基于谐振耦合式无线供电技术在配电设备中的应用研究

闫承山，刘德坤，刘凯乐，张立军，李 昕，钱叶牛，郭 琦

（国网北京通州供电公司，北京 101101）

0 引 言

在10 kV配电网领域，使用着大量的10 kV柱上配电开关设备和10 kV环网柜配电开关设备，而这些配电开关设备要实现配电自动化功能，需要与配电终端组成成套设备。配电成套设备的一个重要组成部分就是10 kV电源电源电压互感器（Potential Transformer，PT）。10 kV电源PT通过有线电缆与配电终端连接，将交流10 kV电压降为交流220 V电压为配电终端提供工作电源，与配电终端之间采用有线电缆连接的方式为配电终端提供工作电源。10 kV PT故障时，一、二次绕组击穿将会造成终端设备通过电源电缆高压带电，运行维护存在较大人身安全问题。此外，采用10 kV电源PT有线供电方式，接线较为复杂，维护不方便，而采用无线供电方式，维护简单方便。因此，采用无线供电方式取代有线电缆连接供电方式，将极大提高配电设备的运行可靠性和维护便利性。

1 无线供电系统的设计

1.1 系统结构设计

基于谐振耦合式无线供电技术的短距离无线供电系统由无线供电发送模块和无线供电接收模块两部分组成，两个模块配合实现无线电能的传输，总体电路组成如图1所示。无线供电发送模块主要由整流模块电路、高频逆变电路以及发射线圈等部件组成，用于将电能转换为磁场能并通过无线磁场耦合方式进行能量发送传递。无线供电接收模块主要由接收线圈、整流模块电路及电源管理等部件组成，用于接收磁场能并转换成电能，并实现直流电源输出管理功能[1-3]。

图1 短距离无线供电系统组成

无线供电系统的设计主要包括输入整流模块的研制、高频逆变电路设计、无线供电收、发送线圈研制以及输出谐振整流模块研制。首先根据实际应用情况，确定无线供电系统的功率、效率、传输距离等指标，进行理论计算和模型仿真，确定无线供电系统输入整流模块、高频逆变电路、发送线圈、接收线圈、输出谐振整流模块各项功能与性能指标。其次根据各模块功能和性能指标进行相应模块研制。最后将各模块进行联调测试，根据综合测试结果对各模块进行修正设计[4-7]。

1.2 输入整流模块设计

整流模块将220 V交流电转换成电压和电流可调的48 V直流电。该模块电路包括EMI滤波电路、不可控整流电流、Boost PFC电路、半桥LLC谐振变换电路、同步整流电路以及输出滤波电路。其中，EMI滤波电路采用LCL结构，用于滤除工模和差模噪音。不可控整流采用GBU806型号的整流模块，将交流电变换成电压不可控的直流电。功率因数校正设计中，Boost PFC电路采用L6563控制芯片，使电路工作在过渡模式（Transition-Mode，TM），实现功率因数校正，降低输入电流畸变率。配合EMI滤波电路可以实现功率因数达到0.98以上，输入电流谐波含量小于5%。PWM变换中，半桥LLC谐振变换电路将大于300 V的直流电变换成高频脉冲波，并通过隔离变压器转换成100 V左右的高频脉冲波。该电路采用L6599D控制芯片，使半桥电路在半载到满载范围内实现软开关，降低开关损耗。整流变换中，同步整流和输出滤波电路是将100 V左右的高频脉冲波变换成平滑的48 V直流电。同步整流使用TEA1761控制芯片，实现同步整流开关管的自驱动，降低整流电路的损耗。

1.3 高频逆变电路设计

高频逆变电路主要是将输入整流模块输出的直流电压逆变为高频正弦波。通常采用E类功率放大电路实现高频逆变功能，根据电流、电压不同时出现的原理设计，理论的效率可以达到100%，实际的效率可以做到95%。E类功率放大电路拓扑如图2所示，其中L0为扼流电感，C0为包括开关管S的寄生电容和外加电容，电感L1、电容C1以及电阻R组成谐振网络[8-10]。

图2 E类功率放大电路拓扑

本文采用改进型逆变电路，拓扑结构如图3所示。为了使发射线圈能够高效率地传递能量给接收线圈，并使MOSFET开关管实现零电压开通，发射线圈和调谐电容（C2）谐振时的频率f1，发射线圈、调谐电容（C2）与缓冲电容（C1）谐振时的频率f2，接收线圈和调谐电容（C3）谐振时的频率f3，MOSFET开关管的开关频率fs应满足f1＜f3=fs＜f2。而且f3越接近f1，能量无线传输的效率越高。

