电力系统中无线电能传输的技术分析

郭华

摘要：通常，电能都是通过电力系统的输电线路来传输的。由于输电线路比较繁多，会存在交织错杂现象，因此经常会出现一些事故，有的甚至会影响到国民审计的稳定问题，而我国新型无线输电技术在一定程度上可以减少甚至避免对电力系统的影响。本文就对电力系统中无线电能传输技术的现状进行分析，提出了电力系统中无线电能传输的关键技术，并对其未来的研究方向进行了论述，希望对我国电力系统中的发展有一定帮助。

关键词：电力系统：无线电传输；技术；分析

本文总结了无线电传输（WPT）技术在电力系统的运行过程中出现的问题，电磁感应以及近场谐振式无线电能的最大弊端就是传输的距离过于接近，辐射式无线电能的传输距离比较远，就必须有极高的方向性的天线以及高功率微波一电能转换单元及高性能天线，来作为WPT未来的传输研究方向，与此同时更要考虑无线电能传输与环境的兼容性。

1电力系统WPT研究现状

1.1电磁感应WPT

由于变压器的原副供电线圈都在一个铁芯上缠绕着，因此供电就不灵活。因此为了改变其灵活性，国内外都对变压器的副边绕组间的铁芯部分同其他有效介质代替了，而且这些介质可以在很多不同的场合进行应用。就目前来看，电力系统中的电磁感应式WPT是最为常用的非接触式电能传输。如图1所示

这种非接触式的电能传输使用的就是电磁感应耦合技术以及现代控制技术，这种技术实现了负载侧与电源侧的完全分离电能传输技术，这种技术避免了旧的电能传输方式中接电火花以及裸露导体的产生。使旧的电能传输方式在一些特殊环境下降低了危险，使电能能够安全地进行传送。

这种技术比较成熟，因此可以在传输功率上进行突破，只是传输率不够高，并且传输距离较短，一般都是要贴在一起，由此可见只能运用在局部电网中。这种输电方式实际上是从线圈通入电流、使其产生变化的磁通，也就是利用了变压器磁耦合原理，在副线圈上激起感应电动势，从而使电能的无线化传输能够顺利进行。

1.2近场谐振式WPT

近场谐振技术是WPT中最新研究出来的成果，电场E的强度随着电荷之间的距离平方的增加而减小。这里设想的仅仅是“点状电荷”发出放射状电力线时的简单模型，这对于实际的电子，点状电荷的设想一般是不能够成立的，一般情况下，电荷是从一个确定的范围迸发出来的。此时的电场成分中含有多个成分，例如与距离的高次方成反比的成分、强度与距离的平方成反比等。电荷分布的形状以及复杂性决定了高次方成分的比例，同时偶尔会受到角度的影响，这一系列场的高次方就形成了近场。场立方以上的高次方成分与电荷距离之间成反比的关系。但是如果在距电荷较近的位置，就会比平方成分强。一般情况下天线的电荷分布是随着时间的变化而变化的，由此而产生电磁波，电磁波与磁场中的平方成分的时间变化有非常密切的关系。近场的高次方不会向远处传播，但是会随着时间的变化而变化，换句话说就是在天线的周围，存在无线介质，但不是电磁波的磁场和电场。

在我国电磁波和谐振技术都早已达到实用水平，并且两者联合用语通信技术。但是近场以及时间的变化没有得到充分利用。而且被当做电磁干扰的主要原因，成为人们的抑制对象之一。但是去掉电磁感应使用的线圈产生的磁场，从电子学的角度来讲，也是一个盲点。MIT的主力教授马林·索尔贾希克以及其研究小组对于电磁近场的理论实验成功，在实验过程中通过使用和调整发射两个直径50cm的铜线圈，使其在IOMHZ产生谐振，这样来将距离电力发射端2m意外的一盏60w灯泡成功点亮。MIT的电力传输系统第一眼看上去是一种源于电感应的电力传输，但是事实上结合了近场谐振技术，与电磁感有很大差别。这种电力传输系统所发出强度与贯穿线圈内部的磁通变化幅度成正比。所传输的电力远超过法拉第电磁感应定律。使非接触电力利用圈数为数百的线圈进行传输时，才能在数毫米的距离上的传输效率超越60%。但是索尔贾希克的系数在进行2m传输过程中的传输效率为40%，在进行距离为1m传输时可以得到超越90%的高传输效率。线圈作为天线也只能是随意将5圈粗铜线进行缠绕。由此可以看出，近场谐振技术与电磁感应的不同之处在于：不仅仅靠磁通量的强度来进行工作。

