无线输电关键技术及其应用

程时杰 陈小良 王军华 文劲宇 黎静华

(1.中国电机工程学会 北京 100031 2.武汉大学电气工程学院 武汉 4300723.华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074 4.广西大学电气工程学院 南宁 530004)



无线输电关键技术及其应用

程时杰1,3陈小良1王军华2文劲宇3黎静华4

(1.中国电机工程学会 北京 100031 2.武汉大学电气工程学院 武汉 4300723.华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074 4.广西大学电气工程学院 南宁 530004)

随着科技的快速发展，无线输电技术逐渐引起了国内外的高度关注。首先介绍了无线输电技术的背景及国内外发展现状，然后对我国无线输电技术的发展趋势和应用前景进行了分析，论述了我国发展电磁感应的短距离、磁共振的中距离、微波无线输电技术和飞秒激光长距离无线输电技术的重大科学问题和关键技术，最后针对无线输电技术在我国电力设备制造技术、输电网发展、配电网发展、智能电网和新能源利用方面的研究发展与应用进行了探讨。

无线输电技术 感应耦合 磁共振耦合 微波无线输电 飞秒激光

0 引言

随着社会现代化与电气化程度不断加深，从遍布世界各地的输配电线路网架到为工作和生活中的各类电气设备提供电能，采用金属导线直接连接来进行电能传输的接触式传输方式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式已经发展得十分成熟，但仍有许多问题难以解决。传统电气设备的接触式供电因触点接触摩擦产生火花、绝缘与导体消损的问题，严重缩短电气设备的使用寿命，甚至对供电的安全性与可靠性产生威胁。不良电气接触连接会增加接触电阻，造成高温引起火灾，电气开关还会引起拉弧的危险[1]。

另外，传统的接触式电能传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，例如在矿井、油田和水下探测等场合[2]。在传统的接触式供电方式下，触点由于摩擦易导致电火花，在矿井和油田钻采中会增加爆炸的可能性，引发严重的危害。水下探测机器人需要频繁更换电池或采用水下电缆连接来提供足够设备运行的能源，给水下探测设备的正常运行和维护带来了许多不便。给运动设备进行供电时，一般都采用滑动接触供电，但这种供电方式存在滑动磨损、接触火花、积碳和不安全裸露导线等缺点[3-5]。海上的岛屿、边远山区和工作于山头的基站等交通不便、远离大电网、缺乏规范能源的地点，采用架设电线的传统配电方式成本过高，实现起来十分困难。

随着各种便携式电子设备的广泛普及，新的问题也随之出现。电源插头频繁地拔插，易发生触点的磨损、变形和老化，导致安全性得不到保障。不同电子产品的充电器生产规格标准不统一，而每个充电器都需要独立的插孔和配套电线，这样既造成了资源的浪费，在生产制造和垃圾处理环节也会污染环境。便携式电子设备需要频繁地充电，而各式各样繁杂的充电器和缠绕在一起的电线给人们的生活带来极大的不便。此外，为植入体内的医疗设备的长期供电也存在很大的不便[6]。这些有线传输方式现存的问题需要一种无需导线连接的电能供应模式解决，而电力电子技术和电磁场理论的发展，使得无线输电的实用化成为可能。无线输电技术的引入将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广、方式更加多样化。无线输电技术利用了感应耦合、磁共振耦合、飞秒激光和微波等形式进行能量传输，是一种安全、可靠和便捷的新型输电方式。

1 无线输电技术的定义及原理

1.1 分类定义

目前，国内外学者对无线输电概念的阐述各有特点，但无线输电技术的定义和分类方式仍缺乏权威或官方的定义。国际上对于无线输电研究的快速增长出现在2007年前后，2014年以来相关的研究和报道逐渐增多。文献中对无线输电分类定义的阐述很多[2-20]，经过归纳其中典型的传输方式可以分为以下几类。

1)基于电磁感应的短距离传输技术。

感应耦合电能传输技术(Inductively Coupled Power Transmission，ICPT)是一种以感应耦合原理为基础的无线电能传输模式。主要以磁场做为电能传输的媒介，基于变压器疏松感应耦合的构造，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能的传输。这种无线输电技术的特点是传输功率大，能达千瓦级别，在极近距离内效率很高，但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小，所以该技术一般用于厘米级的短距离传输。

2)基于磁共振耦合的中距离传输技术。

磁共振耦合无线输电技术(Resonant Wireless Power Transmission，RWPT)主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。这种传输方式可以越过某些材料和金属障碍物，在线圈直径的几倍距离内，以MHz频率的磁近场传输电能。传输效率较高，而且在传输区域内接收端的位置变化对效率不会产生显著影响。由于电力电子器件的制约，传输功率提高到千瓦级别时需要牺牲传输距离，甚至无法达到传输所需的共振频率，从而影响传输效率。

3)基于微波/飞秒激光的长距离传输技术。

微波电能传输技术(Microwave Power Transmission，MPT)是通过能量转换装置将电能转化为微波形式，利用发射天线向目标位置定向发送微波，再经接收装置接收并整流来实现的电能传输方式。这种传输技术适合应用于距离较长、容量较大的电能传输场合，例如将空间太阳能电站的能量传回地面，向平流层飞艇和轨道卫星供电等。基于飞秒激光的无线输电技术(Femtosecond Laser Power Transmission，FLPT)利用超强超快激光在大气中传输时的非线性效应，将空气分子电离，从而产生可长达十几公里的等离子体通道。将等离子体通道内存在的大量电子作为载流子，可以为电能的转移提供媒介，其作用相当于在空气中架设的一条虚拟导线。该项技术能够实现几十公里距离的高效无线输电，传输的功率和可靠性有待进一步地深入研究，适合于地面的大功率无线输电。

微波输电技术在对埋入式传感器和植入式医疗设备等进行电能的传输时，将对人体造成未知的影响，在功率较大的场合甚至直接造成损伤，因而微波输电技术不适用于医疗器械充电方面的电能传输。由于微波或飞秒激光形式的能束有一定的功率密度，将对现有的微波系统造成一定干扰，因此这种传输方式多用于环境影响较小的场合。

