磁耦合諧振式無線電能傳輸技術在電力系統中的應用

江炳蔚，魏斌，何浩，蔣成，吳曉康

（中國電力科學研究院有限公司，北京市 海淀區 100192）

0 引言

無線電能傳輸(wireless power transfer，WPT)技術指的是利用磁場、電場、微波、激光等媒介，采用非接觸的方式進行電能傳輸的一種技術。無線電能傳輸技術無需在供電端與受電端之間連接電纜，提升了設備的靈活性與安全性，在礦井、水下等場景下有著廣闊的應用前景。在這些無線電能傳輸技術中，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術發展較為成熟，應用較為廣泛。

為應對互聯大電網的發展方向，當前電力系統正趨向無人化、智能化發展[1-5]。其中明顯變化是智能電力巡檢設備的使用，例如變電站巡檢機器人[6]、電力線路巡檢無人機[7]等。受限于目前電池與儲能技術，續航問題一直是限制智能化設備發展的瓶頸。傳統“有線供電+蓄電池”的供電方式不僅限制了設備的使用半徑，且充電時容易產生接觸火花，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應用于電力系統中，解決電力系統智能化設備的無線供電問題。

從交流電之父特斯拉開始，人類對于無線電能傳輸的研究從未停止，吸引了來自新西蘭奧克蘭大學、美國麻省理工學院、韓國科學技術研究院等國外研學者，以及重慶大學、哈爾濱工業大學、東南大學、西南交通大學、中國科學院大學、中國電力科學研究院等國內研究團隊對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的進一步研究[8]。

在國內外的相關文獻中，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術也被稱為感應式無線電能傳輸技術。該技術利用高頻電磁場進行電能傳輸，具有傳輸距離遠，抗偏移性能好、環境適應性強等特點，在電動汽車、巡檢機器人、巡檢無人機等電力系統智能化設備中應用場景廣泛。經過近幾年的發展，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術從短距離(幾十毫米級)、小功率(百瓦級)開始，已經發展到中距離(幾百毫米級)、中功率(10 kW級)階段，在傳輸距離和傳輸功率上已經能滿足多種無線電能傳輸應用的需求。

本文對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術在電力系統中的應用進行簡要介紹，在對比歸納總結現階段的研究成果的基礎上，分析技術的發展趨勢，并對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概述

磁耦合諧振式無線電能傳輸依據電磁感應原理，其電能傳輸具有一定的導向性，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主要包括發射端整流電路、逆變電路、發射端諧振補償電路、磁耦合線圈、接收端補償電路、接收端整流電路、負載和控制電路等。

1.1 磁耦合線圈

在線圈的傳輸過程中，由于漏磁的存在，會導致傳輸效率的下降。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。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構簡單，制造較為容易，是常見且應用較為廣泛的線圈形狀。線圈的形狀決定了其應用場景，一般來說，圓形線圈用于接收端，矩形線圈用于發射端[10-11]。而雙D形線圈空間中的磁感應強度整體較大，有利于能量的傳輸，一般應用于發射端。雙D 形線圈漏磁要比圓形和矩形線圈小，文獻[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，對系統效率提升具有重要的意義，但相較其他類型線圈而言，結構稍顯復雜，制作成本較高。

圖2 DDQ線圈結構圖Fig.2 Structure of DDQ coil

1.2 諧振網絡

諧振電路是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統中控制諧振頻率的部分，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的發射端和接收端都設置有諧振電路，處于磁耦合狀態發射端和接收端的諧振電路在同一特定頻率下都發生諧振。諧振電路拓撲多種多樣，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]。不同諧振拓撲輸出電壓電流特性如表1 所示，其中U為WPT系統輸入電壓，M為原副邊磁耦合機構的互感，ω為系統諧振角頻率，L2為接收端磁耦合機構自感，RL為等效負載。

從表1 可以看出，接收端的諧振電路拓撲決定了無線電能傳輸系統的輸出特性。接收端諧振拓撲為串聯型，輸出特性為恒流源特性；諧振拓撲為并聯型，輸出特性為恒壓源。

表1 不同諧振拓撲輸出電壓電流特性Tab.1 Output voltage and current characteristics of different resonant topologies

