基于諧振耦合式無線供電技術(shù)在配電設(shè)備中的應(yīng)用研究

閆承山，劉德坤，劉凱樂，張立軍，李 昕，錢葉牛，郭 琦

（國網(wǎng)北京通州供電公司，北京 101101）

0 引 言

在10 kV配電網(wǎng)領(lǐng)域，使用著大量的10 kV柱上配電開關(guān)設(shè)備和10 kV環(huán)網(wǎng)柜配電開關(guān)設(shè)備，而這些配電開關(guān)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)配電自動化功能，需要與配電終端組成成套設(shè)備。配電成套設(shè)備的一個重要組成部分就是10 kV電源電源電壓互感器（Potential Transformer，PT）。10 kV電源PT通過有線電纜與配電終端連接，將交流10 kV電壓降為交流220 V電壓為配電終端提供工作電源，與配電終端之間采用有線電纜連接的方式為配電終端提供工作電源。10 kV PT故障時，一、二次繞組擊穿將會造成終端設(shè)備通過電源電纜高壓帶電，運(yùn)行維護(hù)存在較大人身安全問題。此外，采用10 kV電源PT有線供電方式，接線較為復(fù)雜，維護(hù)不方便，而采用無線供電方式，維護(hù)簡單方便。因此，采用無線供電方式取代有線電纜連接供電方式，將極大提高配電設(shè)備的運(yùn)行可靠性和維護(hù)便利性。

1 無線供電系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于諧振耦合式無線供電技術(shù)的短距離無線供電系統(tǒng)由無線供電發(fā)送模塊和無線供電接收模塊兩部分組成，兩個模塊配合實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸，總體電路組成如圖1所示。無線供電發(fā)送模塊主要由整流模塊電路、高頻逆變電路以及發(fā)射線圈等部件組成，用于將電能轉(zhuǎn)換為磁場能并通過無線磁場耦合方式進(jìn)行能量發(fā)送傳遞。無線供電接收模塊主要由接收線圈、整流模塊電路及電源管理等部件組成，用于接收磁場能并轉(zhuǎn)換成電能，并實(shí)現(xiàn)直流電源輸出管理功能[1-3]。

圖1 短距離無線供電系統(tǒng)組成

無線供電系統(tǒng)的設(shè)計主要包括輸入整流模塊的研制、高頻逆變電路設(shè)計、無線供電收、發(fā)送線圈研制以及輸出諧振整流模塊研制。首先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，確定無線供電系統(tǒng)的功率、效率、傳輸距離等指標(biāo)，進(jìn)行理論計算和模型仿真，確定無線供電系統(tǒng)輸入整流模塊、高頻逆變電路、發(fā)送線圈、接收線圈、輸出諧振整流模塊各項功能與性能指標(biāo)。其次根據(jù)各模塊功能和性能指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)模塊研制。最后將各模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，根據(jù)綜合測試結(jié)果對各模塊進(jìn)行修正設(shè)計[4-7]。

1.2 輸入整流模塊設(shè)計

整流模塊將220 V交流電轉(zhuǎn)換成電壓和電流可調(diào)的48 V直流電。該模塊電路包括EMI濾波電路、不可控整流電流、Boost PFC電路、半橋LLC諧振變換電路、同步整流電路以及輸出濾波電路。其中，EMI濾波電路采用LCL結(jié)構(gòu)，用于濾除工模和差模噪音。不可控整流采用GBU806型號的整流模塊，將交流電變換成電壓不可控的直流電。功率因數(shù)校正設(shè)計中，Boost PFC電路采用L6563控制芯片，使電路工作在過渡模式（Transition-Mode，TM），實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，降低輸入電流畸變率。配合EMI濾波電路可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，輸入電流諧波含量小于5%。PWM變換中，半橋LLC諧振變換電路將大于300 V的直流電變換成高頻脈沖波，并通過隔離變壓器轉(zhuǎn)換成100 V左右的高頻脈沖波。該電路采用L6599D控制芯片，使半橋電路在半載到滿載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，降低開關(guān)損耗。整流變換中，同步整流和輸出濾波電路是將100 V左右的高頻脈沖波變換成平滑的48 V直流電。同步整流使用TEA1761控制芯片，實(shí)現(xiàn)同步整流開關(guān)管的自驅(qū)動，降低整流電路的損耗。

1.3 高頻逆變電路設(shè)計

高頻逆變電路主要是將輸入整流模塊輸出的直流電壓逆變?yōu)楦哳l正弦波。通常采用E類功率放大電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變功能，根據(jù)電流、電壓不同時出現(xiàn)的原理設(shè)計，理論的效率可以達(dá)到100%，實(shí)際的效率可以做到95%。E類功率放大電路拓?fù)淙鐖D2所示，其中L0為扼流電感，C0為包括開關(guān)管S的寄生電容和外加電容，電感L1、電容C1以及電阻R組成諧振網(wǎng)絡(luò)[8-10]。

圖2 E類功率放大電路拓?fù)?/p>

本文采用改進(jìn)型逆變電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。為了使發(fā)射線圈能夠高效率地傳遞能量給接收線圈，并使MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，發(fā)射線圈和調(diào)諧電容（C2）諧振時的頻率f1，發(fā)射線圈、調(diào)諧電容（C2）與緩沖電容（C1）諧振時的頻率f2，接收線圈和調(diào)諧電容（C3）諧振時的頻率f3，MOSFET開關(guān)管的開關(guān)頻率fs應(yīng)滿足f1＜f3=fs＜f2。而且f3越接近f1，能量無線傳輸?shù)男试礁摺?/p>