1.2 基本原理

1.2.1 基于感应耦合的短距离传输技术

ICPT系统是将变压器紧密型耦合磁路分开，一、二次侧绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，当变压器松耦合时，在高频交流激励下，变压器的一、二次侧存在很强的电磁耦合从而使得大气隙下的输电变得可行，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接[7]。其一、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，由于相比于紧密耦合的变压器，这种传输方式在一、二次侧的铁心之间存在较大的气隙，导致励磁电抗的降低引起传输效率的下降，一般通过电力电子技术提高输入电源的频率加以补偿。

ICPT系统主要由以下3部分组成：

1)变频模块，运用脉冲宽度调制技术将低频输入转换为高频，可以根据不同传输功率和距离的需要，调整输出频率和功率。

2)传输模块，通过铁心分离的松耦合变压器，实现一、二次侧没有物理连接的感应耦合无线输电。

3)整流模块，利用整流将接收到的的高频电能转换为直流形式供负载使用。

图1为短距离感应耦合系统框图。其中，一次线圈和二次线圈之间有各自的补偿环节和调节控制电路，这样能使得传输效率达到最大化。两线圈侧整流滤波电路，高频逆变单元，一、二次侧相应的补偿电路，调节控制电路等部分共同构成了整个ICPT系统。

图1 短距离电磁感应耦合系统框图

图2为短距离感应耦合电路原理图，其工作原理是交流电源在经过整流滤波后可以得到直流电，再利用高频逆变单元得到高频交流电通入一次侧线圈，因高频交流电而在一次侧线圈中产生的磁链Φ高频整流滤波等调节之后便能向负载供给相应大小的直流电能。

图2 短距离电磁感应耦合电路原理图

1.2.2 基于磁共振耦合的中距离传输技术

传统射频传输技术虽然在信息传输方面具有极大的优势，但是如果使用射频形式来传输能量却很难实现。如果采用非定向辐射，由于接收端附近的功率密度很低，难以提供足够的能量；如果采用定向发射的微波，那么需要准确的控制系统跟随接收端移动。磁共振耦合现象的发现，为射频传输提供了一种便捷、安全的新型传输方式。

2006年，麻省理工学院的研究团队提出了磁共振耦合方式，并成功制造了一台样机可以为2 m外的60 W的灯泡进行供电。他们的实验结果显示电能的传输距离为2 m时，其效率高达92%，采用这种技术可以在线圈直径的几倍范围内的中距离上进行高效的能量传输。

在振动系统(如声音，振动的物体)中，具有相同固有频率的振动体常常产生强耦合状态，处于这种状态时，共振体之间的能量交换大于在能量传递过程中的损耗和振动体本身的能量耗散，达到很高的传输效率。磁共振耦合是一种近磁场的强耦合方式，在磁共振下的电能传输效率很高，且不受传输通道上越过某些材料和金属障碍物的影响，在传输范围内实现高效的非定向传输，而对于非共振物体来说，中距离电能传输无法实现。

图3为中距离磁共振耦合系统框图。它主要包括工频交流电源、整流滤波模块、射频放大器、阻抗匹配及调节控制电路、发射和接收线圈、整流器和负载。通过射频放大器变得到具有使发射端、接收端线圈发生共振的频率的电流，这种情况下可以使得能量的传输效率最大化。

图3 中距离磁共振耦合系统框图

图4为中距离磁共振耦合电路原理图。L1线圈用作激励，C1是发射线圈的补偿电容，C4是接收线圈的补偿电容，第二个闭合回路表示发射线圈等效电路，第三个闭合回路表示接收线圈等效电路。该图中共有6个互感，其中M13、M14、M24之间的耦合十分微弱可以忽略。

图4 中距离磁共振耦合电路原理图

结合耦合模理论的微分方程组，强耦合磁共振系统可以进行相关分析计算。发射装置与接收装置发生共振状态下功率最优，该状态下效率η为

1.2.3 基于微波及飞秒激光的长距离传输技术

美国工程师P.Glaser很早便设想了一种太阳能发电卫星，他设想建立空间基地，这样便能通过发电卫星的运转吸收大量太阳能来供应电能，采用微波的形式将能量传输到地面，经接收装置接收后微波转换为电能，经历了太阳能→电能→微波→电能的变化过程。MPT效率较低，C波段(5.8～35) GHz是其聚集的工作频段，在地理位置及周边境况等因素的影响下，MPT技术受到的干扰较大，距离实际投入使用尚有较长一段路要走。MPT电能传输技术适用于大范围、长距离、且受环境影响小的场合，但在生物医学领域，采用微波电能传输技术，会在一定程度上伤害到人体。

无线输电中效率是重点之一。因而必须要考虑有较强目标针对性、能够集中发射能量的方式，激光及微波束是非常好的选择。但在传输过程中，气体和灰尘容易造成激光光束散射，具有较为明显的非线性效应，且最后接收的功率偏低。利用微波进行输电即首先将微波进行高密度聚集，然后对准目标并发射到接收侧的整流天线(Rectenna)，进一步通过整流将微波转化为直流。

图5为长距离微波系统框图。微波无线输电系统主要有3个组件，微波功率发生器、微波的发射和传输、整流模块及阻抗匹配，最后可得到稳定的直流输出。工作原理是：经微波产生装置直流电可转换成微波，进而由天线高密度聚集后进行发射，最后由接收天线接收，整流后负载可得到稳定直流输入。

图5 长距离微波系统框图

由于微波无线输电技术是目前将能量从卫星传送到地球的相对成熟的技术，最适合于地面向空间或者空间向地面的大功率无线输电，因此被应用到空间太阳能电站的方案中，而且可以应用到电力中继卫星中。随着科学技术的发展，微波无线输电系统效率的提高和尺寸的减小将使该技术具有更强的竞争力。

图6为飞秒激光系统框图。系统主要包含飞秒激光发生装置、调节控制装置、等离子体通道诊断装置、供能及储能模块装置、同步调控装置。该系统发出的飞秒激光经调整控制汇聚后释放到周围环境中，这样等离子体通道便形成于大气环境。供能模块可以提供电能输出，同步控制装置可将强电耦合介入到等离子体通道之中，电能便能够依靠等离子体通道传导至储能模块，进而可供给负载或另作他用。

