无线输电关键技术及其应用

无线输电关键技术及其应用

杨震

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要：无线输电技术是指电流不经过电线电缆等有线设备，从发电端传送到接收端的一种新技术。电力企业如果使用了无线输电技术，就能避免架设输电线路、安装变电站等设备，从而降低成本，同时减少电在传输过程中，造成电线、变压器等电网设备浪费。但是无线输电技术还未正式应用于电力传输领域，因此，相关人员要加大科研力量来发展无线输电技术，从而满足社会用电需求。

关键词：无线输电技术；微波系统；电磁波发射器

引言

本文主要阐述了无线输电关键技术中的电磁感应、谐振式输电、微波无线输电等内容，同时提出了无线输电关键技术的应用展望，包括将无线输电技术应用于日常输电、实现因架设线路难度大的地区进行无线传输供电、应用于太阳能发电等。通过分析关键技术，使相关人员更好的了解无线输电内容[1]。

1定义及比较

无线输电是指不通过可见物理媒质的接触而进行电能传输的技术，无线充电只是其一方面的含义。无线输电此前有多种名称，如无线电能传输、非接触能量传输、无线供电等。笔者认为，采用“无线输电”最佳：强调无尾化、强调传输、强调传送的是电能。无线输电主要有７种实现方式。无线输电系统的基本框架和过程与无线通信相似，只是它传输的是能量而不是信息。信息传输与能量传输的主要区别是：信息传输已经数字化，可以将信息分节、割块、打包传输，且可以校验和纠错；能量传输目前只能模拟传输，且在传输过程中的能量损耗只能进行补充，而不能实现旧能量的重传。此外，它也需要一定的信息传输来为能量传输服务[2]。

2无线输电关键技术的具体内容

2.1电磁感应原理

电磁感应是无线输电关键技术之一，是指电在传输的过程中，通过电磁感应原理来引起电力动势，产生电流。它类似于变压器的工作原理，主要的工作流程是：在发电模块的原边点通入交变电流，在发电模块的另一边就会由于电流的动势产生电力感应，形成感应电流。它的电流方向按照楞次定律进行，能够通过麦克斯韦电磁理论解出电流大小。相对于电磁感应而言，变压器的原边就是电流输出端，而另一边就是接收端，这样可以通过无导线连接的方式进行无线输电技术，能够大大的降低输电成本[3]。

2.2磁耦合共振原理

磁耦合共振是指通过发射和接收线圈产生共振系统，从而达到输运电能的技术。它的工作原理有三点：（1）通过调整发射端的电流发射频率，来引起震动。这种震动不是弥散式的普通电波，而是一种能够转化电能，将其变为磁场，然后通过非辐射的方式发送给接收端，当接收端通过同样的原理，将电波反射回来，就能够在共振系统中形成电力回路，当接收端和发射端的固有频率相同时，电流就会传送流动。（2）这种共振效果的频繁反复，就能在感应器上聚集足够多的能量，形成动能转化电能的化学反应，从而实现无线输电。同时，没有被共振端接受的动能会被发射端吸收，在下一次转换的时候释放。（3）电波具有弥散性，非辐射性共振系统能够增加电波的弥散作用，因此，这种磁耦合共振系统不适用于长距离的无线输电，它要求系统发射端和接收端要在一定范围之内，才能发挥作用。

2.3微波无线输电原理

相较于以上两种无线输电技术来说，微波输电技术由于波长、具有定向性、弥散程度小的特点，能够更好的适用于远程电力传输。这种传输的过程也更加复杂，主要由电源、电磁波发射器、发射接收装置等构成。主要的工作原理是通过微波发射器，将电源变为大功率的高频电磁波，发送给天线，天线在接收到电波之后，将其输入到整流器中。整流器能够产生高电压，然后经过变电器进入有线电网。因此，整流器是微波无线输电的关键步骤，能够将大功率、高电压的电流转换为低电压、低电流。

３解决九大关键技术

无线输电的可靠性和电磁兼容技术内涵极为丰富，不予赘述；相关芯片及原材料设计制造技术由相应的供货商解决；测试认证技术涉及面很广；仿真技术要求开发专业的平台，供货商提供芯片、元器件ＩＢＩＳ模型。本文主要论述以下几个方面。

3.1换能器研制技术

换能器的优劣决定着无线输电的一种具体系统乃至一种方式的生存。其中感应式和共振式的线圈以及无线电波方式的天线设计和制造是关键。笔者认为：１）优化设计平面螺旋单线圈是一个方向，有利于减小体积、降低成本；２）研制新型整流二极管、研发新型频率选择表面，结合ＭＥＭＳ技术优化设计整流天线及其阵列是一大趋势。

3.2工作频率选择和稳定技术

工作频率选择是指在不同场合如何确定传能频率，在多维传能情况下如何分配频点；笔者认为：借助认知无线电技术能更智能地解决这个问题。为确保工作频率的准确性和稳定性，笔者认为：关键是要对整个系统电路进行优化设计，包括元器件和材料的优选，以及制造工艺的优化。特别是对于共振方式，要结合偶合模理论、场论、混沌理论、随机共振理论等分析和综合系统传能机理以及电路的非线性特性，研究和解决系统频率分叉和鞍点现象。

3.3多模兼容技术

为了充分体现无线输电的便利性和智能性等，推进标准统一，笔者提出多模兼容技术，它是指同一个系统兼容实现多种无线输电方式并且支持相应的标准；建议在发送端采用多模合体设计，在接收端增加智能能宿识别器加以解决。目前ＩＤＴ、ＴＩ等公司已提出了双模或三模芯片解决方案，以支持不同无线输电方式及其标准。

3.4信能同传技术

笔者提出信能同传技术，是强调同一套系统既传信又传能。主要包括３方面的内涵：传信与传能如何合体；如何区分和检测信息与能量；如何利用传信对传能进行实时检测和控制。传信包括电能传输链路通信，电能传输信息和数据管理网络通信等。因此，无线输电系统的通信天线和传能换能器必须合二为一，如Ｒｅｎｅｓａｓ推出的业内首款ＮＦＣ无线充电方案。

3.5自适应负载识别技术

自适应负载识别技术是指智能自动识别负载，定位和负载特性确认，包括不同种类负载、同一种类负载参数差异辨识，异物辨识等。笔者认为：结合人工智能、计算智能、云计算和自适应控制等理论、工程技术可以很好地解决无线输电的智能性、自动性和自适应性。具体包括系统智能算法设计，如自适应负载识别算法，负载自适应频率分配算法，实时通信控制算法，输电链路建立和撤销算法，能效距最大化算法、电能计量算法、终端智能人机界面设计技术、智能运营系统软件等等。

4结束语

综上说述，掌握无线输电技术能够保证输电安全。在此基础上，通过使用电磁感应输电技术、取代传统的架线输电技术，能够使有轨电车完成无线输电、满足工作机器人用电；同时通过兴建太阳能发电站、使用微波技术输电能够解决电力能源问题。因此通过无线输电技术，可以解决电力传输问题。

参考文献

[1]王景星.无线输电关键技术及其应用[J].山东工业技术,2017(24):169.DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.153.

[2]程时杰,陈小良,王军华,文劲宇,黎静华.无线输电关键技术及其应用[J].电工技术学报,2015,30(19):68-84.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.2015.19.011.

[3]傅林,李寿强.无线输电发展动态及新趋向[J].成都工业学院学报,2015,18(02):41-44.DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.02.013.