除了4種基本拓撲外，還存在LCL型、LCC型等復合型拓撲，如圖3 所示。LCL 型拓撲能實現輸出電流與負載的解耦，同時避免二次側發生短路故障時對一次側造成的過電流問題。LCC 型拓撲可以隔離電源側的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化[15-16]。

圖3 諧振拓撲Fig.3 Resonant topology of WPT

在選擇補償電路拓撲時，要綜合考慮系統的實際需求，選擇適合的補償電路。

2 電動汽車無線充電技術

2.1 電動汽車無線充電模型

近幾年，電動汽車(electric vehicle，EV)迅速發展，其與電網之間的互動越發密切。目前電動汽車充電時與電網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，導致事故。為解決這一問題，研究出電動汽車無線充電技術(electric vehicle wireless charging technology，EVWCT)，如圖4所示。

圖4 電動汽車無線充電模型Fig.4 Model of EVWCT

2.2 系統基本結構

總體上看，EVWCT 的電路拓撲與基本的磁耦合諧振式無線電能傳輸拓撲相差不大，但在某些細節方面尚未形成統一標準。

在諧振電路的選擇上，文獻[17]根據電池的充電曲線對車載端諧振拓撲改進，在充電的不同時間采用不同的諧振拓撲。該方法符合電池充電規律，保護電池壽命。

系統的控制方式分為單邊控制和雙邊控制[18]。文獻[19-20]給出一種雙邊控制的方案，車載端實現對輸出電流的控制，地面端實現對線圈電流的控制。文獻[21]建立EVWCT動態解耦控制系統數學模型，通過計算因子實現解耦占空比對充電功率的控制。這2 種控制方案從電路模型和數學模型2 個角度實現對充電功率的控制，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，成為V2G的理論依據。

為保證EVWCT 的安全運行，減少對生物與環境的影響，系統中應該包含4 項輔助功能：金屬異物檢測、生物體檢測[22]、引導入位以及偏移檢測[23]。文獻[24-27]對輔助功能進行深入研究，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，構成EVWCT 的輔助檢測系統。

2.3 電磁輻射

WPT產生的高頻磁場會對周圍的環境產生一定量的電磁輻射，作為一項民用技術，必須解決電動汽車無線充電電磁輻射對使用者的影響。

文獻[28]在仿真軟件COMSOL 中對人體進行建模，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肺部的影響最大。研究[29-31]發現，電動汽車在進行無線充電時，車內的電磁輻射水平均在國際標準規定的輻射值以下，符合國際標準。

圖5 無線充電車內人體器官磁場與電場強度圖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汽車無線充電表現的一個重要參數。在電動汽車無線充電系統中，電力電子裝置的損耗、線圈內阻以及線圈之間的傳輸損耗是影響充電效率的重要原因。

在國家標準中，規定電動汽車無線充電的效率不低于85%，目前在實驗室的條件下，電動汽車無線充電的效率最高可達94%。文獻[27]采用數學模型變換，探討了系統電能傳輸效率關系，通過改變接收線圈之間的距離，減少動態無線充電系統中的漏磁，提升了電動汽車無線充電系統的效率。文獻[32]中設計了高效率E 類逆變電源，E 類逆變器結構中具有諧振電路，使開關管易實現零電壓導通，能夠實現較高的充電效率。

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，能夠進一步提升無線充電系統的充電效率，實現高效率的電動汽車無線充電。

2.5 無線V2G技術

普通的EVWCT 中能量由電網單向傳輸到EV，但隨著智能配電網相關技術的發展，EV 與電網之間可實現功率的互動。車到網(vehicle to grid，V2G)利用電網調控技術將EV并入電網，可在低用電負荷時，將電能傳輸給閑置電動汽車；在高用電負荷時，把電能從電動汽車回饋到電網，提升電網供配電系統的靈活性和電能的有效利用[33-35]。典型無線V2G電路拓撲如圖6所示。

圖6 無線V2G電路拓撲圖Fig.6 Circuit topology of wireless V2G

文獻[36-37]提出了基于模糊控制的改進比例諧振控制技術，提高V2G 系統的靜態和動態性能。文獻[38-39]從實際電網結構出發，建立微電網模型，研究V2G電動汽車并網后的使用場景和對電網的影響。