图3 高频逆变电路拓扑结构

1.4 发送、接收线圈设计

根据磁耦合线圈谐振电路的不同补偿方式，分析补偿的引入对系统端口特性的影响，结合配电终端无线供电的特点获得最佳补偿电路拓扑结构。同时考虑磁耦合线圈相对位置的影响，获得收、发线圈纵向位移、横向位移以及角度位移的耦合效率曲线，并最终确定无线充电系统的最佳耦合位置。

对无线充电系统中磁耦合线圈的损耗进行分类评估，建立准确的线圈损耗模型，获得描述负载有功功率、线圈传导损耗、线圈辐射损耗、开关损耗、铁新材料损耗及附加损耗的能量函数。最后根据线圈结构特性，设计线圈绕制方式及环氧树脂浇注方案。

1.5 输出谐振整流模块设计

无线供电接收模块包括接收线圈和整流模块，用于接收磁场能并转换成电能实现直流电源输出管理功能。整流模块由不可控高频整流电路和Buck-Boost DC-DC变换器及其电源管理电路组成，将接收线圈输出的交流电变换成48 V直流电，通过电源管理电路实现恒压输出、过流和短路保护，输出电压精度小于1%。Buck-Boost DC-DC变换器采用P036T048T12AL模块，采用电压和电流双环控制，实现恒压输出与限流功能。

2 系统运行测试

系统主要模块设计完毕后，将各模块连接起来，应用在10 kV环网柜单元中，最终向配电终端DTU等配电设备无线供电。在环网柜PT室内增加无线供电电能发送模块，配电终端室内增加无线供电电能接收模块，配电终端室与PT室之间采用环氧树脂固体绝缘隔离，提供无线供电传输通道。

2.1 负载变化对系统影响的分析

线圈距离为30 cm，输入电压频率为50 Hz，采用电子负载的恒流模式，测试结果如图4所示。在空载到额定负载范围内，输出电压稳定，波动范围为0.1 V，输出电压误差＜0.4%。当负载电流大于1 A，即半载以上时，效率大于50%，最高效率达到65%。

图4 效率和负载的关系

2.2 线圈横向距离对系统影响的分析

输入电压固定，频率为50 Hz，采用电子负载的恒流模式，线圈距离按横向变化，如图5所示。测试结果如图6所示，线圈距离在34 cm内最大输出功率为101 W，效率大于60.8%，输出电压稳定，误差＜0.2%。总体而言，效率随着线圈距离的增大而减小。

图5 线圈距离按横向变化

图6 效率、输出功率与线圈横向距离的关系

2.3 线圈纵向错开距离对系统影响的分析

输入电压固定，频率为50 Hz，采用电子负载的恒流模式，线圈距离按纵向变化，如图7所示，测试结果如图8所示，线圈距离在10 cm内最大输出功率为101 W，效率大于63.3%，输出电压稳定，误差＜0.23%。效率随着线圈距离的增大而减小。当线圈距离大于10 cm时，DC-DC变换器（接收模块的Buck-Boost DC-DC变换器）的输入电压和最大输出功率均随着线圈距离的增大而减小，这与高频逆变电路的功率传输能力有关，而高频逆变电路的功率传输能力又与其输入电压和发送线圈的谐振频率有关。当提高高频逆变电路的输入电压时，可以提高系统的输出功率，但是高频逆变电路的开关管和发送线圈的调谐电容的电压应力相应增加，需要折中设计，或者通过增加发送线圈的谐振频率使其接近高频逆变电路的工作频率，从而提高DC-DC变换器的输入电压和输出功率，代价是空载时损耗增加。当线圈距离达到30 cm时，输出功率为零，这是因为DC-DC变换器的输入电压已降到其欠压锁定值，故无输出。

图8 效率、输出功率与线圈纵向距离的关系

3 结 论

基于谐振耦合式无线供电技术设计了一种在配电环网柜设备中应用的无线供电系统，试验分析了负载变化、发送和接收线圈变化对无线供电系统输出功率以及输出电压等传输特性的影响。本文研究方法为配电设备高效率和大功率无线供电提供了理论依据与试验参考。