CN107453490A - 一种无线电力传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电力传输技术，具体涉及一种无线电力传输装置，包括功率发送单元和功率接收单元；功率发送单元包括：双CT取能线圈，整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置，电磁发射线圈；功率接收单元包括：电磁接收线圈，串联补偿装置，整流稳压装置，储能装置；双CT取能线圈与整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置依次连接，LCL补偿装置与电磁发射线圈连接；串联补偿装置与电磁接收线圈连接，串联补偿装置与整流稳压电路，储能装置依次连接，储能装置连接负载。该传输装置既可保证足够的电能采集，又可减轻线路承重；还能保证足够的功率输出，延长电池的寿命。具有广阔的市场应用前景。

Description

一种无线电力传输装置
技术领域
本发明属于无线电力传输技术领域，尤其涉及一种无线电力传输装置。
背景技术
近年来，随着智能电网概念的不断深化及其技术的不断发展，数字化监测技术的应用已日益普遍，特别是在高压监测***中，有些数字化监测设备已经实现了产业化，在这些监测***的实现过程中必须解决的一个重要问题如何对这些用电设备持续进行供电。传统的方法有两种：一种是利用太阳能电池板取能，这种方法虽然成本较低，但是缺点非常明显，为保证输出足够的功率，太阳能电池板需要很大的面积，在高压杆塔上要固定这些电池板，存在一定的问题；另外，这种方法受天气因素影响比较大，难以稳定供电。
另一种杆塔用电设备的供电方案是利用蓄电池供电，相对于太阳能电池板，蓄电池供电更为稳定，但是普通蓄电池容量有限，放电时间不够长，需要经常更换，维护成本高，另外普通蓄电池太过笨重，安装在杆塔上可能会对杆塔的结构稳定性造成一定影响。针对目前高压杆塔用电设备的供电难题，考虑采用无线电力传输技术来克服上述的种种问题。
现有的无线电力传输技术至少包括以下五个方向：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。
电磁感应式：电磁感应的基本原理基于法拉第电磁感应定律，其基本结构类似于变压器，在发射器和接收器上各有一个线圈，发射端线圈连接有线电源，电流通过线圈产生电磁信号，接收端线圈感应发射端的电磁信号从而产生电流供给给用电端设备。特点是传输功率大、效率高，但传输距离短，用于小中功率的近距离送电。
电磁共振的原理与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。
微波式：微波技术发展较为成熟，原理与收音机相同，主要有微波发射装置和微波接收装置构成，接收装置通过微带整理天线接收到发射端发射的微波信号并将之转换为稳定的电压电流输出。特点是传输距离远，能量较大，但效率较低，且存在微波辐射安全性问题，可用于大功率、几米到几千米的远距离传输。
超声波无线供电：超声波是指超过人耳识别范围外的声波,其工作原理是基于压电效应与逆压电效应。超声波可通过压电材料的逆压电效应方便地转化成电能，其实现方式是发射端通过控制压电材料器件将电能转换为超声波，接收端通过压电材料接收器件的逆压电效应将超声波能量转换为电能。特点是传输距离较远，可实现“一对多”传能，但功率较小，可用于手机等电子产品的无线充电。
激光式：激光传能是利用激光的定向性传输及其在空间中的衰减特性来实现能量的传输，其原理是发射端将电能通过光学器件转换为定向激光，接收端通过激光接收器件将光能转换为电能，从而实现电能的无线传输。特点是传输距离远，传输效率高，传输功率较大，但无法隔离且对位精准度要求较高，应用于无人机等设备的点对点充电。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用无线电力传输技术传送电能的装置，利用双CT取能线圈，既可保证足够的电能采集，又可减轻输电线路承重；用电设备端的储能装置采用锂电池与超级电容的备用电源方案，既减轻了装置重量，还能保证足够的功率输出及功率输出的稳定性，同时延长了锂电池的寿命；在发射端与接收端加入补偿电路，实现恒流恒压供电。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无线电力传输装置，包括功率发送单元和功率接收单元；
