研究前沿︱《无线输电关键技术及其应用》之二：重大科学问题与关键技术
中国电机工程学会、武汉大学电气工程学院、华中科技大学电气与电子工程学院、广西大学电气工程学院的研究人员程时杰、陈小良、王军华、文劲宇、黎静华，在2015年第19期《电工技术学报》上撰文，随着科技的快速发展，无线输电技术逐渐引起了国内外的高度关注。
首先介绍了无线输电技术的背景及国内外发展现状，然后对我国无线输电技术的发展趋势和应用前景进行了分析，论述了我国发展电磁感应的短距离、磁共振的中距离、微波无线输电技术和飞秒激光长距离无线输电技术的重大科学问题和关键技术，最后针对无线输电技术在我国电力设备制造技术、输电网发展、配电网发展、智能电网和新能源利用方面的研究发展与应用进行了探讨。
3.1 重大科学问题
如前文所述，无线输电技术的技术需求与传统的有线传输方式等有很大的不同，主要体现在与工频交流和直流传输方式不同，主流的无线输电方式频率较高，因此需要解决设备在大功率、高频率和长寿命条件下产生的一系列问题，并研究此条件下系统的设计优化和控制策略，验证传输的安全性。
（1）传输理论研究和系统建模
基于磁共振耦合的中距离传输方式是一种新兴的传输方式，在对这种方式的传输系统进行建模分析，很少直接采用线圈的详细物理参数建立数学模型，大多数采用基于耦合模理论的微分方程、含有耦合电感的电路模型或者二端口网络对其传输机理进行分析。这些传输模型都能较为准确地反映出磁共振耦合现象，并在一定程度上解决实际问题，但都存在明显的不足使其应用条件受到很大限制。
电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[17]，理论上可以计算出耦合磁场输电细节。然而对于尺寸较大的系统，分析计算过程是非常复杂的，虽然借助电磁场有限元分析仿真软件可以求得分部场的直观数值解，但会耗费大量时间和资源，在进行系统设计和参数优化时十分不便。
耦合模理论是解释两个或多个电磁波模式间耦合的普遍规律的微扰分析理论，可以避免具体对象繁杂的物理参数，径直对目标间的能量耦合进行计算。基于耦合模理论的微分方程虽然可以从能量角度进行分析，但是不够直观，无法将线圈的详细物理参数，与传输效率、传输容量等系统设计优化所关注的数值直接关联起来；含有耦合电感的电路模型较为直观，认为发射端电路和负载端电路之间，由发射线圈与接受线圈之间的互感耦合，根据电路理论进行分析计算，是目前国内分析建模时较多使用的模型，但是由于忽略了线圈和器件在高频条件下的特性，分析计算较粗略，不利于有关高频电磁场方面的分析，在进行设计时，可以适用的频率范围受到很大限制。
二端口网络分析方法将输电与转换部分看作一个二端口网络，利用测得的端口参数对系统进行求解，同样缺乏直观性。传输理论研究和系统建模时还需要关注更多与设计优化直接相关的问题，如发射端与接收端的阻抗匹配问题，系统本征频率的控制问题，传输通道上的功率密度分布问题。
基于微波的长距离无线输电系统作为一个以微波能量为传输介质、以高效率为核心要求的系统，微波无线输电系统涉及到高效率高能量的微波器件、低损耗的微波溃电、高效率高功率微波发射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集，其关注点和相关收发机理和理论方面与传统的通信系统存在很大的差距。需要重点考虑能量收/发合作系统波束匹配、功率密度/工作点匹配、黑体接收、大功率空间赋型波束合成、非线性负载阵列天线等问题。
（2）大功率高频器件
