磁耦合谐振式无线电能传输技术在电力系统中的应用

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20118

摘要/Abstract

摘要：

无线电能传输(wireless power transfer，WPT) 技术能够以无线的方式传输电能，与传统输电方式相比优势明显。在电力系统无人化、智能化的趋势下，采用磁耦合谐振式无线电能传输技术有助于解决电力系统智能化设备的无线供电问题。介绍了磁耦合谐振式无线电能传输技术在电力系统中的几种应用场景，分别是电动汽车无线充电技术、变电站电力巡检机器人无线充电系统和线路巡检无人机无线充电系统，从系统结构出发，对最近研究成果进行对比分析，认为在充电效率、大功率充电、系统稳定性以及双向无线电能传输方面仍然存在研究空间，并对未来的研究方向提出建议。

关键词: 无线电能传输(WPT), 电力系统, 磁耦合谐振

Abstract:

Wireless power transfer (WPT) can transmit electric wirelessly. It performs better under some paticular circumstances compared with the traditonal transmission mode. In the trend of building a smarter power system, the vast majority power supply problem of these smart equipments can be solved by using magnetic coupling resonant WPT. This paper introduced several possible application of magnetic coupling resonant WPT in power system, including the electric vehicle (EV) wireless charging system, substation power inspection robot wireless charging system and unmanned aerial vehicle (UAV) wireless charging system. Starting from the structure of the system, this paper compared and analyzed the recent research results, and drew conclusions finally. There still exists some issues to be settled in terms of charging efficiency, high-power charging, system reliability and double-direction WPT. At the end of this paper, several suggestions were proposed.

Key words: wireless power transfer (WPT), power system, coupled magnetic resonance

中图分类号:

TK 01

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图/表 18

图1 圆形、矩形、双D形磁耦合线圈

Fig. 1 Circle, rectangular and double-D coil of WPT

图 2 DDQ线圈结构图

Fig. 2 Structure of DDQ coil

表 1 不同谐振拓扑输出电压电流特性

Tab. 1 Output voltage and current characteristics of different resonant topologies

接收端谐振拓扑	输出电压	输出电流
串联	$π U R L 22 ω M$	$22 U π ω M$
并联	$π U L 2 22 M$	$22 U L 2 π M R L$

表 1 不同谐振拓扑输出电压电流特性

Tab. 1 Output voltage and current characteristics of different resonant topologies

接收端谐振拓扑	输出电压	输出电流
串联	$π U R L 22 ω M$	$22 U π ω M$
并联	$π U L 2 22 M$	$22 U L 2 π M R L$

图3 谐振拓扑

Fig. 3 Resonant topology of WPT

图4 电动汽车无线充电模型

Fig. 4 Model of EVWCT

图5 无线充电车内人体器官磁场与电场强度图

Fig. 5 Intensity diagram of magnetic field and electric field of human organs in wireless charging vehicle

图6 无线V2G电路拓扑图

Fig. 6 Circuit topology of wireless V2G

图7 无线充电系统试验段鸟瞰图

Fig. 7 Aerial view of wireless charging system

图8 电力巡检机器人无线充电系统电路拓扑

Fig. 8 Circuit topology of wireless charging system for electric inspection robot

图9 双层矩阵式线圈

Fig. 9 Double layer matrix coil

图10 谐振式无功屏蔽线圈电路拓扑

Fig. 10 Circuit topology of resonant reactive shielding coil

图11 对称分裂电感电容电路拓扑

Fig. 11 Topology of symmetrical split inductor capacitor circuit

图12 安装双接收线圈的变电站巡检机器人

Fig. 12 Substation inspection robot with double receiving coils

图 13 变电站巡检机器人无线充电系统示意图

Fig. 13 Schematic diagram of wireless charging system for substation inspection robot

图 14 变电站巡检机器人无线充电系统现场图

Fig. 14 Field diagram of wireless charging system of substation patrol robot

图15 巡检无人机线圈布置示意图

Fig. 15 Coils layout of UAV

图16 无线充电平台耦合装置磁路

Fig. 16 Magnetic circuit of coupling device of wireless charging platform

图17 布置于杆塔顶端的巡检无人机无线充电平台

Fig. 17 Wireless charging platform for UAV arranged at the top of tower

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