图6 长距离飞秒激光系统框图

基于飞秒激光的无线输电技术利用超强超快激光在大气中传输时的非线性效应，将空气分子电离后形成克尔自聚焦与等离子体散焦平衡，产生可长达十几公里传输的等离子体通道，从而实现几十公里距离的高效无线输电，传输的功率和可靠性有待进一步地深入研究，这种方式适合于地面的大功率无线输电。

目前国内外尚未有关于基于等离子体通道的无线输电技术实现和应用的报道。相关研究内容主要是围绕等离子体通道本身特性的理论及实验研究、等离子体通道传导射频辐射的理论研究等。等离子体通道的电学特性非常稳定，它最先被用在研究人工引导雷电之中，此后各国纷纷开展了关于等离子体通道的研究工作，在理论与实验两个方面都取得了非常重要的进步。目前，中国空间技术研究院也正在开展基于飞秒激光的无线输电技术的原理性和应用研究工作。

2 发展趋势与应用领域

2.1 基于专利统计的发展趋势分析

无线输电技术不断累积增多的相关专利数据，具有展示应用情况和指导研发方向的潜在价值。在无线输电技术的快速变化发展阶段，专利统计分析是一种能够有效地认识国内外技术发展状况、监控技术环境变化的方法，可以很好地把握技术动态、了解技术竞争力。

通过在国家专利局的专利检索与服务系统的检索，经过人工筛选后，得出国内外在短、中、长距离无线输电技术领域专利的申请量情况，从而绘制出国内外专利申请随年度变化的趋势图，图7为国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图，图8为国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图，图9为国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图。

对比图7～图9可以看出：在无线输电技术领域专利申请方面，国外比国内要早十多年，这说明国内在该领域内的研究较晚，但从申请量方面来看，自2011年开始，国内的申请量超越了国外，而且申请量呈增长趋势。国外从2012年开始申请量略微下滑，态势趋于平缓。国内研究的起点时间虽然晚于国外十多年，但近几年国内的研究势头远远超越国外。

图7 国内外短距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

图8 国内外中距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

图9 国内外长距离无线输电技术领域专利申请随年度变化的趋势图

从申请时间可以看出国外的技术成熟度已经较高，专利申请量的下滑可能是因为进入了一个新的发展阶段，更倾向于某些产品的实质应用推广，而不局限于大量地申请专利来保护潜在产品，不再是数量领先而是技术领先。

图10和图11是按照IPC分类方法分别统计的国内外专利申请技术构成图，可以看出，国内H02(发电、变电或配电)大类占比45.81%、H04(电通信技术)大类占比10.05%，其他类占比较少，占比量相对均匀；国外H02(发电、变电或配电)大类占比也是第一位，但所有的大类占比都相对均匀。对比国外的发展状况可以看出，国内在其他领域，尤其是B60(一般车辆大类)、H01(基本电气元件大类)、H04(电通信技术大类)这三类技术领域还有很大的发展空间。

图10 国内无线输电技术领域专利申请技术构成图

图11 国外无线输电技术领域专利申请技术构成图

专利分析更多体现的是无线输电技术的应用前景和可能的市场布局。经过对国外无线输电的进展状况，特别针对是2013下半年至2014上半年国外科技文献的调研，技术方面发展的趋势可以总结为更加可控、高效、安全、便携和美观，下面摘录一些国外无线输电最新进展的代表性工作简要介绍。

2.2 最新进展

1)新型材料的使用

超材料(Metamaterial)所指的是人工复合结构或复合材料，特点在于它们具有天然材料所不具备的超常物理性质。在材料的关键物理尺度上的进行结构特别的设计，能够突破某些表观自然规律的约束，如此获得超出自然界天然材料所具有的普通特性的超常材料功能。朱拉隆功大学(Chulalongkorn University)的Y.Zhao等[21]分别采用了double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3种超材料，制成薄片状用于放大特定的电磁波，从而达到增强共振耦合模式下无线输电效率的目的，其结构形式如图12所示。

图12 IM薄片在双线圈WPT系统中的放置位置示意图

超材料与原有的材料制备相比，应用差别非常大，一般情况下都是利用自然中原本具有的材料制造出相应的物品，但是超材料采用了独特的方式，结合逆向思维，在考虑制造出具有某功能的材料时，根据对于电磁波的具体投入使用后的需求。倏逝波(Evanescent waves)指的是在两种不同介质的分界面上因全反射引起得到的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，Y.Zhao等[21]认为倏逝波在共振耦合无线输电中起着至关重要的作用，double negative material、μ-negative material和indefinite material (IM)3种超材料正是设计用于放大倏逝波的超材料。利用这几种超材料的多层结构使得特定波长的电磁波形成近场聚焦，像透镜一样增强接收端的磁场。在经过仿真发现IM对于提升传输效率的效果最为明显，结果如图13所示。

图13 IM薄片加入后对磁场分布影响的仿真结果

类似的还有杜克大学(Duke University)的G.Lipworth等[22]采用磁质超材料(Magnetic metamaterial)超级透镜，对近磁场进行集中，增加无线输电距离。实物如图14和图15所示，进行了13～16 MHz的仿真并以实验证明了仿真的正确性。

图14 磁性超材料和超级透镜集合

图15 线圈连接细节图

对于使用感应耦合方式的无线输电设备，例如手机充电垫，由于传能线圈的接收端距离发射端很近，发射端的驱动电路会产生频率在30 MHz～1 GHz的电磁波干扰，影响手机等便携式通讯设备的信号发送与接收。香港城市大学(City University of Hong Kong)的P.Wu等[23]使用频率选择性表面(Frequency-selective surface)来抑制充电垫对外部的射频干扰，结构示意图如图16所示。

图16 采用频率选择表面材料的充电装置结构示意图

之后他们选用GSM900和GSM850两种通信系统进行了实测，实验数据表明手机对信号的灵敏度得到了提高，据此提出可以将表面选择性材料做成低成本的充电垫附件来解决目前充电垫的射频干扰问题。

2)传能线圈结构

首尔大学(Seoul University)的Tae-Soon Chang[24]提出了一种使用空腔谐振器进行无线输电的方法，并设计了一个中心频率在5.76 Hz，传输效率高达75%的实例。在该传输方法中，发射端和接收端并非传统形状的线圈，而是镶嵌在谐振腔壁上的带线，其结构如图17所示。

