)汽車并網(wǎng)后的使用場景和對(duì)電網(wǎng)的影響。

EVWCT 與無線V2G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與電動(dòng)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(xiàng)目的支持下，在河北省張北縣建設(shè)了電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)試驗(yàn)段。試驗(yàn)段全長數(shù)百米，包括直道、彎道、特殊路段等共7段移動(dòng)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(jì)主導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)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(diǎn)問題，設(shè)計(jì)了雙相DQ 結(jié)構(gòu)，采用上下堆疊結(jié)構(gòu)，保證移動(dòng)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(yàn)段鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of wireless charging system

試驗(yàn)段包括了一段常規(guī)移動(dòng)式無線充電路段、一段移動(dòng)式無線充電特殊路段以及2 個(gè)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(dòng)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(qiáng)度為0.55 A/m，遠(yuǎn)小于國際標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 變電站巡檢機(jī)器人無線充電系統(tǒng)

隨著變電站規(guī)模的逐漸擴(kuò)大以及變電站無人值班制度的實(shí)行，變電站巡檢機(jī)器人投入使用。變電站巡檢機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的軌跡自動(dòng)對(duì)變電站進(jìn)行巡檢，輔助運(yùn)維人員掌握變電站的工作狀況。

變電站巡檢機(jī)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(duì)接，頻繁地對(duì)接、脫離容易造成插頭磨損，導(dǎo)致接觸不良。變電站巡檢機(jī)器人在工作6 h后，需返回充電，充電時(shí)間達(dá)8 h[40]。在巡檢期間需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行多次充電，嚴(yán)重占用巡檢機(jī)器人工作時(shí)間[41-42]。

3.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電力巡檢機(jī)器人無線充電系統(tǒng)采用動(dòng)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(gè)中繼線圈，增加傳輸距離，如圖8所示。

圖8 電力巡檢機(jī)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(duì)準(zhǔn)，但對(duì)于電力巡檢機(jī)器人來說精度并不能滿足要求。文獻(xiàn)[40]設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)電力巡檢機(jī)器人的強(qiáng)磁場工作環(huán)境，需要減少設(shè)備之間的電磁干擾。文獻(xiàn)[28]采用主動(dòng)屏蔽的方式，設(shè)置一個(gè)與發(fā)射線圈和接收線圈同時(shí)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(shí)，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(jī)器人無線充電系統(tǒng)主要是對(duì)逆變器和發(fā)射線圈的切換進(jìn)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(xiàn)[43]改變諧振電路的參數(shù)，使其略呈感性，保證ZVS的順利進(jìn)行。但略呈感性的諧振電路會(huì)使得開關(guān)損耗變大，增加系統(tǒng)的無功功率。文獻(xiàn)[44]在逆變電路中采用GaN 器件并設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)也能夠保證ZVS的進(jìn)行。但是GaN器件成本較高，經(jīng)濟(jì)性不好。以上方案均在低電磁干擾的環(huán)境下適用，而在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的逆變器可靠控制方案還有待進(jìn)一步研究。

圖11 對(duì)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(jī)器人“不停站”充電的要求，必須采用動(dòng)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(xiàn)[27]采用雙激勵(lì)單元，依據(jù)算法計(jì)算出接收線圈位置，開通相應(yīng)位置的發(fā)射線圈。文獻(xiàn)[45]將多個(gè)發(fā)射線圈連接到同一個(gè)逆變器上，減少了逆變器的重復(fù)布置，但對(duì)逆變器的性能要求較高。文獻(xiàn)[46]在機(jī)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(duì)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(jī)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(jī)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(xiàng)目《適用于變電站巡檢機(jī)器人的非對(duì)稱耦合諧振系統(tǒng)研究》，項(xiàng)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(jī)所在變電站中強(qiáng)電磁環(huán)境，分析搭載無線充電系統(tǒng)的變電站巡檢機(jī)器人在強(qiáng)磁場情況下的適應(yīng)性。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(cuò)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(qiáng)度分布。無論巡檢機(jī)器人以何種方向停在充電區(qū)域的何處位置，都能進(jìn)行高效率的無線充電，如圖13所示。

圖13 變電站巡檢機(jī)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(xiàng)目研究了非對(duì)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(cuò)矩陣式排布等。設(shè)計(jì)匹配供電端供電線圈陣列的巡檢機(jī)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(gè)供電線圈尺寸的2倍，正好覆蓋4 個(gè)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(jī)器人受電線圈。研究采用了高階諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)一般模型、非對(duì)稱耦合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方式等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)無線充電系統(tǒng)能效特性影響關(guān)系，最終優(yōu)化諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行如圖14所示。