EVWCT 與無線V2G 技術實現了電網與電動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 工程化應用

中國電力科學研究院在國家電網科技項目的支持下，在河北省張北縣建設了電動汽車無線充電系統試驗段。試驗段全長數百米，包括直道、彎道、特殊路段等共7段移動式無線供電導軌，2段靜態充電位、電力變換單元和監控設備，如圖7所示。該系統以工程化、模塊化為設計主導思想，設計了新型“工”字型導軌線圈，提高系統的抗偏移特性與充電效率的穩定性。系統在受電端為規避單相受電端結構存在的功率傳輸零點問題，設計了雙相DQ 結構，采用上下堆疊結構，保證移動式無線充電系統中能量傳輸的穩定性。

圖7 無線充電系統試驗段鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of wireless charging system

試驗段包括了一段常規移動式無線充電路段、一段移動式無線充電特殊路段以及2 個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，移動式無線充電最高速度為60 km/h.

經過測試得出，在車輛行駛速度為40 km/h的情況下，系統總體效率維持在76%，車輛的行駛速度每增加10 km/h，系統效率下降約1%。經測量，車內磁場強度為0.55 A/m，遠小于國際標準限值。

3 變電站巡檢機器人無線充電系統

隨著變電站規模的逐漸擴大以及變電站無人值班制度的實行，變電站巡檢機器人投入使用。變電站巡檢機器人按照預先設定的軌跡自動對變電站進行巡檢，輔助運維人員掌握變電站的工作狀況。

變電站巡檢機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接，頻繁地對接、脫離容易造成插頭磨損，導致接觸不良。變電站巡檢機器人在工作6 h后，需返回充電，充電時間達8 h[40]。在巡檢期間需要對機器人進行多次充電，嚴重占用巡檢機器人工作時間[41-42]。

3.1 系統基本結構

電力巡檢機器人無線充電系統采用動態無線充電方式，其中的一種結構是將傳統的兩線圈式改造為四線圈式，即在發射線圈和接收線圈之間加入了2 個中繼線圈，增加傳輸距離，如圖8所示。

圖8 電力巡檢機器人無線充電系統電路拓撲Fig.8 Circuit topology of wireless charging system for electric inspection robot

在無線電能傳輸系統中，要求原邊與副邊線圈盡量對準，但對于電力巡檢機器人來說精度并不能滿足要求。文獻[40]設計了雙層矩陣式線圈供電陣列，矩陣式線圈提升了系統的抗偏移特性，雙層設計避免了磁場分布不均的情況，使得功率傳輸更加穩定，如圖9所示。

圖9 雙層矩陣式線圈Fig.9 Double layer matrix coil

除了保證發射線圈與接收線圈之間的耦合外，針對電力巡檢機器人的強磁場工作環境，需要減少設備之間的電磁干擾。文獻[28]采用主動屏蔽的方式，設置一個與發射線圈和接收線圈同時耦合的無功線圈，如圖10所示。當漏磁通穿過諧振式無功線圈時，產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撲Fig.10 Circuit topology of resonant reactive shielding coil

3.2 系統控制方案

變電站巡檢機器人無線充電系統主要是對逆變器和發射線圈的切換進行精確控制。

逆變器控制的核心在于零電壓開關(zero voltage switch，ZVS)的控制。文獻[43]改變諧振電路的參數，使其略呈感性，保證ZVS的順利進行。但略呈感性的諧振電路會使得開關損耗變大，增加系統的無功功率。文獻[44]在逆變電路中采用GaN 器件并設計對稱分裂電感電容支路，如圖11所示，在提高系統頻率的同時也能夠保證ZVS的進行。但是GaN器件成本較高，經濟性不好。以上方案均在低電磁干擾的環境下適用，而在強電磁干擾環境下的逆變器可靠控制方案還有待進一步研究。