图17 谐振腔带无线输电装置装置结构示意图

韩国高等科技学院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)的Wang-Sang Lee等[25]提出了一种新型发射线圈结构，其是一种具有电容的电流控制线圈，如图18所示。

图18 带电容的电流控制线圈示意图

采用这种线圈后，通过调整电容值，可以控制正向和反向的循环电流的比例，这种方式解决了传输距离变化带来的阻抗不匹配问题，在0～7 cm的距离内可以保持60%的传输效率，且并不需要接入额外的匹配电路，系统原理图如图19所示[25]。

类似的，弘益大学(Hongik University)的B.C.Park等[26]也提出了一种不敏感的共振传能线圈结构，如图20和图21所示。其中馈电线圈起着共振耦合方式中阻抗匹配的关键作用。呈120°夹角的是接收端共振线圈，另一个是发射端高Q值共振线圈。

图19 采用电流控制线圈之后的系统原理图

图20 线圈结构示意图

图21 线圈结构实物图

东京大学(the University of Tokyo)的W.Wei等[27]提出了一种双螺旋结构的共振传能模式，并且适合将线圈印制于廉价基材(例如薄膜)上。双螺旋共振线圈可以提供更高的峰值传输效率和更远的距离，该研究归纳了双螺旋谐振器的5个关键参数，并通过理论分析解释了双螺旋结构效率更高的原因。双螺旋共振线圈结构如图22和图23所示。

图22 线圈结构示意图

图23 双螺旋共振传能系统简化图

3)应用方式的拓展

普林斯顿大学(Princeton University)的W.Rieutort-Louis等[28]设计了一个基于光伏薄板的能量采集储存输出系统。由于低温大面积微电子元件的采用，使新型的层叠式电能采集储存输出装置成为可能，可以在一个薄膜结构上完成电能采集、管理、储存和交付华盛顿大学(University of Washington)的B.H.Waters等[29]提出一种接收端可以自由活动的共振传能方式，用于植入式心脏起搏器的供电，从而改善患者的生活质量。这种可随意移动的充电装置一方面要求终端线圈必须足够小，可以舒适地佩戴在患者身上，同时供电系统高效地向电池充电。可供电的发射器由发射线圈、中继线圈、贴身线圈和接收线圈组成。

2014年，韩国高等科技学院某研究小组研究出一种无线电能供应技术，据物理学家组织网2014年4月17日报道，该校原子核与量子工程教授C.T.Rim的团队展出了一种名为“双极线圈共振系统(DCRS)”的无线电能供应设备，这种设备使得感应电能传输的距离扩展成为可能，传输与接收线圈相距可达数米。

在2014年国际消费电子展(CES)上，恩智浦半导体展示了一种智能照明网络，该设备采用了无线充电技术，且安装十分便捷。

村田制作所日前研制出了“直流共振”无线电力传输系统的新技术方式。在该技术中，直流电的能量被转变了电磁能，这样在能量的传输过程中使得转换效率得到有效提高，同时还可大大减少传输过程中的能量转换次数，使得相关设备得到有效简化。

2.3 应用领域

1)交通运输

ICPT技术在交通运输行业运用的最多，广泛应用于部分机车及电动汽车之中。准确进行能量的目标定位以及最大化的增大效率是ICPT技术的主要难点。ICPT技术在新西兰奥克兰大学所属奇思公司的研究下，被成功应用到Rotorua国家地热公园的30 kW旅客电动运输车上[15，16]。而目前电动汽车在不断的发展过程中也有了多种相关样品，图24为2012年日本Nagano市电动汽车现场试验的照片，图25为高通公司展示的电动汽车样品。

图24 2012年日本Nagano市电动汽车现场试验图

图25 2012年高通公司发布的电动汽车

在电动汽车充放电过程中采用无线充电技术，不但能够有效解决充电桩的建设问题，还能够缓和电动汽车充电过于集中的弊端，并且能够在电动汽车规模化以后，在很大程度上缓解其对电网的冲击。针对电动汽车的无线充电，国内外多家汽车厂商以及机构等都在迫切地进行研究，取得了较为显著的成果。

另外，作为电网关键的构成之一，电动汽车规模化以后亦可以储存电网的电能。采用无线充电，不仅能够极大增强电动汽车与电网间的互联，同时对智能电网也具有显著的促进作用。

2)医疗器械

随着WPT技术的进步，医疗领域的电能供应模式发生了极大的改变，目前主要有ICPT 和RFPT(Radio Frequency Power Transmission)等方式进行体外电能供应。RFPT是医疗领域采用最多的供能方式，在体外有一个线圈，体内也有一个小线圈，利用两者之间的感应耦合输送电能，电能的主要传输方式其一是经表面皮肤输送能量，另外一种是直接输送电能。医疗系统中的消耗会随着植入装置的复杂化而增加，就采用电池而言，较短时间的植入式装置电能供应一般是满足要求的，但对于长时间式的植入装置常难以满足。采用无线输电和光电能量供应方式可有效解决这个问题。电磁感应方式中若采用基于E类放大器供电后效率可达约70%，同时能够进行数据传输，但因电子设备的影响，RFPT技术易产生一些电磁兼容问题。对于不同的供电方式，我们可以考虑将它们结合起来使用。

图26为采用无线充电技术供电的深部脑刺激器安装示意图。对于植入式医疗装置而言，其对功率的要求非常小，小至几十微瓦，功率较大的也仅几十瓦左右，经表面皮肤的直接电能供应以及植入式电池无线输电等是经常采用的几种方式。人体植入装置是无线输电的重点研究方向之一，采用无线能量传输方式后具有以下优势：

a)能量供应中消除了物理连接，有效解决了导线与皮肤直接接触的问题，进而可以在一定程度上防止因感染导致的炎症。

b)植入式电池消耗完后，以前必须手术进行电池的更换，现在采用无线充电可以有效解决这个问题，极大提高了患者的生活质量。

c)和人体皮肤之间没有直接的电气关系，无裸露的导线和接触机构，极大降低了触电的概率，有效解决了装置的安全问题。

图26 采用无线充电技术供电的深部脑刺激器

d)无直接的摩擦，有效解决了机械上的损耗和电气销蚀问题，提高了供能的可靠性并减少了对设备的维护。

e)对于非接触变压器一次侧和二次侧来说，两者是松耦合的，因而两者在一定方位上错开时依然可以正常运行，从而实现灵活供电，同时可提升患者生活的舒适程度。

3)便携通信

近几年，便携通信对WPT的呼声也日渐高涨，且不少高科技公司已经向该领域进军。结合匹兹堡大学研发的无源型RFID 技术，Power Cast 公司研发出一种电波接收型能量存储设备，它采用了射频发射装置进行能量的传输。Splash Power 公司则深入研究了ICPT 技术，并取得了重大突破，研制出了用于给手机电能供应的平台。在进一步研究下，香港城市大学的许树源教授开发出多种便携式通信装置的电能供应平台，并对成果进行了转化。

