高压无线传能系统的功率优化研究

论文总字数：24698字

摘 要

在线监测设备对于高压线路的故障预警和故障处理起着重要的作用，保障着电网的安全稳定运行。然而如何为这类设备高效稳定地供电一直没有得到完美的解决。

本文从原理上分别对高压取能和磁耦合谐振技术展开了分析。随后提出了将两种技术应用在高压无线传能系统中为在线监测设备供电的方案。通过高压线路感应取电，电能通过空间磁场传输给用电设备，从而解决了太阳能和风能供电不稳定，电池供电需要频繁更换等一系列问题。对于用电设备来说，高压无线传能系统无疑是一种更加安全、稳定、可靠的供电方案。

基于高压线路在线监测设备的供电需求，本文设计了一套满足1.2米传输距离，传输功率大于15瓦的高压无线传能系统，并利用仿真得出了传输系统的参数特性。本文针对现实环境中可能出现的各种干扰进行了仿真，从仿真结论中选取了能满足设备正常工作的扰动区间，并在实验中验证了仿真结果。

本文又对现有的系统进行了功率优化设计，提出了一种加入中继线圈的运行方式，并对该设计进行了MATLAB仿真。仿真结果表明，中继线圈的加入大幅度地提升系统的传输功率和整体效率，随后的实验也验证了功率优化的有效性。从最后的实验结果看，该系统的性能达到了并部分超过了设计要求。

关键词：高压线路，谐振耦合，无线传能，系统设计，功率优化，仿真

ABSTRACT

Monitoring device of high-voltage transmission line is of great importance to the safe and stable operation of grid. However, the way of power supply for the high voltage line on-line monitoring equipment is not efficient and reliable.

In the process, mechanism analysis of the wireless power transmission system based on magnetic resonance coupling is performed. And then, the application of the wireless power transmission system based on magnetic resonance coupling in supplying power for the high voltage line on-line monitoring equipment is introduction. The induction captures electric energy from the high voltage line. And the electric energy is delivered through the space magnetic field to electric equipment. It solves the problem that the solar power supply is not stable, and reduces the replacement of batteries. It provides a power supply model which is safe, stable and reliable.

According to the requirements of the power supply of the high voltage line on-line monitoring equipment, the process designs a wireless power transmission system which can transmit 15 watts of power over 1.2m to sensors. We do a series of simulation to the property of different parameters. According to simulations and experiments, we pick out working range in circumstances of different interferences.

At last, we add an repeating coil to optimize power. This is an effective way to increase the output power and the system efficiency. We do the simulation about it, and using an experiment to prove the correctness of the simulation. The experiment results show that the system performance meets the requirement.

Key words: high voltage transmission line, magnetic resonance, wireless power transmission, system design, power optimization, simulation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 无线电能传输的发展历史及应用领域 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究现状 3

1.3.2 高压取能技术研究现状 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 高压无线传能系统原理与设计 7

2.1 系统结构 7

2.2.1取能互感器原理 7

2.2.2取能装置系统结构 9

2.2.3取能互感器设计 10

2.3 传能装置原理与设计 11

2.3.1基于耦合模理论的无线功率传输模型分析 11

2.3.2基于电路互感理论的无线功率传输模型分析 15

2.4 加入中继线圈的设计分析 16

2.5 本章小结 18

第三章 磁耦合谐振无线传能系统的仿真分析与功率优化 19

3.1 磁耦合谐振无线传能系统传输特性仿真： 19

3.2 系统受外部干扰的仿真分析 21

3.2.1 负载变化对系统传输功率和传输效率的影响 21

3.2.2 线圈横向偏移对系统传输功率和传输效率的影响 23

3.2.3 线圈角度变化对系统传输功率和传输效率的影响 24

3.3 系统加入中继线圈的功率优化分析 26

3.4 本章小结 26

第四章 磁耦合谐振无线传能系统实验研究 28

4.1 实验系统介绍 28

4.2 系统受外部干扰的实验研究 28

4.2.1 负载变化实验研究 28

4.2.2 线圈横向偏移实验研究 29

4.2.3 线圈偏转角度实验研究 30

4.3系统加入中继线圈的实验研究 30

4.4本章小结 32

第五章 结论与展望 33

5.1 论文工作总结 33

5.2 工作展望 33

致 谢 34

参考文献（References） 35

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

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