电力系统中无线电能传输的技术分析

1、第卷第期西南大学学报（自然科学版）年月文章编号：（）电力系统中无线电能传输的技术分析魏红兵，王进华，刘锐，隆民畅重庆市电力公司北碚供电局，重庆；畅西南大学电子信息工程学院，重庆摘要：总结了技术应用于电力系统用时遇到的各种问题：电磁感应和近场谐振式无线电能传输的最大缺点是传输距离近；辐射式无线电能传输距离远，但需要研制具有极高方向性的定向天线提出高效、高功率微波转换单元和高性能天线，是未来无线电能传输主要的研究方向同时，无线电能传输与环境的兼容性也是需要重点考虑的问题关键词：电力系统；无线电能传输；电磁感应；谐振；辐射；近场；天线中图分类号：文献标识码：传统电能的传输主要是依靠电力系统的输电线路

2、，在复杂环境下，输电线路经常出现各种事故，严重时甚至影响到国计民生的稳定而采用无线输电技术（）可以避免很多灾害对电力系统的侵扰所谓的就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术在能源、通信、军事等领域有广阔的应用前景，因此具有极高的科研价值目前，美国、日本、英国和中国香港的一些大学、公司都进行了系列的研究，主要应用于太阳能卫星（）的能量输送、高空通信监测平台（）的能量输送以及无线充电等日常生活中的各种电能的输送和接入方面电力系统研究现状图非接触式电能传输系统原理图畅电磁感应式变压器是原副边线圈都缠绕在同一个铁芯上，使得原副边供电不是很灵活为此，国内外对变压器原副边绕组间的铁芯部分用空气或其他

3、介质代替，增加了电力传输的灵活性，并可应用于不同的场合目前，电磁感应式在电力系统中比较成功的应用是非接触式电能传输（图）非接触式电能传输就是利用电磁感应耦合技术、电力电子技术和现代控制技术实现的电源侧与负载侧完全分离的电能传输技术，它避免了传统电能传输方式中裸露导体的存在和接触火花的产生，克服了传统电能传输方式在一些特殊环境如易燃易爆、水下等场合存在的弊端，实现了电能安全可靠地传送此种技术相对较成熟，在传输功率上也比较容易获得突破，但传输效率还不高，而且传输距离很短，基本需要贴在一起，因此只适合在局部电网中应用这种输电方式其实是利用了变压器磁耦合的原理，由原线圈通入电流，产生变化的磁通，然后在

4、副线圈内激起感应电动势，从而实现电能的无线化传输收稿日期：基金项目：西南大学博士基金资助项目（）作者简介：魏红兵（，男，四川雅安人，高级工程师，主要从事电力系统的研究通讯作者：王进华，副教授，博士畅近场谐振式近场谐振技术是在最新的研究成果在库仑定律中，电场的强度与电荷之间的距离的平方成反比不过，这里设想的只是“点状电荷”发出放射状电力线时的简单模型然而对于实际的电子，点状电荷的设想并不现实，在普遍情况下，电荷会分布在一定的范围内并发出电场这时，电场的“组成”含有多个强度成分其中包括强度与距离的平方成反比的成分、与距离的立方成反比的成分，以及与距离的四次方、五次方等高次方成反比的成分高次方成分的

5、比例是由电荷分布的形状和复杂性决定的，也会受到角度的影响这些场的高次方成分就构成了“近场”场立方以上的高次方成分会随着与电荷距离的增加迅速减弱但是，在距电荷较近的位置，有时会强于平方成分一般来说，天线的电荷分布并非静止，而是随时间变化，因此会产生电磁波电磁波与电场和磁场中平方成分的时间变化密切相关另一方面，近场的高次方成分会发生时间变化，但不会向远处传播也就是说，在距天线较近的位置，存在是无线介质但并非电磁波的电场和磁场在此之前，电磁波早已达到了实用水平，并与谐振技术一起用于通信技术与之相反，近场及其时间变化成分不仅没有得到利用，还被当成了电磁干扰的主要原因之一，成为抑制对象如果除去电磁感应使