图27为WOW5 Qi标准无线充电器在同一时间内对5个支持Qi标准的手机进行无线充电的照片。2012年，Nokia公司推出新一代Windows Phone 8系列手机，其搭载的无线充电技术作为手机的卖点之一，受到了测评媒体的广泛好评。据IMC Research预测，无线供电设备的出货量到2015年将达到1亿；经Pike Research研宄表明，无线供电市场规模到2020年将高达150亿美元，无线充电技术在不久的将来会极大改变我们每一个人的生活方式。

图27 WOW 5 Qi无线充电器在同一时间内对5个支持Qi标准的手机无线充电

4)航空航天

在航空航天和电力领域，微波电能传输(WPT)已被广泛使用。随着WPT技术不断的深入研究，空间太阳能发电和卫星技术也在不断推进和进步。对于空间太阳能电站而言，WPT 技术至今历经了多个发展阶段，多方面的技术都在不断革新和进步。在以往，微波频率一般为2.45 GHz，而现在微波频率已得到了极大提升，达到5.8 GHz，进而大大缩减了WPT设备的体积，减少了成本。就MPT 技术的难题而言，主要存在传输效率低下、发射以及接收效率低、大气衰减剧烈等难点。对于完整的无线输电系统结构而言，电流到微波这一阶段的转换效率不高，因而提升微波发生器的转换效率至关重要。图28为空间太阳能电站的示意图。

图28 空间太阳能电站示意图

5)水下探测

伴随着无线输电技术的逐步深入和进步，在工业行业已经体现出广泛的应用领域。在一些特殊的情况下(如化工装置的检测、水下机器人、分布式传感器的能量供应等)，用电设备电能供应大多数采用更换电池的方法或采用电缆输送，使得相关装置的操作和维修比较繁琐，而采用无线输电可有效解决以上问题，从而成为近几年来国内外一个新的研究热点。

WPT系统的重点应用方向之一便是水下探测。在这个方面，美国WiTricity公司进行了相关研究。具体实验如图29所示，主要采用ICPT技术。对于WPT设备在水中的应用，其额外阻抗和功率损耗、同轴变压器的研制准则、变换器一次侧和二次侧的电路结构与传输电缆的设计是几个重要方面。

图29 水下无线充电研究实验

对于无线输电在水中的高频功率传输，重要的一点就是如何降低其能量消损。对于良好导体的海水而言，伴随频率的提升，其阻值也会逐渐提升。运行状态下频率升高，则海水导电范围会变小，电缆将是电流流经的重要通道，消损亦会大大提升。探索水下无线能量传输，海水可以视为与一次绕组同轴匝链的绕组，经由增添相应的耦合关系来限定电流的路径，从而降低耦合海水的消损。水中无线能量传输可应用到深海的潜水、油田开发以及矿物开采等多个方面。同时对非核动力船只的续航能力有较大的加强作用。

6)智能家居

近几年来国内外对智能家居给予了很大重视，尤其是智能家电中能量的无线输送，这项科技凸显出巨大优点，成功脱离了有线的制约，极大的方便了人们的生活，“无尾”设备已逐渐成为人们生活的需求趋势。

Powercast公司开发了能够把无线电波转变为直流电的接收设备，能够在近1 m距离内给多个电子设备供电，具体应用到采用无线电能供应的家电产品中如图30所示。

图30 采用无线充电的家电产品

3 重大科学问题与关键技术

3.1 重大科学问题

如前文所述，无线输电技术的技术需求与传统的有线传输方式等有很大的不同，主要体现在与工频交流和直流传输方式不同，主流的无线输电方式频率较高，因此需要解决设备在大功率、高频率和长寿命条件下产生的一系列问题，并研究此条件下系统的设计优化和控制策略，验证传输的安全性。

1)传输理论研究和系统建模

基于磁共振耦合的中距离传输方式是一种新兴的传输方式，在对这种方式的传输系统进行建模分析时，很少直接采用线圈的详细物理参数建立数学模型，大多数采用基于耦合模理论的微分方程、含有耦合电感的电路模型或者二端口网络对其传输机理进行分析。这些传输模型都能较为准确地反映出磁共振耦合现象，并在一定程度上解决实际问题，但都存在明显的不足使其应用条件受到很大限制。

电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[17]，计算出耦合磁场输电细节。然而对于尺寸较大的系统，分析计算过程是非常复杂的，虽然借助电磁场有限元分析仿真软件可以求得分部场的直观数值解，但会耗费大量时间和资源，在进行系统设计和参数优化时十分不便。

耦合模理论是解释两个或多个电磁波模式间耦合的普遍规律的微扰分析理论，可以避免具体对象繁杂的物理参数，径直对目标间的能量耦合进行计算。基于耦合模理论的微分方程虽然可从能量角度进行分析，但不够直观，无法将线圈的详细物理参数，与传输效率和传输容量等系统设计优化所关注的数值直接关联起来；含有耦合电感的电路模型较为直观，认为发射端电路和负载端电路之间，由发射线圈与接收线圈之间的互感耦合，根据电路理论进行分析计算，是目前国内分析建模时较多使用的模型，但是由于忽略了线圈和器件在高频条件下的特性，分析计算较粗略，不利于有关高频电磁场方面的分析，在进行设计时，可适用的频率范围受到很大限制。二端口网络分析方法将输电与转换部分看作一个二端口网络，利用测得的端口参数对系统进行求解，同样缺乏直观性。传输理论研究和系统建模时还需要关注更多与设计优化直接相关的问题，如发射端与接收端的阻抗匹配问题，系统本征频率的控制问题，传输通道上的功率密度分布问题。