圖3 高頻逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.4 發(fā)送、接收線圈設(shè)計

根據(jù)磁耦合線圈諧振電路的不同補(bǔ)償方式，分析補(bǔ)償?shù)囊雽ο到y(tǒng)端口特性的影響，結(jié)合配電終端無線供電的特點(diǎn)獲得最佳補(bǔ)償電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時考慮磁耦合線圈相對位置的影響，獲得收、發(fā)線圈縱向位移、橫向位移以及角度位移的耦合效率曲線，并最終確定無線充電系統(tǒng)的最佳耦合位置。

對無線充電系統(tǒng)中磁耦合線圈的損耗進(jìn)行分類評估，建立準(zhǔn)確的線圈損耗模型，獲得描述負(fù)載有功功率、線圈傳導(dǎo)損耗、線圈輻射損耗、開關(guān)損耗、鐵新材料損耗及附加損耗的能量函數(shù)。最后根據(jù)線圈結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計線圈繞制方式及環(huán)氧樹脂澆注方案。

1.5 輸出諧振整流模塊設(shè)計

無線供電接收模塊包括接收線圈和整流模塊，用于接收磁場能并轉(zhuǎn)換成電能實(shí)現(xiàn)直流電源輸出管理功能。整流模塊由不可控高頻整流電路和Buck-Boost DC-DC變換器及其電源管理電路組成，將接收線圈輸出的交流電變換成48 V直流電，通過電源管理電路實(shí)現(xiàn)恒壓輸出、過流和短路保護(hù)，輸出電壓精度小于1%。Buck-Boost DC-DC變換器采用P036T048T12AL模塊，采用電壓和電流雙環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)恒壓輸出與限流功能。

2 系統(tǒng)運(yùn)行測試

系統(tǒng)主要模塊設(shè)計完畢后，將各模塊連接起來，應(yīng)用在10 kV環(huán)網(wǎng)柜單元中，最終向配電終端DTU等配電設(shè)備無線供電。在環(huán)網(wǎng)柜PT室內(nèi)增加無線供電電能發(fā)送模塊，配電終端室內(nèi)增加無線供電電能接收模塊，配電終端室與PT室之間采用環(huán)氧樹脂固體絕緣隔離，提供無線供電傳輸通道。

2.1 負(fù)載變化對系統(tǒng)影響的分析

線圈距離為30 cm，輸入電壓頻率為50 Hz，采用電子負(fù)載的恒流模式，測試結(jié)果如圖4所示。在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定，波動范圍為0.1 V，輸出電壓誤差＜0.4%。當(dāng)負(fù)載電流大于1 A，即半載以上時，效率大于50%，最高效率達(dá)到65%。

圖4 效率和負(fù)載的關(guān)系

2.2 線圈橫向距離對系統(tǒng)影響的分析

輸入電壓固定，頻率為50 Hz，采用電子負(fù)載的恒流模式，線圈距離按橫向變化，如圖5所示。測試結(jié)果如圖6所示，線圈距離在34 cm內(nèi)最大輸出功率為101 W，效率大于60.8%，輸出電壓穩(wěn)定，誤差＜0.2%。總體而言，效率隨著線圈距離的增大而減小。

圖5 線圈距離按橫向變化

圖6 效率、輸出功率與線圈橫向距離的關(guān)系

2.3 線圈縱向錯開距離對系統(tǒng)影響的分析

輸入電壓固定，頻率為50 Hz，采用電子負(fù)載的恒流模式，線圈距離按縱向變化，如圖7所示，測試結(jié)果如圖8所示，線圈距離在10 cm內(nèi)最大輸出功率為101 W，效率大于63.3%，輸出電壓穩(wěn)定，誤差＜0.23%。效率隨著線圈距離的增大而減小。當(dāng)線圈距離大于10 cm時，DC-DC變換器（接收模塊的Buck-Boost DC-DC變換器）的輸入電壓和最大輸出功率均隨著線圈距離的增大而減小，這與高頻逆變電路的功率傳輸能力有關(guān)，而高頻逆變電路的功率傳輸能力又與其輸入電壓和發(fā)送線圈的諧振頻率有關(guān)。當(dāng)提高高頻逆變電路的輸入電壓時，可以提高系統(tǒng)的輸出功率，但是高頻逆變電路的開關(guān)管和發(fā)送線圈的調(diào)諧電容的電壓應(yīng)力相應(yīng)增加，需要折中設(shè)計，或者通過增加發(fā)送線圈的諧振頻率使其接近高頻逆變電路的工作頻率，從而提高DC-DC變換器的輸入電壓和輸出功率，代價是空載時損耗增加。當(dāng)線圈距離達(dá)到30 cm時，輸出功率為零，這是因?yàn)镈C-DC變換器的輸入電壓已降到其欠壓鎖定值，故無輸出。

圖8 效率、輸出功率與線圈縱向距離的關(guān)系

3 結(jié) 論

基于諧振耦合式無線供電技術(shù)設(shè)計了一種在配電環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備中應(yīng)用的無線供電系統(tǒng)，試驗(yàn)分析了負(fù)載變化、發(fā)送和接收線圈變化對無線供電系統(tǒng)輸出功率以及輸出電壓等傳輸特性的影響。本文研究方法為配電設(shè)備高效率和大功率無線供電提供了理論依據(jù)與試驗(yàn)參考。