1.3辐射式WPT

辐射式WPT技术在收发微波束能量是靠先进的定向天线来进行的，一般在接收端凭借整流技术以及高性能接收技术，进行较远距离的无线电能的传输，这种WPT要想应用到实际工作和生活当中还不太现实。也就是应用这种WPT的时代距离我们还很远，其在现代空间太阳能发电的构想一太阳能发电卫星中应用得非常好。包括在高空能量输送平台中也可以很好的进行利用，这种技术将会被应用到使用微波辐射将太空中的太阳能发射会地球。然后使用接收天线将其进行转换。并进行二次辐射给另外的基站，这样一来太空中的太阳能就可以永久地为人类提供能源。由此可见我们所研究的焦点就是怎样才能使辐射式WPT能够进行远距离的电能传输。

2电力系统中WPT的关键技术

从上述观点中可以看出，我们研究的电力系统中的WPT技术主的重点就是是要考虑效率、功效等因素。只有在信号的传输距离很远、抗干扰性能很强、且保证发射天线能够发射方向性非常集中、可以进行远距离点对点传输的微波的情况下，微波才能进行有效地传输。对于电力系统中的WPT来说。不仅需要大功率的微波源更需要优良的天线性能，这样才能使用发射天线把大功率微波能量发射出去。除此之外，高频率微波被接受天线接收到之后，必须具有高效设备将微波转化成为基础的直流电。

2.1近场天线

在对近场谐振WPT理论进行谈论、研究之后发现两个线圈有时候会出现不向外辐射的高方磁场，也就是形成渐消的磁场形式。磁场强耦合可以在接收线圈与发射线圈两者相对距离比较接近的情况下形成，这样产生的磁场强耦合比电感应式WPT的效率更高，灵活性能比较高。通过电磁场的理论，辐射天线的尺寸对近场的范围有一定的限制，具体来说两者成正比关系，天线的尺寸和近场谐振式的无线电能传输距离也成正比关系。

2.1.2八木宇田天线

也可以称之为八木天线，其主要组成部分有反射器、引向器以及有源振子等。如图2所示。一般情况下八木天线的增益只有短短的10～20db。由于其发散性能比较强，因此就目前看来还没不能进行远距离的无线电能传输。

2.3反射面天线

如图3，其是利用抛物反射面的聚焦特性，其中的原理与光学反光镜极为相似。都是波束随着抛物面直径和工作波长之间的比例的增加，而逐渐变窄，并且天线增益与波长的平方成反比，但与天线开口面几何面积成正比关系。其公式为（1）反射面天线的增益G一般情况下可以做到30～40db，还可以更高，据有关的资料显示，现在可将反射面的天线中的辐射功率的90%还可以更多包含在天线辐射方向土的主瓣中，由此可见，这种天线完全符合我们对WPT的要求，其可以作为我们需要的远程WPT天线。接收天线的功率公式为公式（2），这里需要注意的是天线的物理口径必须大与无线的有效口径。（2）式可以称为Friis传输公式，由此可知，发射天线的功率与接收天线受到的功率成正比，也与天线的增益成正比关系，而其与距离的平方成反比。这种情况下。我们可以通过提高增益来使接收到的功率得到提升，而且接收的功率会受发射和接收天线的影响。这样的天线在应用过程中，只能寻找和运用极大增加天下增益的办法才能将天线的主瓣宽度限制得很狭窄。达到预定的要求。

3微波源

就目前来看我国常用的大功率微波源有以下器件：（1）射频放大管：正交场管、行波管与速调管都属于比较成功的管型，其中速调管是最为可靠的一种管型，因为其平均功率最大可达25--50kw，而且效率一般保持在30-40%。（2）固态微波放大器：因为一个固态器件所输出的功率是有一定局限性的，因此在发射机中从正交场放大管和磁控管、从高功率的速调管、行波管等到固态器件的转换速度不是很快。经过有关计算，其功率只有20%。因此从上述器件可以看出，我国目前的微波源的效率以及功率等都还满足不了电力系统的挂网经济的运行要求。

4结语

本文研究结果表明。虽然WPT技术在电力系统中的应用具备基本理论和实践条件，但是要想运用到实际当中来，尚有距离。

参考文献：

[1]王维无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013（10）.

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[3]苏玉刚.分布式无线电能传输网[J].电力电子，2010（03）.