基于架空輸電線路的無人機(jī)取電平臺設(shè)計及仿真

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

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)在軍用、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、搶險救災(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。無人機(jī)的動力來源主要為電池和汽油，其中，在電力線路巡檢中使用的無人機(jī)，其動力來源多為電池，受無人機(jī)體積和重量的限制，無人機(jī)的電池容量有限，導(dǎo)致進(jìn)行電力線路巡檢的無人機(jī)所巡檢的電力線路距離較短，相關(guān)技術(shù)中，需要控制無人機(jī)在電力不足時及時控制無人機(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、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電流。本文考慮無人機(jī)巡檢能耗較大、質(zhì)量要求較高，故設(shè)計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，但是對于架空輸電線路高空取電平臺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[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算架空輸電線路電磁場數(shù)值，其是目前靜電場數(shù)值計算的一種主要方法[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個模擬電荷與第i個匹配點(diǎn)之間的距離，Pij為第j個模擬電荷在第i個匹配點(diǎn)產(chǎn)生的電位值，r0為導(dǎo)線半徑。

場強(qiáng)與電位關(guān)系方程，

設(shè)任意一點(diǎn)P(x1，y1)，其電場強(qiáng)度計算公式，

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

2 高壓輸電線路取電平臺的設(shè)計

設(shè)計原理如圖1所示，主要包括架空輸電線路原邊線圈、取電平臺副邊線圈、AC/DC整流模塊、DC/DC直流變換模塊、無人機(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)潆娐罚瑹o人機(jī)充電端包括無人機(jī)備用電池浮充模塊和無人機(jī)直充接口。從架空線桿塔上的工頻輸電線路上取電，通過降壓傳至無人機(jī)補(bǔ)電平臺為無人機(jī)供電，解決了無人機(jī)在電力線路巡檢工作時續(xù)航不足的技術(shù)問題，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線取電，有線取電具有取電效率高的優(yōu)點(diǎn)，無線取電具有安全性高的優(yōu)點(diǎn)，本文主要以無線感應(yīng)電取電為研究對象。

圖1 設(shè)計框圖

3 算例分析

3.1 取電端場路耦合仿真

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 場路耦合電路圖

圖3 線圈結(jié)構(gòu)圖

圖4 電磁場強(qiáng)度仿真圖

兩線圈大小一樣（即原邊線圈、副邊線圈，無鐵芯，各為1匝），兩者相距100 mm，為銅線圈材料；每個線圈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 %，該電壓將通過電壓變換技術(shù)轉(zhuǎn)換為無人機(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。故在平臺設(shè)計時有必要對線圈進(jìn)行優(yōu)化，本文對線圈進(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]。模型通過采樣環(huán)節(jié)得到所需電壓信號，再與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后通過閉環(huán)控制器得到反饋信號，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，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)時間，Toff為開關(guān)斷態(tài)時間，D0為占空比值。

由圖10可知，通過占空比調(diào)節(jié)輸出電壓控制為5 V，即無人機(jī)充電電壓。通過調(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

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