基于微波的长距离无线输电系统作为一个以微波能量为传输介质、以高效率为核心要求的系统，微波无线输电系统涉及到高效率高能量的微波器件、低损耗的微波溃电、高效率高功率微波发射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集，其关注点和相关收发机理和理论方面与传统的通信系统存在很大的差距。需要重点考虑能量收/发合作系统波束匹配、功率密度/工作点匹配、黑体接收、大功率空间赋型波束合成、非线性负载阵列天线等问题。

2)大功率高频器件

在中短距离的无线输电方面，高效率大功率的应用需求要求电源不仅拥有足够的高频电能转换能力，亦需要具有稳定可控的输出频率，因为电源的构造是一个巨大的难点。长距离、大容量的长距离无线输电技术更是要求相关器件的设计方法、基础材料理论和机理具有重大的创新，是需要重点研究的科学问题。

3)多场耦合机理和理论

中短距离的传输系统中由于很大一部分能量散失是由于电源的功率损耗，在电源损耗与线圈之间的传输损耗之间取舍，需要考虑电路与高频电磁场的耦合联合分析计算问题。温度变化也会导致最优传输频率的改变，因此还需要深入研究温度场与电路、电磁场的耦合关系。

长距离微波功率发射阵列天线的多场问题表现为结构位移场、电磁场、温度场3场的双向及强耦合关系。首先要研究3场耦合建模，微波功率发射天线结构位移场的变化会导致温度场与电磁场的变化，温度场的变化又会通过热传导方式影响结构位移场，同时通过改变电子器件性能从而影响电磁场，因此需深入研究电磁场、结构位移场、温度场等多物理场之间的耦合关系，挖掘多场之间的物理联系参数及影响因素，研究影响微波功率阵列天线综合性能的因素，提出多场耦合理论模型的数学表达方法，寻求系统规划构造的最优平衡解，从而解决发射天线多个学科领域之间、多个目标之间的耦合、计算复杂性等问题。

4)效率最优和功率最优控制策略

中短距离传输中，频率漂移和频率分裂的现象时常产生。频率分裂现象是无线输电系统中发射端与接收端之间的耦合系数存在多个极大值的现象，这是在磁耦合共振式和电磁感应式无线输电中都经常会发生的问题。频率分裂使系统控制策略面临巨大的问题，难以快速寻找到全频段最优的传输频率，同时对于已经处于最优工作点的系统，状态很难稳定。运作频率的抉择和调控对整体传输效率的提升起决定性的作用。为了有效解决短中无线输电系统稳定性差的问题，需要研究系统传输效率峰值如何取得的问题，确定影响效率峰值的变量因子，同时开展跟踪系统传输效率峰值控制理论与方法研究，从而保持传输系统始终处于稳定高效的运行状态。

长距离传输中从安全性和高效率的角度都要求微波波束保持非常高的指向性。天线抖动、电离层闪烁和大气湍流均会直接影响高精度波束指向，依靠传统的机械控制极难实现如此高的精度，目前主要考虑通过调整微波发射天线各发射单元的微波相位实现整体快速的波束高精度指向调整。由于发射天线尺寸大，发射单元多，给相应的波束控制带来很大的难度，对于移相精度、控制电路等提出极高的要求，有必要展开相关高精确度的波束指向控制理论与方法研究。

5)对电磁环境的影响和电磁兼容问题

在中短距离的无线输电系统内部及其工作环境中，有着各式各样的在电子设备，在高频大功率的电磁场中，它们很易受到干扰。相较于传统的电能传输方式，中短距离无线传输系统中有很多对高频电磁场敏感的参数，可成为等效负载，造成系统最优传输频率的漂移。尤其在中距离磁共振耦合方式中，干扰电磁场的频率越接近系统的共振频率，对传输的影响越大，例如其他设备中的整流、逆变模块产生的高次谐波有时会与共振频率相近，对传输效率会造成非常明显的干扰。关于系统稳定工作对于电磁环境的要求，以及系统工作时对周边电气设备影响的研究还不多，这是无线输电领域一个值得引起注意的重大科学问题。

无线输电尚不能像有线传输模式在传能通道上实施彻底的安全措施，也不是像无线通信方式只传输功率极小的信号，而是在频率相对较高的情况下传输较大的能量，而在高频磁场中人体会承担何种程度的安全风险，以及将潜在威胁尽可能规避，至今仍旧没有权威的定论或得到普遍认可的结论。虽然有部分与电磁环境对传输的影响问题、传输电磁兼容问题和安全问题相关的研究，但大部分研究尚处于起步阶段，有必要进一步探究中短距离无线输电系统的高频电磁场对人体健康和自然环境是否有负面作用的问题。

对电磁环境的影响和电磁兼容问题不仅是中短距离无线输电技术需要解决的重大问题，较大功率的微波辐射对于地面生物体和环境的长期影响效应也需要开展深入研究。还需要特别考虑大功率微波传输对于通信等应用的干扰影响、对误进入该区域的飞行器等的安全性研究。

3.2 关键技术

1)大功率高频电源技术

高频电源作为无线输电系统中工频交流和直流到高频能量转换的关键部件，在无线输电中，需要高频率、大功率且使用寿命长的功率放大器作为电能变换装置，主要考虑的设备参数有输出功率、输出频率、转换效率、重量和体积等。从实际应用需求的角度出发，高频电源需要具备输出频率和相位可控且输出高度稳定的特点。但是由于器件性能的限制，传统的电力电子领域的高频逆变器输出频率不够高，微波通信领域的大功率射频功输出功率不够大，使用磁控管的微波源虽然可以兼顾输出频率和功率的要求但使用寿命短，均难以满足无线能量供应的要求。

无线输电中，目前多采用电力电子逆变技术以实现电源的可控[19，20，30]，然而受开关管等元件的技术参数约束，这一类电源的输出频率若要达到兆赫兹的水平难度非常大，随着输出功率的提升，提升频率难度也进一步增强。在功率需求不高的场合，为达到传输大频率功率的目的，使用射频领域的电源技术，采用E类射频功率放大器原理进行电源构造，这一种电源频率相对更高很容易达到兆赫兹级别，不足之处在于对阻抗匹配的需求相对较高，进行相关的设计和试验验证比较有难度。