功率发送单元包括：双CT取能线圈，整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置，发射线圈；
功率接收单元包括：接收线圈，串联补偿装置，整流稳压装置，储能装置；
双CT取能线圈与整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置依次连接，LCL补偿装置与发射线圈连接；
串联补偿装置与接收线圈连接，串联补偿装置与整流稳压电路，储能装置依次连接，储能装置连接负载；
发射线圈向接收线圈传递能量。
在上述的无线电力传输装置中，接收线圈与发射线圈分别安装于绝缘子上端和下端；双CT取能线圈绕在输电线路上；整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置和LCL补偿装置均悬挂于输电线路上；储能装置安装在绝缘子悬挂支架内侧，串联补偿装置及整流稳压装置安装在绝缘子的悬挂支架外侧。
在上述的无线电力传输装置中，接收线圈和发射线圈中均加入高磁导率材料层，其中心均设置有固定圆环，线圈采用三根维稳支架固定，每两根维稳支架之间夹角均为120度，且维稳支架采用三角形支架；接收线圈通过固定圆环安装在绝缘子上端；发射线圈通过固定圆环安装在绝缘子下端，设置在发射线圈上的维稳支架与输电线路相连。
在上述的无线电力传输装置中，双CT取能线圈采用双磁环CT结构，且两磁环CT之间有间隔。
在上述的无线电力传输装置中，整流与闭环阻抗匹配装置采用隔离型整流电路，并在整流电路之后加入霍尔电压元件与霍尔电流元件。
在上述的无线电力传输装置中，储能装置采用超级电容并联在锂电池两端。
在上述的无线电力传输装置中，高频电源装置采用全桥逆变方式。
在上述的无线电力传输装置中，串联补偿装置采用复合型切换补偿结构。
本发明的有益效果是：双线圈CT取能，兼顾取能功率要求和输电线路的承重要求；整流与闭环阻抗匹配保证CT取能功率的最大化；无线充电技术在保证传输效率的基础上将高压侧与低压侧进行隔离；发射端的LCL补偿装置保证无线电力传输***对外有相对恒定的发射交变磁场，增强***稳定性；接收端的复合型切换补偿结构通过开关切换实现恒压输出恒流输出，实现简单的恒压恒流充电方式；用电设备的备用电源采用超级电容与锂电池复合储能，既保证储能效果，又延长了锂电池的寿命。本发明所涉及的无线电力传输装置，设计方案明了，充分考虑了无线充电过程中可能出现的问题，并提出了各种解决办法，为高压杆塔用电设备的供电提供科学有效的方案。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的安装示意图；
图3是本发明一个实施例的双CT取能线圈示意图；
图4是本发明一个实施例的整流与闭环阻抗匹配装置12电路示意图；
图5是本发明一个实施例的主电路拓扑图；
图6(a)是本发明一个实施例的耦合线圈示意图，图6(b)是本发明一个实施例耦合线圈安装图；
图7是本发明一个实施例用电设备的备用电源第一种工作模态；
图8是本发明一个实施例用电设备的备用电源第二种工作模态；
图9是本发明一个实施例用电设备的备用电源第三种工作模态；
其中：1-功率发射单元，11-双CT取能装置，12-整流与闭环阻抗匹配装置，13-高频电源装置，14-LCL补偿装置，15-发射线圈；2-功率接收单元，21-接收线圈，22-串联补偿装置，23-整流稳压装置，24-储能装置，25-负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是采用以下技术方案来实现的，一种无线电力传输装置，包括功率发送单元和功率接收单元；
功率发送单元包括：双CT取能线圈，整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置，发射线圈；
功率接收单元包括：接收线圈，串联补偿装置，整流稳压装置，储能装置；