6、图研究的演示用的线圈产生的磁场，对于电子学来说，近场曾经是一个盲点的助理教授马林索尔贾希克（）和他的研究小组成功应用电磁近场理论，在实验中使用两个直径的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在产生谐振，从而成功点亮了距离电力发射端以外的一盏灯泡（图）的电力传输系统乍一看是一种基于电磁感应的电力传输，实际上却融合了近场谐振技术，与电磁感应完全不同这种电力传输系统可以发出强度与贯穿线圈内部的磁通量变化幅度成正比的电动势，传输的电力远远超过法拉第电磁感应定律使用基于电磁感应的非接触电力传输时，利用圈数为数百的线圈并且缠绕紧密，才能勉强在数毫米的距离上得到超过的传输效率而索尔贾希克的系统在进行传输时效率约

7、为距离为时更是实现了令人震惊约的高效率作为天线的线圈也只是随便缠绕的圈粗铜线可见，与电磁感应不同，近场谐振技术并不单纯依靠磁通量强度取胜畅辐射式辐射式技术是依靠先进的定向天线收发微波束能量，在接收端依靠高性能接收和整流技术，实现较远距离的无线电能传输这种目前在距离很远，例如高空能量输送平台（）中可以得到很好的应用特别是在现代空间太阳能发电的构想太阳能发电卫星（）中，此技术被用作将太空中太阳能用微波辐射发送回地球，再由接收天线接收转换并二次辐射给其他基站，永久的为人类提供能源辐射式能实现远距离的电能传输，因此始终是研究的焦点电力系统中的关键技术从上面可以看出，在电力系统中应用技术，必须要考虑功率

8、、效率等因素，为此相应的关键技术也是我们研究的重点要使得微波能够有效的传输，必须保证发射天线能够发射方向性很集中、增益相对较高、信号的传输距离较远、抗干扰能力比较强、适合于远距离点对点传输的微波对于电力系统中的，除了需要优良的天线性能以外，还需要大功率的微波源，而发射天线将大功率微波能量发送出去此外，接收天线接收到高功率微波后，必须将其转化为基础的直流电，也必须有相应的高效设备畅高性能天线畅畅近场天线通过对近场谐振式理论进行的研究发现，两个电磁线圈之间在一定条件下会产生渐消的磁场形式几乎不向外辐射的高次方磁场，发射和接收线圈彼此处于对方的这种近场内，即可以形成磁场强耦合目前的研究结果表明在几米

9、的距离传输电网中的电力是可行的，而且比电磁感应式效率更高，也更加灵活根据电磁场理论，近场的范围受辐射天线尺寸的限制，与其成正比关系，近场谐振式无线电能传输的距离也与天线尺寸成正比畅畅高方向性天线一八木（）天线 图八木天线示意图图抛物面反射天线示意图八木宇田天线简称八木天线通常情况下一副八木天线有引向器、反射器、有源振子组成八木天线如图所示八木天线的增益目前只有，发散性还是比较强，目前还无法胜任远距离无线电能传输畅畅高方向性天线二反射面天线以图中抛物面反射天线为例它的工作原理与光学反射镜相似，是利用抛物反射面的聚焦特性抛物面直径和工作波长之比越大，则波束越窄，其半功率点宽度为：畅（°&

10、#176;）（）并且，天线增益与天线开口面（口径）几何面积成正比，而与波长平方成反比反射面天线的增益通常可以做到，甚至更高根据已有资料可知，对于反射面天线，现在可以将辐射功率的甚至更多包含在天线辐射方向图的主瓣中，因此这种天线可以作为我们需要的远程天线对于接收天线接收到的功率，有如下公式：（）（）（）式中假定发射和接收天线彼此都朝对方指向得到最大增益其中，为接收天线接收到的功率，为发射天线发射出来的功率，为发射天线的增益，为接收天线的增益，为微波的波长，为发射和接收天线之间的距离，为发射天线的有效口径，为接收天线的有效口径，表达式为：（）这里值得注意的是，天线的有效口径通常要比天线的物理口径小