在中短距离的无线输电方面，高效率大功率的应用需求要求电源不仅拥有足够的高频电能转换能力，亦需要具有稳定可控的输出频率，因为电源的构造是一个巨大的难点。长距离、大容量的长距离无线输电技术更是要求相关器件的设计方法、基础材料理论和机理具有重大的创新，是需要重点研究的科学问题。
（3）多场耦合机理和理论
中短距离的传输系统中由于很大一部分能量散失是由于电源的功率损耗，在电源损耗与线圈之间的传输损耗之间取舍，需要考虑电路与高频电磁场的耦合联合分析计算问题。温度变化也会导致最优传输频率的改变，因此还需要深入研究温度场与电路、电磁场的耦合关系。
长距离微波功率发射阵列天线的多场问题表现为结构位移场、电磁场、温度场三场的双向及强耦合关系。首先要研究三场耦合建模，微波功率发射天线结构位移场的变化会导致温度场与电磁场的变化，温度场的变化又会通过热传导方式影响结构位移场，同时通过改变电子器件性能从而影响电磁场，因此需深入研究电磁场、结构位移场、温度场等多物理场之间的耦合关系，挖掘多场之间的物理联系参数及影响因素，研究影响微波功率阵列天线综合性能的因素，提出多场耦合理论模型的数学表达方法，寻求系统规划构造的最优平衡解，从而解决发射天线多个学科领域之间、多个目标之间的耦合、计算复杂性等问题。
（4）效率最优和功率最优控制策略
中短距离传输中，频率漂移和频率分裂的现象时常产生。频率分裂现象是无线输电系统中发射端与接收端之间的耦合系数存在多个极大值的现象，这是在磁耦合共振式和电磁感应式无线输电中都经常会发生的问题。频率分裂使系统控制策略面临巨大的问题，难以快速寻找到全频段最优的传输频率，同时对于已经处于最优工作点的系统，使得该系统的状态很难稳定。运作频率的抉择和调控对整体传输效率的提升起决定性的作用。
为了有效解决短中无线输电系统稳定性差的问题，需要研究系统传输效率峰值如何取得的问题，确定影响效率峰值的变量因子，同时开展跟踪系统传输效率峰值控制理论与方法研究，从而保持传输系统始终处于稳定高效的运行状态。
长距离传输中从安全性和高效率的角度都要求微波波束保持非常高的指向性。天线抖动、电离层闪烁、大气湍流均会直接影响高精度波束指向，依靠传统的机械控制极难实现如此高的精度，目前主要考虑通过调整微波发射天线各发射单元的微波相位实现整体快速的波束高精度指向调整。
由于发射天线尺寸大，发射单元多，对相应的波束控制带来很大的难度，对于移相精度、控制电路等提出极高的要求，有必要展开相关高精确度的波束指向控制理论与方法研究。
（5）对电磁环境的影响和电磁兼容问题
在中短距离的无线输电系统内部及其工作环境中，有着各式各样的在电子设备，在高频大功率的电磁场中，它们很易受到干扰。相较于传统的电能传输方式，中短距离无线传输系统中有很多对高频电磁场敏感的参数，可成为等效负载，造成系统最优传输频率的漂移。
尤其在中距离磁共振耦合方式中，干扰电磁场的频率越接近系统的共振频率，对传输的影响越大，例如其他设备中的整流、逆变模块产生的高次谐波有时会与共振频率相近，对传输效率会造成非常明显的干扰。
关于系统稳定工作对于电磁环境的要求，以及系统工作时对周边电气设备的影响的研究还不多，这是无线输电领域一个值得引起注意的重大科学问题。
无线输电尚不能像有线传输模式在传能通道上实施彻底的安全措施，也不是像无线通信方式只传输功率极小的信号，而是在频率相对较高的情况下传输较大的能量，而在高频磁场中人体会承当何种程度的安全风险，以及将潜在威胁尽可能规避，至今仍旧没有权威的定论或得到普遍认可的结论。
虽然有部分与电磁环境对传输的影响问题、传输电磁兼容问题和安全问题相关的研究，但大部分研究尚处于起步阶段，有必要进一步探究中短距离无线输电系统的高频电磁场对人体健康和自然环境是否有负面作用的问题。