双CT取能线圈与整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置依次连接，LCL补偿装置与发射线圈连接；
串联补偿装置与接收线圈连接，串联补偿装置与整流稳压电路，储能装置依次连接，储能装置连接负载；
发射线圈向接收线圈传递能量。
进一步，接收线圈与发射线圈分别安装于绝缘子上端和下端；双CT取能线圈绕在输电线路上；整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置和LCL补偿装置均悬挂于输电线路上；储能装置安装在绝缘子悬挂支架内侧，串联补偿装置及整流稳压装置安装在绝缘子的悬挂支架外侧。
进一步，接收线圈和发射线圈中均加入高磁导率材料层，其中心均设置有固定圆环，线圈采用三根维稳支架固定，每两根维稳支架之间夹角均为120度，且维稳支架采用三角形支架；接收线圈通过固定圆环安装在绝缘子上端；发射线圈通过固定圆环安装在绝缘子下端，设置在发射线圈上的维稳支架与输电线路相连。
进一步，双CT取能线圈采用双磁环CT结构，且两磁环CT之间有间隔。
进一步，整流与闭环阻抗匹配装置采用隔离型整流电路，并在整流电路之后加入霍尔电压元件与霍尔电流元件。
进一步，储能装置采用超级电容并联在锂电池两端。
进一步，高频电源装置采用全桥逆变方式。
更进一步，串联补偿装置采用复合型切换补偿结构。
具体实施时，一种无线电力传输装置，包括功率发送单元和功率接收单元。功率发送单元包括：双CT取能线圈，整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置，发射线圈；功率接收单元包括：接收线圈，串联补偿装置，整流稳压装置，储能装置。其工作流程为：双CT取能线圈从输电线路高压侧取能，与隔离型整流电路相连，闭环阻抗匹配装置实时匹配负载阻抗；高频电源装置产生高频交流电，经LCL补偿装置后给发射线圈提供恒定的高频电流；接收线圈接收功率后经串联补偿装置及整流稳压装置，实现恒压输出为储能装置供电，进而为相应的高压输电线路低压侧的负载供电。
而且，对取能模块做了改进，传统的CT取能只有单线圈，且CT取能磁环较重，无线供电***设计需要100W的电能输入，在设计时单个CT磁环取能容量较小，如果设计满足100W输出需求的CT磁环重量可能会给输电线路造成不良影响。针对这些问题，采用双磁环CT结构，在输电线路上实际应用时两磁环CT之间间隔一定距离，既可保证设备重量不会对输电线路造成不良影响，又可保证取能模块功率输出的稳定性。
而且，由于负载阻抗的变化会影响取能功率的大小，互感器二次侧的整流电路后加入了霍尔电压元件与霍尔电流元件对输出端的电压与电流进行采样，计算出负载阻抗并将信息反馈到阻抗匹配控制模块，阻抗匹配控制模块将阻抗信息与原边电阻比较，并发出信号驱动滑动电机，通过改变中心抽头的位置改变副边匝数，使得或实现原副边阻抗匹配，保证取能功率达到最大值。公式中，N1：整流电路原边线圈匝数，N2、N3：整流电路副边线圈匝数，Zload：整流电路的负载阻抗，R0：双线圈电流互感器副边采样电阻，Re为阻抗Zload的实部。
而且，在选取电能变换电路时考虑了很多因素，考虑到无线供电***高频电源的研究现状和***的功率传输等级、应用场合以及耦合***结构等因素，功耗、散热问题对发射端高频变换装置的约束，以及现场实际安装对高频电源模块大小的限制，为提高***整体能量的利用率和效率，本实施例的无线供电高频转换拓扑由全桥逆变方式实现。
而且，在发射端与接收端都加入了补偿电路。由于输电线路的风偏、抖动等会导致互感值的变化，进而影响***的鲁棒性，需设计适合于输电线路特殊环境的补偿拓扑结构；在发射端采用LCL补偿装置作为补偿拓扑时，接收线圈电感量、负载和互感变化不会影响发射线圈上流过的电流值，保证无线供电***对外有相对恒定的发射交变磁场，***稳定性增强。同时，LCL补偿装置使得共振驱动拓扑对开关元件的电气应力要求降低。在接收端，采用复合型切换补偿结构串联补偿装置，可稳定接收端的电压，通过开关切换实现恒压输出恒流输出，这种切换补偿结构可实现简单的恒压恒流充电方式，同时减少发射电流和开关损耗，实现恒流恒压为负载供电。综上，本实施例在无线供电***中选用LCL复合型切换补偿拓扑网络。