2)发射端技术

磁共振耦合方式中，发射线圈线的物理参数是决定系统共振频率的决定性参数，传输效率的关键因素在于线圈是否具有合适的品质因数。线圈的品质因数Q=ωL/R，与线圈的电感、电阻值以及系统工作频率相关，所以线圈设计技术的核心就是线圈高频下阻抗特性的调整。当发射线圈的高品质因数过高时，传输系统的共振频率很高，传输效率也很高，但受系统中各种高频杂散电容参数的影响，线圈的稳定性相对较低，工作频率稍有偏移效率会急剧下降。需要通过线圈自匹配技术或带可控电容的线圈结构控制线圈的电容参数，实现跟随频率变化的阻抗匹配。

发射线圈本身参数的优化主要对线圈的选材、结构设计等方面进行考量，例如采用中继线圈的多线圈传输技术、基于多场耦合联合仿真分析技术设计具有良好磁场分布的线圈结构以实现系统的效率优化，采用超导材料线圈、线圈表面覆盖磁性介质等技术改善线圈的物理参数和传输通道上的磁场分布的新材料应用与新型结构设计技术。

长距离微波传输中，发射天线尺寸极大，保证微波能量经一定距离传输后仍能集中于接收天线位置。为了实现发射天线与接收天线之间高效率、大功率的无线输电，微波无线输电所要求的高增益、大功率容量、频带宽度等要求，需要涉及多场耦合分析与集成设计技术、天线结构创新设计技术、大尺寸柔性形面高精度保持技术、精密波束调整技术和高效热控技术等。

3)动态跟踪控制技术

在中短距离的无线输电中，使得传输效率最大化的传输频率和阻抗匹配情况均会随环境条件的变化发生一定程度的改变，尤其是在前文提到的频率分裂现象和温度引起的频率漂移现象发生时。通过系统参数的合理设计来规避这些问题具有一定的局限性，因此目前中短距离的无线输电的优化和控制技术是必不可少的。

在长距离的无线输电中，能束对准接收端的状态极大程度地影响系统整体效率。微波发射天线和接收天线间需要具有很高的指向精度，必须采用高精度的发射波束控制，需要研究逆向波束控制技术、大规模发射天线阵列校准技术和分布式信号同步技术来实现所需的波束指向精度。

4 对我国电力系统的发展的影响

4.1 电力设备制造

图31为需要定期更换设备电池的塔上监测设备示意图。应用于高压输电线路塔上监测系统的无线供电电源，代替使用太阳能、风能或定期更换电池方式，安全、可靠、经济、方便。无线输电技术的发展与普及，会使得电力设备制造商在制造时更多考虑采用无线供电的方式或者有线无线相结合的供电方式，以保证在安全可靠运行的条件下，提供安装维护更为便捷、工作时长更为稳定的电力设备。

图31 需要定期更换设备电池的塔上监测设备

4.2 输电网

在中国，东部和西部经济发展的差距逐渐增大，两者资源占有比例非常不均，其间的矛盾也变得越来越严重。一些边远山区离大电网距离远，当地经济发展受到了严重约束。而电网的死角，采用无线能量供应后可以较好地得到解决。输电领域最关注的问题一是效率，二是经济性。无线能量输送的效率主要由3个方面决定：①电源的效率；②发射/接收天线的效率；③整流逆变装置的效率。判断它的经济性如何，需要将其与有线方式下所用的相应器材价格进行比较，另一方面针对某一个具体存在的输电网络，其各项参数属性也与经济性密切相关。

4.3 配电网

由于受多种因素的影响，无线充电方式在实现用电灵活性的同时，其充电需求在时间和空间上将具有更为随机、分散等特点，增加了整个电网的运营管理难度。在对配电网的影响方面，进行大容量的无线充电时，如果没有合理地配置变压器容量或继电保护装置的工作阈值，有可能引起变压器或配电线路的动作、电容损耗的增加，以及电能质量的恶化。

在无线输电技术不断发展的过程中，电池获得了一种新型的充电方式。作为非线性负荷，充电时，会导致电网的谐波污染，引起线路发热和变压器的附加损耗，甚至引起电感和电容谐振，这样会加大谐波的危害，对电网的影响更严重。蓄电池作为容性负荷，其负荷功率较为低下，导致公司对功率因数的需求难以得到满足。此外，无线电能供应的品质在一些场合下会有所降低，故在大型无线充电站中，对于安装的电能计量设备，不仅需要能够对谐波起到消除作用，同时还需要能够对直流电能和宽负载进行计量。无线充电站主要有快充和慢充两种情况，这就要求在充电站中，充电负荷能够得到合理的调整，使容量达到一个比较均衡的水平。无线电能供应类负载的充电时间较为分散，无线充电站仍要适当安排充电行程，提升充电站的负荷利用效率。

电动汽车对电网产生干扰的因素表现在电动汽车的普及程度、类型、供电时间、电能供应方式、电池特性以及供电设施规划建设等。对电网的影响具体表现在电力网络的整体性、同步电机的稳定、系统频率的稳定以及其他影响。对于电动汽车接入电网的方式，当其仅限于充电站(桩)时，它对电网的影响就借由充电站(桩)笼统地反映出来。

当下中国的电动汽车行业正处于迅猛进步之中，对于电网而言，庞大数量、不同种类电动汽车的电能供应行为会造成极大影响，但就电力系统的安全性和经济性而言，电动汽车的储能特性亦能够提供一个新的机会。电动汽车的商业发展模式正深深地影响着电动汽车充电对电网所造成的冲击，不确定性的因素众多；结合负荷均衡来看待这个问题，电动汽车的应用和充电站电能供应时间特性相结合可以起到削峰填谷的作用，故不会对输电网造成过大的干扰，但对配网局部而言，可能会引起大的干扰，这主要是由其群聚效应所引起，就这一点而言仍有待深入探索钻研。与此同时，就我国的充电设施建设而言，尚存在对充电站进行合理规划的问题，目前还没有特别成熟的理论与办法。

在配电网规划中进行布点和配置容量对于电动汽车的发展是必须考虑的问题。长远看来，电动汽车进入人们的生活是一种必然，伴随充电和计量技术的不断进步与创新，分布式的家庭电能供应必将具有极大规模，这也将成为探究电动汽车电能供应领域对电网的干扰时必须考虑的一个重点因素。