11、（）式称为传输公式由公式可知，接收天线接收到的功率与发射天线的功率成正比，与天线的增益成正比，与距离的平方成反比由此，可以通过提高增益来增加接收到的功率，而且发射和接收天线都可以影响接收功率这种天线在应用中，关键是要把它们的主瓣宽度限制的很狭窄，这就需要寻找极大增加天线增益的方法畅微波源目前针对大功率的微波源有如下器件：）磁控管：磁控管的典型效率值为，平均功率为数千瓦，曾经制造过高达的连续波磁控管）放大链发射机：放大链发射机与磁控管的根本不同在于，将低电平通过多级射频放大器后放大，其效率与磁控管类似）射频放大管：比较成功的管型有速调管、行波管、正交场管和三极管、四极管等其中，速调管的平均功率最

12、大可达，效率在，是最可靠的一种管型）固态微波放大器：由于单个固态器件的输出功率是相当有限的，所以，在发射机中，从高功率的速调管、行波管、正交场放大管和磁控管到固态器件的转换速度是比较缓慢的其效率只有左右从上述器件可知，目前的微波源在功率和效率方面都还不能满足电力系统的挂网经济运行要求图等效电路图畅微波接收整流设备现在比较成熟的微波接收整流解决方式即为硅整流二极管天线（的简称，见图），它是由一个天线及高频整流电路所构成，高频整流电路能够将微波信号经由肖特基势垒二极管（）整流成直流电源作为无线功率传送研究的开端，目前发展出的的有畅和畅频段，能够有效的将射频能量转成直流电源，以供充电或变频使用电力系

13、统中技术的研究方向畅核心技术在天线研究方面，深入探索近场和近场天线理论，研制更有效、覆盖范围更远的近场天线，将是把近场谐振式在电力系统广泛应用的基本前提而对于辐射式，发展阵列天线则是比较好的选择阵列天线是一个由大量相同辐射单元组成的孔径，每个单元自相位和幅度上是独立控制的能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向对笔形波束而言，辐射单元个数与波束宽度的关系为（）或（）式中，是以度为单位的波束宽度由此式可以知道，增加天线阵的单元个数，就可以减小主瓣波束的宽度当波束指向孔径法线方向时，相应的天线增益为（）式中，计入由天线损耗和由于单元不等加权带来幅度分布不均而产生的增益下降通过调节天线阵的组合形式，达

14、到辐射微波高的方向性在微波源方面，必须满足两个条件：一是要提高产生微波的功率这需要研究更高功率的真空微波放大器，并寻求高效的固态微波放大器，还可以通过功率合成的方式达到高功率要求；二是要提高微波源的效率研究高效率微波源是在电力系统应用的瓶颈问题对于硅整流二极管，则要在电力电子技术基础上，提高其效率和功率容量畅环境的兼容性在设计中，所选择的频段是必需自由的，像畅和畅，它们都是属于波段（，），使用此类波段的主要原因第一是免费，第二是能免于去干扰到别人的通讯信号除此之外，我们还要对大功率微波对环境和身体健康可能造成的影响进行研究，需保证如下方面：（）传输微波能流密度不能对电离层产生明显扰动；（）必须保证不干扰日常通信；（）地面整流接收站不能对飞机等交通工具及周围的生物体（如鸟类、居民等）产生不良作用结论综上可知，在电力系统中应用面临如下问题：（）各种天线传输的距离都太近，还无法实现长距离输电这需要研制覆盖较远距离的近场天线和极高方向性的定向天线；（）微波能量与电能的相互转换效率太低，还不能满足电网运行的经济要求（）微波源的功率还不够电力系统的庞大功