而且，对耦合线圈进行了改进，为了提高电磁传输效率，在线圈中加入了高磁导率材料，同时为了在绝缘子上固定住线圈，加入了固定圆环，并考虑到三角形的稳定性最好，维稳支架采用三角支架形式，每两条支架之间的角度为120度。发射线圈的固定支架还与高压线路相连，保证发射线圈端与高压线路等电位，避免高压电路对发射线圈造成电磁干扰。
而且，由于电力***的负荷包含高峰期与低谷期，为了保证极端情况本装置依然能够工作，用电设备必须有备用电源。但是，高压杆塔的空间有限，普通电池重量大，可能会对杆塔结构造成不利影响；循环次数有限，寿命短，维护成本高。针对这种问题，本实施例储能装置采用锂电池作为备用电池，并在锂电池两端并联超级电容。超级电容和锂电池都较轻便，减轻了整个装置的重量。而超级电容并联在锂电池两端，有利于稳定锂电池的输入电压，减小锂电池的损耗。同时超级电容的加入可以减少锂电池的充放电次数，延长了锂电池的寿命。
如图1所示，一种无线电力传输装置，包括：功率发送单元1和功率接收单元2。功率发送单元1包括：双CT取能线圈11，整流与闭环阻抗匹配装置12，高频电源装置13，LCL补偿电路14，发射线圈15；功率接收单元2包括：接收线圈21，串联补偿装置22，整流稳压装置23，储能装置24，负载25。工作时双CT取能线圈11从输电线路取能，与隔离型整流电路相连，闭环阻抗匹配实时匹配负载阻抗；高频电源装置13产生高频交流电，经LCL补偿装置后给发射线圈15提供恒定电流，提高***的稳定性；接收线圈21接收功率后经串联补偿装置，实现为负载25恒压供电。
如图2所示，本实施例无线电力传输装置为高压杆塔用电设备无线供电时的安装示意图。双CT取能线圈11绕在高压输电线路上，并集成了隔离型整流电路与闭环阻抗匹配装置，为避免绝缘子承重太大，高频电源装置13与LCL补偿装置14同样悬挂于高压输电线路上。发射线圈15悬挂于绝缘子下端，为了将发射线圈15固定在绝缘子上，发射线圈15上的固定支架采用三角形结构，每两根之间夹角均为120度。接收线圈21安装于绝缘子顶端，接收线圈21采用与发射线圈15同样的固定支架。功率接收侧的串联补偿装置22及整流稳压装置23安装在绝缘子的悬挂支架上，而考虑到锂电池与超级电容的组合较重，储能装置24安装在悬挂支架偏内侧，以提高稳定性。
如图3所示，为双CT取能线圈示意图，传统的CT取能只有单线圈，且CT取能磁环较重，本实施例所涉及的无线供电***设计需要100W的电能输入，在设计时单个CT磁环取能容量较小，且设计满足100W输出需求的CT磁环重量可能会给输电线路造成不良影响。针对这种问题，采用双磁环CT结构，在输电线路实际应用时两磁环CT之间间隔一定距离，既可保证设备重量不会对输电线路造成不良影响，又可保证CT取能模块的功率输出的稳定性。
如图4所示，是本实施例的整流与闭环阻抗匹配装置12电路示意图，由于电流互感器的负载变化会影响取能装置的输出功率，当实现最佳阻抗匹配时取能功率最大。闭环阻抗匹配装置的工作方案为：采样电阻将电流互感器的电流信号转变为电压信号，并作为隔离型整流电路的输入端，整流电路输出端加入了霍尔电压元件与霍尔电流元件对输出端的电压与电流进行采样，计算出负载阻抗并将信息反馈到阻抗匹配控制模块，阻抗匹配控制模块将阻抗信息与原边电阻比较，并发出信号驱动滑动电机，通过改变中心抽头的位置改变副边匝数，使得或实现原副边阻抗匹配，保证取能功率达到最大值。
如图5所示，是本实施例主电路的拓扑结构图。Uin为整流电路的输出电压，考虑到无线供电***高频电源的研究现状和***的功率传输等级、应用场合以及耦合***结构等因素，功耗、散热问题对发射端高频变换装置的约束，以及现场实际安装对高频电源模块大小的限制，为提高***整体能量的利用率和效率，本实施例的无线供电高频转换拓扑由全桥逆变方式实现。在发射端与接收端加入了补偿电路。由于输电线路的风偏、抖动等会导致互感值的变化，进而影响***的鲁棒性，需设计适合于输电线路特殊环境补偿拓扑结构；在发射端采用LCL型作为补偿拓扑时，接收线圈电感量、负载和互感变化不会影响发射线圈上流过的电流值，保证无线供电***对外有相对恒定的发射交变磁场，***稳定性增强。同时，LCL补偿结构使得共振驱动拓扑对开关元件的电气应力要求降低。在接收端，串联补偿装置采用复合型切换补偿结构，可稳定接收端的电压，通过开关切换实现恒压输出恒流输出，这种切换补偿结构可实现简单的恒压恒流充电方式，同时减少发射电流和开关损耗，实现恒流恒压为负载供电。