圖11 對稱分裂電感電容電路拓撲Fig.11 Topology of symmetrical split inductor capacitor circuit

為了滿足變電站巡檢機器人“不停站”充電的要求，必須采用動態無線電能傳輸技術，因此需要研究線圈之間的切換問題。文獻[27]采用雙激勵單元，依據算法計算出接收線圈位置，開通相應位置的發射線圈。文獻[45]將多個發射線圈連接到同一個逆變器上，減少了逆變器的重復布置，但對逆變器的性能要求較高。文獻[46]在機器人前部、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，調整接收線圈與發射線圈之間的位置關系，能夠提升巡檢機器人無線充電系統的效率。

3.3 工程化應用

中國電力科學研究院牽頭國家電網科技項目《適用于變電站巡檢機器人的非對稱耦合諧振系統研究》，項目中考慮到110 kV 及以上變電站的工頻高壓電場，模擬了樣機所在變電站中強電磁環境，分析搭載無線充電系統的變電站巡檢機器人在強磁場情況下的適應性。

項目設計了基于多線圈矩陣網絡分布的無線充電系統，采用交錯雙層式矩陣線圈疊加的方式，使得發射平面具有較為均勻的磁場強度分布。無論巡檢機器人以何種方向停在充電區域的何處位置，都能進行高效率的無線充電，如圖13所示。

圖13 變電站巡檢機器人無線充電系統示意圖Fig.13 Schematic diagram of wireless charging system for substation inspection robot

項目研究了非對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矩陣式排布等。設計匹配供電端供電線圈陣列的巡檢機器人充電線圈的結構、尺寸等參數，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(單個供電線圈尺寸的2倍，正好覆蓋4 個小的供電線圈)，線匝寬度為30 mm 的圓角方形螺旋線圈作為巡檢機器人受電線圈。研究采用了高階諧振補償網絡一般模型、非對稱耦合結構網絡補償方式等關鍵參數對無線充電系統能效特性影響關系，最終優化諧振補償網絡參數。實際現場運行如圖14所示。

圖14 變電站巡檢機器人無線充電系統現場圖Fig.14 Field diagram of wireless charging system of substation patrol robot

4 線路巡檢無人機無線充電技術

電網需要定期對電力線路進行巡視檢查，在線路長、地理環境復雜時，一般采用無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)對線路進行巡檢工作。線路巡檢無人機的蓄電池并不大，導致無人機單次巡檢距離較短[47-49]，這樣的巡檢距離難以滿足遠距離輸電線路巡檢需求[48]。

線路巡檢無人機無線充電系統將充電平臺安裝在輸電桿塔上，在巡檢過程中對巡檢無人機及時進行電能補充。

4.1 系統基本結構

相比于普通無線充電的耦合裝置來說，無人機對接收端耦合裝置的體積與重量有嚴格要求，文獻[49]中將耦合裝置放置在無人機起落架底端，如圖15 所示，但小的氣隙容易引起耦合裝置對非對準情況的過度敏感。因此，文獻[49]中也提出了適用于無人機的雙極性耦合裝置，如圖16 所示。相反的電流走向使得發射線圈內部磁場有2 個方向，磁場具有雙極性特性，提高了耦合能力，降低了漏磁。

圖15 巡檢無人機線圈布置示意圖Fig.15 Coils layout of UAV

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

為了確保無人機平穩準確地停在無線充電平臺上，需要在無人機和充電平臺之間建立識別機制，輔助無人機準確停靠在充電區域。文獻[47]提出的解決方案是利用Zigbee無線通信輔助無人機定位，這種方案可行性較高，但易受干擾。文獻[50-51]將無人機路徑規劃與無線充電平臺結合，通過機器學習的方式輔助定位，但方案靈活性不高。

4.2 系統穩定性分析

無人機無線充電平臺布置在高壓輸電桿塔的頂部，高壓輸電線周圍會產生強磁場和強電場，很容易對無線充電平臺內部器件產生干擾。

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。針對不同結構的桿塔，無人機充電平臺的布置方式、輸電線磁場對充電平臺的影響，需要進一步細化研究。文獻[50]中平臺置身于桿塔頂部，如圖17 所示，需要對塔身載荷進行桿塔力學的重新校核與計算，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生的形變。

圖17 布置于桿塔頂端的巡檢無人機無線充電平臺Fig.17 Wireless charging platform for UAV arranged at the top of tower