圖14 變電站巡檢機(jī)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(jī)無線充電技術(shù)

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

線路巡檢無人機(jī)無線充電系統(tǒng)將充電平臺(tái)安裝在輸電桿塔上，在巡檢過程中對(duì)巡檢無人機(jī)及時(shí)進(jìn)行電能補(bǔ)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(jī)對(duì)接收端耦合裝置的體積與重量有嚴(yán)格要求，文獻(xiàn)[49]中將耦合裝置放置在無人機(jī)起落架底端，如圖15 所示，但小的氣隙容易引起耦合裝置對(duì)非對(duì)準(zhǔn)情況的過度敏感。因此，文獻(xiàn)[49]中也提出了適用于無人機(jī)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(gè)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(jī)線圈布置示意圖Fig.15 Coils layout of UAV

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

為了確保無人機(jī)平穩(wěn)準(zhǔn)確地停在無線充電平臺(tái)上，需要在無人機(jī)和充電平臺(tái)之間建立識(shí)別機(jī)制，輔助無人機(jī)準(zhǔn)確?？吭诔潆妳^(qū)域。文獻(xiàn)[47]提出的解決方案是利用Zigbee無線通信輔助無人機(jī)定位，這種方案可行性較高，但易受干擾。文獻(xiàn)[50-51]將無人機(jī)路徑規(guī)劃與無線充電平臺(tái)結(jié)合，通過機(jī)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(jī)無線充電平臺(tái)布置在高壓輸電桿塔的頂部，高壓輸電線周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場和強(qiáng)電場，很容易對(duì)無線充電平臺(tái)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(duì)不同結(jié)構(gòu)的桿塔，無人機(jī)充電平臺(tái)的布置方式、輸電線磁場對(duì)充電平臺(tái)的影響，需要進(jìn)一步細(xì)化研究。文獻(xiàn)[50]中平臺(tái)置身于桿塔頂部，如圖17 所示，需要對(duì)塔身載荷進(jìn)行桿塔力學(xué)的重新校核與計(jì)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(jī)無線充電平臺(tái)Fig.17 Wireless charging platform for UAV arranged at the top of tower

無人機(jī)無線充電平臺(tái)需要長期暴露在室外，且充電平臺(tái)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(tái)會(huì)遇到低溫、高濕、高溫等惡劣環(huán)境[51-52]。目前所做的實(shí)驗(yàn)均是在實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究。在戶外的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)中，無線充電的系統(tǒng)效率將會(huì)比實(shí)驗(yàn)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?？紤]到無人機(jī)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(tái)易受雷擊，需要對(duì)無線充電平臺(tái)在雷雨天氣下的可靠性進(jìn)行研究，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的防雷保護(hù)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(xiàng)目《基于光伏儲(chǔ)能和無線充電的線路巡檢無人機(jī)智能續(xù)航技術(shù)研究》，其預(yù)期目標(biāo)是研制出無人機(jī)無線充電平臺(tái)樣機(jī)，初步確定巡檢無人機(jī)無線充電輸出電壓為12 V，充電平臺(tái)布置在輸電桿塔頂端。項(xiàng)目需要解決無線充電平臺(tái)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(shí)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(tái)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

同時(shí)，考慮到輸電線路走向與當(dāng)?shù)氐匦?，需要?duì)巡檢無人機(jī)充電平臺(tái)的布置進(jìn)行有效的規(guī)劃布局。該項(xiàng)目建立無人機(jī)能量需求特性、無線充電平臺(tái)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(tái)強(qiáng)時(shí)空耦合下的容量、數(shù)量及空間距離的優(yōu)化布局方案。

項(xiàng)目目標(biāo)：充電平臺(tái)整體效率達(dá)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(jìn)

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(jìn)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(dòng)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(jī)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(chǔ)能與無線充電的線路巡檢無人機(jī)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(jìn)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(diǎn)問題，可以通過改進(jìn)無線充電系統(tǒng)的電路拓?fù)?、磁耦合機(jī)構(gòu)、耦合線圈以及控制方式來提升效率。例如對(duì)逆變電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，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(duì)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(shí)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(duì)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(huì)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(gè)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(huì)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(qiáng)，容易對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)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(huì)成為新的研究熱點(diǎn)。

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(xiàng)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(duì)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(jìn)一步推廣。