对电磁环境的影响和电磁兼容问题不仅是中短距离无线输电技术需要解决的重大问题，较大功率的微波辐射对于地面生物体和环境的长期影响效应也需要开展深入研究。还需要特别考虑大功率微波传输对于通信等应用的干扰影响、对误进入该区域的飞行器等的安全性研究。
3.2 关键技术
（1）大功率高频电源技术
高频电源作为无线输电系统中工频交流和直流到高频能量转换的关键部件，在无线输电中，需要高频率、大功率且使用寿命长的功率放大器作为电能变换装置，主要考虑的设备参数有输出功率、输出频率、转换效率、重量和体积等。从实际应用需求的角度出发，高频电源需要具备输出频率和相位可控且输出高度稳定的特点。
但是由于器件性能的限制，传统的电力电子领域的高频逆变器输出频率不够高，微波通信领域的大功率射频功输出功率不够大，使用磁控管的微波源虽然可以兼顾输出频率和功率的要求但使用寿命短，均难以满足无线能量供应的要求。
无线输电中，为了实现电源的可控，目前多采用电力电子逆变技术来实现[55-57]，然而受开关管等元件的技术参数约束，这一类电源的输出频率若要达到兆赫兹的水平难度非常大，随着输出功率的提升，提升频率难度也进一步增强。
在功率需求不高的场合，为达到传输大频率功率的目的，采用了射频领域的电源技术，采用E类射频功率放大器原理进行电源构造，这一种电源频率相对更高很容易达到兆赫兹级别，不足之处在于对阻抗匹配的需求相对较高，进行相关的设计和试验验证起比较有难度。
（2）发射端技术
磁共振耦合方式中，发射线圈线的物理参数是决定系统共振频率的决定性参数，传输效率的关键因素就在线圈是否具有合适的品质因数。线圈的品质因数，与线圈的电感，电阻值以及系统工作频率先关，所以线圈设计技术的核心就是线圈高频下阻抗特性的调整。
当发射线圈的高品质因数过高时，传输系统的共振频率很高，传输效率也很高，但受系统中各种高频杂散电容参数的影响，线圈的稳定性相对较低，工作频率稍有偏移效率会急剧下降。需要通过线圈自匹配技术或者带可控电容的线圈结构，控制线圈的电容参数，实现的跟随频率变化的阻抗匹配。
发射线圈本身参数的优化主要对线圈的选材、结构设计等方面进行考量，例如采用中继线圈的多线圈传输技术、基于多场耦合联合仿真分析技术设计具有良好磁场分布的线圈结构以实现系统的效率优化，采用超导材料线圈、线圈表面覆盖磁性介质等技术改善线圈的物理参数和传输通道上的磁场分布的新材料应用与新型结构设计技术。
长距离微波传输中，发射天线尺寸极大，保证微波能量经一定距离传输后仍能集中于接收天线位置。为了实现发射天线与接收天线之间高效率、大功率的无线输电，微波无线输电所要求的高增益、大功率容量、频带宽度等要求，需要涉及多场耦合分析与集成设计技术、天线结构创新设计技术、大尺寸柔性形面高精度保持技术、精密波束调整技术和高效热控技术等。
（3）动态跟踪控制技术
在中短距离的无线输电中，使得传输效率最大化的传输频率和阻抗匹配情况均会随环境条件的变化发生一定程度的改变，尤其是在前文提到的频率分裂现象和温度引起的频率漂移现象发生时。通过系统参数的合理设计来规避这些问题具有一定的局限性，因此目前中短距离的无线输电的优化和控制技术是必不可少的。
在长距离的无线输电中，能束对准接收端的状态极大程度地影响系统整体效率。微波发射天线和接收天线间需要具有很高的指向精度，必须采用高精度的发射波束控制，需要研究逆向波束控制技术、大规模发射天线阵列校准技术和分布式信号同步技术来实现所需的波束指向精度。
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