無人機無線充電平臺需要長期暴露在室外，且充電平臺一般布置在輸電桿塔頂端，在惡劣天氣下極易受影響。室外充電平臺會遇到低溫、高濕、高溫等惡劣環境[51-52]。目前所做的實驗均是在實驗室理想條件下，一旦環境變化，無線充電的表現如何，還需要進一步研究。在戶外的無人機無線充電系統中，無線充電的系統效率將會比實驗室條件下的效率低，因此需要考慮提升無線充電效率的方案。考慮到無人機無線充電系統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，高空的充電平臺易受雷擊，需要對無線充電平臺在雷雨天氣下的可靠性進行研究，同時設計相應的防雷保護方案。

4.3 工程化應用

中國電力科學研究院參與的國家電網科技項目《基于光伏儲能和無線充電的線路巡檢無人機智能續航技術研究》，其預期目標是研制出無人機無線充電平臺樣機，初步確定巡檢無人機無線充電輸出電壓為12 V，充電平臺布置在輸電桿塔頂端。項目需要解決無線充電平臺穩定工作電磁環境判據，給出抑制高壓電磁干擾措施，實現高壓線路工頻與無線充電高頻的電磁兼容，保證無線充電平臺的長期安全穩定運行。

同時，考慮到輸電線路走向與當地地形，需要對巡檢無人機充電平臺的布置進行有效的規劃布局。該項目建立無人機能量需求特性、無線充電平臺能量供給特性與外界環境之間的耦合分析模型，提出無線充電平臺強時空耦合下的容量、數量及空間距離的優化布局方案。

項目目標：充電平臺整體效率達80%以上，研制出基于磁共振無線輸電技術的塔上供電模塊，傳輸距離≥2 m，發射端轉換功率≥200 W。

5 無線電能傳輸的發展與改進

經過多年的研究與發展，WPT的性能和穩定性有了長足的進步。目前，WPT在電力系統中的應用愈加廣泛，江蘇同里建設了一條“三合一”電子公路，其中包含了動態無線充電；中國電力科學研究院與魯能智能技術有限公司合作研發的第六代無線供電式變電站電力巡檢機器人投入使用；由中國電力科學研究院與國網江西省電力公司合作的基于光伏儲能與無線充電的線路巡檢無人機研發成功，即將投入使用。

然而，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術仍然存在著改進的空間。提升磁耦合諧振式無線電能傳輸效率一直是研究領域的熱點問題，可以通過改進無線充電系統的電路拓撲、磁耦合機構、耦合線圈以及控制方式來提升效率。例如對逆變電路拓撲進行改進，采用E 類逆變器，顯著提升了充電效率。

在一些特定的應用場合，對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現。第一，采用模塊化并聯的方案。但是模塊化的結構對控制電路的要求較高，要求保證各模塊觸發脈沖的一致性，否則將會在電路中產生巨大環流，影響設備安全。第二，采用多拾取線圈的方案。但是難以保證多個拾取線圈都能夠以最大效率向發射線圈拾取功率，可能會導致系統效率下降。

與普通應用場景不同，電力系統中的電磁環境比較復雜。首先，電力系統的許多設備(如變壓器、線路等)周圍磁場較強，容易對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統產生影響，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頻率跟蹤WPT系統，通過粒子群優化算法，保證傳輸的平穩性。再者，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統依靠高頻磁場傳輸電能，在傳輸線圈中存在漏磁，可能會對電力系統中的其他設備，特別是通信設備產生干擾。

雙向無線電能傳輸技術為無線充電設備參與到電網調度，實現與分布式微電網的友好融合提供了極大的便利。雙向無線電能傳輸技術可與新能源發電技術、微電網技術結合，將會成為新的研究熱點。

6 結論

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術在近幾年的研究中取得了較大的突破，與電力系統的聯系越來越緊密，應用愈發廣泛。簡要介紹了WPT的部分應用案例，分析了應用方案中的優勢、挑戰與不足。作為一項新興技術，它擁有廣闊的應用前景，但是目前在充電效率、充電功率、系統穩定性、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于無線電能傳輸技術的發展具有重要的意義，提高系統穩定性與電磁屏蔽能力有助于無線電能傳輸技術的進一步推廣。