基于共振磁耦合的高压输电线路在线监测设备无线供电理论与关键技术研究

Reliable power supply for online monitoring devices of high voltage transmission lines is one of the key points in maintaining the safety and stability of power grid. Through analyzing the high-voltage transmission line environment, the working status and the power characteristics, a wireless power transmission method based on resonant magnetic coupling is proposed. The project will analyze the high-voltage transmission line environment , the working status and the power characteristics to propose the method for high frequency conversion. A numerical resonant magnetic coupling model based on S-parameter theory for the wireless energy transmission system will be derived firstly in order to study the key characteristics of the system. Then the high-frequency finite element simulation and circuit coupled model for the system will be built. Next, the variation trend of the resonant frequency while adding series capacitances,parallel capacitances and/or inserting mid-film with high-electrical-medium titanium dioxide combined material will be studied. The high-frequency high-power IGBT switching devices or other devices will be used to replace the original power MOSFET, reducing power consumption. Advanced materials and control method will be applied to solve the heat problem. We will study the resonant frequency triggering and tracking feedback circuits to make the system quickly reaches a state of resonance while reducing the frequency swift due to the change of the load or other objects around, and to maintain the steady-state resonance.The wireless power prototype will be designed and online trial experiments will be done. Then the power management circuits will be developed to ensure the performance of the proposed system.

研究高压输电线路在线检测设备新的、可靠供电方式，是保障电力系统安全运行的关键之一。本项目针对高压输电线路运行环境、工作状态及功率特性，提出基于磁耦合技术的无线供电系统。建立基于S参数分析法的系统数值模型，解决系统关键特征参数计算问题，为系统设计提供理论依据。建立系统高频有限元联合仿真模型，设计和优化系统电磁结构，得到串/并联电容及引入高电介质纳米材料二氧化钛结合物对系统共振频率影响的规律，并得到共振频率对辐射电阻的影响规律。采用新型低功耗电力MOSFET管或高频大功率IGBT级联多电平方式降低功耗，引入新型碳纳米管基散热材料提供良好散热条件。设计共振触发电路和频率跟踪控制算法，使系统迅速达到共振状态的同时减小由于负载变化等导致的频率漂移和失谐。设计无线供电电源样机，开发电源管理电路，通过模拟试验和现场试验，考虑电磁兼容，解决高压输电线路在线检测设备共振磁耦合无线供电的理论与关键技术问题。

稳定的电源是推动高压在线监测技术智能化发展的重要因素，而监测设备传统供电方式受到应用和绝缘条件限制，存在易受环境影响、可靠性差、效率低、成本高等弊端。近年来，无线电能传输技术(Wireless Power Transfer, WPT)的快速发展为高压输电线路在线监测设备的供电方法提供了新的思路。本课题针对在线监测设备无线供电理论与关键技术进行了深入研究，提出了设计方案，并试制了原理样机，构建了可挂网运行的无线供电系统。.本课题建立了共振磁耦合无线供电理论模型，确定了共振磁耦合无线供电系统的关键特征参数，研究了共振磁耦合无线供电系统在高压输电线路复杂环境下的共振线圈优化设计、高频电源设计及散热问题，在此基础上建立了基于实验和仿真的系统数值模型和整体设计方案，设计了共振触发电路和系统频率跟踪方案，通过电容补偿网络降低系统共振频率，通过频率跟踪控制维持系统稳定高效的工作状态，同时分析了系统的安装对于输电线路绝缘性能的影响，最终研制了基于共振磁耦合机理的适用于高压设备安全、可靠、高效无线供电方案及可挂网的样机，实现了将共振磁耦合无线供电技术应用于高压输电线路监测设备供电。.本课题实现了3 m距离及以上的在线监测设备无线供电，输出功率保持在20 W以上，并且电源的转换效率达到了80%。通过仿真及实验对挂网前后的绝缘特性、电场电压分布进行验证，明确了所设计的在线监测设备无线供电系统具有在110 kV及以上电压等级的高压输电线路应用的可行性。.本课题的研究成果不仅为研制高性能高压输电线路监测设备共振磁耦合无线供电系统提供科学方法和技术基础，也为共振磁耦合无线供电技术广泛应用于高压电力传输领域提供了新的思路与方法。