如图6(a)所示，为本实施例发射线圈15和接收线圈21结构示意图，在线圈中加入了高磁导率材料层。如图6(b)所示，为了将线圈固定在绝缘子，线圈上还设置了固定圆环和维稳支架，并考虑到三角形的稳定性最好，维稳支架采用三角支架，每两条维稳支架之间的角度为120度。发射线圈15的维稳支架与输电线路相连，保证发射线圈端与输电线路等电位，避免输电线路对发射线圈造成电磁干扰。
为提高***的供电稳定性并延长锂电池的寿命，储能装置采用超级电容与锂电池复合储能方法。超级电容作为储能元件，具有极高的功率密度，且无充放电次数限制，但能量密度较低，难以长时间放电。锂电池具有较高的能量密度，但不能承受大功率放电，且充放电次数有限。超级电容与锂电池复合储能的方法即把超级电容并联在锂电池两端，此方法结合了二者的优点，既能满足用电设备的高功率需求，又能保证足够长的供电时间。以下面结合说明书附图说明用电设备的备用电源的三种工作方式：
第一种工作方式：如图7所示，正常工作状态下，比如，用电高峰期或是刚进入用电低谷期，超级电容储备了充分的电能，此时无需锂电池的参与，只有超级电容通过功率变换器为用电设备供电。
第二种工作方式：如图8所示，用电低谷期时，CT线圈取能不足，超级电容电能不足，或是当用电设备某一时刻需求的功率，电容提供的功率不足，此时便由锂电池与超级电容一起通过功率变换器给用电设备供电。
第三种工作方式：如图9所示，当锂电池电量低于80％时，通过超级电容为锂电池充电。当锂电池电量在80％以上时，不进行电能补充，这样便防止了锂电池的频繁充电放电，也可有效防止电池的过度充电与过度放电，延长了电池的寿命。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种无线电力传输装置，其特征是，还包括功率发送单元和功率接收单元；
功率发送单元包括：双CT取能线圈，整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置，发射线圈；
功率接收单元包括：接收线圈，串联补偿装置，整流稳压装置，储能装置；
双CT取能线圈与整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置，LCL补偿装置依次连接，LCL补偿装置与发射线圈连接；
串联补偿装置与接收线圈连接，串联补偿装置与整流稳压电路，储能装置依次连接，储能装置连接负载；
发射线圈向接收线圈传递能量。
2.如权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征是，接收线圈与发射线圈分别安装于绝缘子上端和下端；双CT取能线圈绕在输电线路上；整流与闭环阻抗匹配装置，高频电源装置和LCL补偿装置均悬挂于输电线路上；储能装置安装在绝缘子悬挂支架内侧，串联补偿装置及整流稳压装置安装在绝缘子的悬挂支架外侧。
3.如权利要求2所述的无线电力传输装置，其特征是，接收线圈和发射线圈中均加入高磁导率材料层，其中心均设置有固定圆环，线圈采用三根维稳支架固定，每两根维稳支架之间夹角均为120度，且维稳支架采用三角形支架；接收线圈通过固定圆环安装在绝缘子上端；发射线圈通过固定圆环安装在绝缘子下端，设置在发射线圈上的维稳支架与输电线路相连。
4.如权利要求2所述的无线电力传输装置，其特征是，双CT取能线圈采用双磁环CT结构，且两磁环CT之间有间隔。
5.如权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征是，整流与闭环阻抗匹配装置采用隔离型整流电路，并在整流电路之后加入霍尔电压元件与霍尔电流元件。
6.如权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征是，储能装置采用超级电容并联在锂电池两端。
7.如权利要求1所述的无线电力传输装置，其特征是，高频电源装置采用全桥逆变方式。
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