4.4 智能电网

目前对于变电站的巡检，有着必须要考虑的非常重要的两个方面，一是工作效率，二是其运行的安全可靠，在这种情况下，大力发展变电站的无人值守化，利用巡检机器人在一定程度上替代人工巡检已成为了一种不可避免的趋势。变电站设备巡检机器人是近几年开始研究和发展的，经过这几年的探索，我国的变电站巡检机器人技术取得了较大进展，在变电站巡检机器人充电方面，已经投入运行的变电站巡检机器人均采用接触式(相当于有线)充电方式，但是接触式充电方式容易存在定位不准确使充电装置与机器人对接不稳定导致充电失败、有安全隐患等缺点。能够不接触充电、对定位精度要求不高、安全等优点使无接触电能传输技术在变电站巡检机器人充电方面有巨大的研究价值。其中耦合谐振式的无线输电技术的发展空间更广阔。

电动汽车在规模化以后亦能够储存电网的电能。在使用无线输电技术后能够显著提升电动汽车与电网之间的互联，极大地促进智能电网的发展。具体优势表现为：

1)对于再生能源，能更好地抑制其输出波动。对于电动汽车的充放电来说，采用无线输电的方式后可以与电网更加强有力地进行互动，这样便能实现电动汽车充电和放电的自动优化调控，进一步可以压制可再生能源的波动，对于可再生能源的消耗与容纳也可以起到提高作用。

2)减少电网受到的冲击。与有线的电能供应模式相比，无线电能供应的地点更加分散，对电动汽车充电的集合程度而言比较有优势；因为与电网之间无物理连接，电能采用无线供能的模式其应变能力、安全性得到了很大程度的提高，不仅能够分开过于集中的供能时刻，而且也使得短时间供电完毕的概率极大降低。在无线电能供应模式下，电动汽车从电网取电导致的的不良影响得到了极大的缓解。

3)可强力削峰填谷，这样便达到平衡负荷的目标。通过用户意愿设定，合理调度电网各个环节，与电网积极互动，完成充放电。同时电网稳定性可以得到极大提高，也符合当今节能减排的主题。

4)电池容量要求低。电池在很大程度上约束了电动汽车的进一步投入使用。据统计，当电动汽车的行驶里程达到150 000 km时，电池的失效问题便会变得很严重，这种情况不得不更换新电池。但采用无线电能供应的模式后在很大程度上能够降低对于电池容量大小的需求，从而达到减少经济成本的目的。

4.5 新能源利用

风电、太阳能、潮汐发电、地热发电等属于新能源发电，但是它们均存在发电间隔，这样电网会受到较大的冲击影响，因而在新能源发电厂附近建设电动汽车无线电能充电站是一种不错的选择。因在距市区较远的地方是建设新能源发电厂的主要场所，在新能源电厂周围建设充电站的主要目的是采用无线输电的方式对需要长途行驶的电动汽车进行供电。这种举措对分布式新能源发电的发展将起到非常积极的推进功效。

作为空间太阳能电站结构的根基，无线输电技术是决定其结构、效率和尺寸的一个非常重大的影响因子，同时无线输电技术非常重大的一个使用投入方向是空间太阳能电站。目前空间太阳能电站的电能供应主要有3种方式：①直接将太阳光反射到地面；②利用微波以无线的方式传送电能；③利用激光以无线的方式传送电能。对于直接将太阳光反射到地面的方式，由于太阳光线发散角的存在，需要的地面接收尺寸非常大，要求空间聚光系统尺寸也非常大；对于利用微波进行电能的供应，对接收天线的面积要求相对来说较高；对于将电能转换激光进行电能的供应，要求接收面积相对较小。利用微波进行无线方式电能的供应是空间太阳能电站研究最多的供能方式，具有较高的转换和供能效率，在特定频段上的气体、云层穿透性非常优良，技术也比较完善，波束功率密度低，并且可以通过波束进行高精度指向控制，具有较高的安全性。但由于波束宽，发射和接收天线的规模都非常大，工程实现具有较大的难度，比较适合于超大功率的空间太阳能电站系统。空间太阳能电站作为未来一种前景广阔的可再生供能方式，其实现的关键技术便是无线输电。天地之间的无线输电适合采用微波或激光的方式，各有优缺点，太阳能发电阵和发射天线间适合采用基于电磁耦合的无线输电方式。由于功率巨大、传送效率大等需求，对于各种无线方式下电能的供应要求相对比较高。需要结合应用加强无线输电系统和重点技术的钻研，突破核心技术，推进性的进行相关实验检验，从而为将来空间太阳能电站的应用打下一个良好的根基。

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Supported by National Natural Science Foundation of China (51377183，51277192).

Received June 1，2015；revised June 22，2015

Key Technologies and Applications of Wireless Power Transmission

ChengShijie1,3ChenXiaoliang1WangJunhua2WenJinyu3LiJinghua4

(1.Chinese Society for Electrical Engineering Beijing 100031 China2.School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China3.School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China4.School of Electrical Engineering Guangxi University Nanning 530004 China)

With the rapid development of technology，the wireless power transmission (WPT) technology gradually attached high importance at home and abroad.Based on the description which refers to the background and development of WPT technology，this paper discusses the development trends and the application prospects of WPT technology.Then the important scientific problems and key technologies in the development of inductively coupled power transmission in short distance，magnetic coupled resonant power transmission in middle distance，microwave power transmission technology，and femtosecond laser energy transmission technology in long distance are discussed.Finally，the WPT technology development and application in the field of electrical equipment manufacturing technology，transmission network，distribution network，smart grid，and new energy utilization are further investigated.

Wireless power transmission，inductively coupled，magnetic coupled resonant，microwave power transmission，femtosecond laser

国家电网项目“电网新技术(无线输电技术)前景研究”资助。

2015-05-31 改稿日期2015-06-21

TM724

程时杰 男，1945年生，教授，博士生导师，研究方向为储能技术、人工智能在电力系统中的应用、电力系统运行与控制、超导电力和无线输电技术等。

陈小良 女，1961年生，博士，高级工程师，研究方向电力系统运行、规划和新技术应用等。