陳麗霞，林 杰，張 焰，盧 海，吳 炅，徐 研，胡 燃

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局輸電管理一所，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著智能化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，目前我國(guó)變電站采用巡檢機(jī)器人進(jìn)行日常巡檢工作已經(jīng)相對(duì)普及。巡檢機(jī)器人充電技術(shù)主要包括接觸式充電和無線充電兩種方式。由于接觸式充電需要利用特定軌道，并配備專門的充電室，設(shè)計(jì)方面要求精度較高，控制復(fù)雜度較大，機(jī)器人巡檢和充電過程，造成時(shí)間浪費(fèi)，效率不高；且充電過程容易造成充電插頭磨損，導(dǎo)致充電接觸不良等故障率較高；另外，陰雨等特殊天氣，很容易造成漏電、觸電等事故。所以，目前應(yīng)用較多的為無線充電模式。無線充電模式主要利用無線電能傳輸原理對(duì)巡檢機(jī)器人實(shí)施充電。巡檢機(jī)器人通過自身攜帶的電池監(jiān)控裝置，對(duì)自身電壓進(jìn)行監(jiān)控，一旦電壓低于觸發(fā)報(bào)警閥值時(shí)，巡檢機(jī)器人根據(jù)自帶無線充電信號(hào)源尋找裝置，自動(dòng)尋找巡檢路徑中最近無線充電源進(jìn)行無線充電。無線充電方式由于定位準(zhǔn)確，系統(tǒng)充電可靠性較高，充電時(shí)間快，且無充電虛接、漏電情況，設(shè)備利用效率高，具有很好的靈活性和實(shí)用性[1]。

1 無線充電分類及特點(diǎn)

變電站巡檢機(jī)器人無線充電從技術(shù)原理和電能模式上主要包括光伏充電、長(zhǎng)導(dǎo)軌式和分段式無線充電技術(shù)。光伏充電技術(shù)主要是在機(jī)器人巡檢路徑中建立多個(gè)光伏充電點(diǎn)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，在巡檢過程實(shí)時(shí)對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行電力補(bǔ)充，其特點(diǎn)在于設(shè)計(jì)成本低，環(huán)保經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；缺點(diǎn)在于需要在巡檢機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行光伏電能轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，且陰雨天氣或夜晚無法進(jìn)行充電。長(zhǎng)導(dǎo)軌式無線充電技術(shù)在設(shè)計(jì)方面具有優(yōu)勢(shì)，僅需在巡檢機(jī)器人底部加裝無線接收線圈；但是這種充電方式需要全程鋪設(shè)巡檢路徑無線發(fā)射軌道，投資較大。分段式無線充電技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)便，無需全程鋪設(shè)專用充電軌道，其原理主要是在幾個(gè)固定巡檢路徑點(diǎn)埋設(shè)充電發(fā)射分離線圈裝置，按照巡檢機(jī)器人電量控制裝置進(jìn)行輪流導(dǎo)通充電，減小了發(fā)射線圈的內(nèi)阻損耗和電磁輻射，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，充電效率高。分段式無線充電原理圖如圖1所示。

圖1 變電站巡檢機(jī)器人分段式無線充電原理圖

根據(jù)巡檢機(jī)器人充電狀態(tài)，巡檢機(jī)器人無線充電又可以分為靜態(tài)無線充電和動(dòng)態(tài)無線充電兩種模式，根據(jù)變電站巡檢機(jī)器人巡視路徑較為固定的特點(diǎn)，結(jié)合無線紅外靜止檢測(cè)需要，采用分段式靜止無線充電技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)潔高效，其特點(diǎn)在于提前計(jì)算好巡檢機(jī)器人在兩個(gè)巡檢點(diǎn)的不間斷巡檢行走、紅外測(cè)溫、可見光測(cè)試、導(dǎo)航等電量消耗情況。設(shè)計(jì)安裝小容量鋰電池，可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人不間斷工作，巡檢效率較高。動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)應(yīng)用較廣，目前在高鐵、電動(dòng)汽車等方面相對(duì)成熟，其電能變換安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠性較高。

根據(jù)發(fā)射及接收充電線圈結(jié)構(gòu)和電能傳輸特點(diǎn)，無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)模式、磁禍合諧振模式和微波模式。電磁感應(yīng)充電模式傳輸效率一般在90%以上，其傳輸距離只有十幾厘米，傳輸路徑較短；微波充電模式由于微波有著較好的傳輸特性，抗干擾性強(qiáng)，其傳輸范圍能夠覆蓋數(shù)公里，傳輸覆蓋半徑較大，但是，微波充電模式存在能量損耗大傳輸效率不高的弊端；而磁耦合諧振充電模式其傳輸距離在0.05～0.5 m區(qū)域內(nèi)，能耗較低，傳輸距離適中，能量轉(zhuǎn)換效率較高，目前應(yīng)用較為廣泛，磁場(chǎng)耦合諧振模式無線充電原理框圖如圖2所示。

圖2 磁場(chǎng)耦合諧振模式無線充電原理框圖

2 磁耦合諧振式無線充電技術(shù)

2.1 磁耦合諧振式無線充電技術(shù)原理

磁耦合諧振式無線充電技術(shù)電能傳輸(Magnetic coupling resonance wireless powertransmission，MCR-WPT)技術(shù)原理主要利用磁場(chǎng)變換實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，其特點(diǎn)在于發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，在系統(tǒng)工作頻率下，發(fā)射、接收線圈分別與各自諧振電容發(fā)生同頻諧振，實(shí)現(xiàn)能量傳輸。 圖2中，MCR-WPT系統(tǒng)由電源電路、電能變換電路、發(fā)射(接收)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈、接收線圈、整流電路、負(fù)載(巡檢機(jī)器人)組成。電源電路主要對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波和DC-DC直流調(diào)壓。電能變換電路主要包括Buck APFC電路、高頻逆變電路、DSP控制驅(qū)動(dòng)電路等。系統(tǒng)工作原理為:工頻交流電經(jīng)整流濾波-Buck APFC電路調(diào)整變換為直流電壓，再經(jīng)高頻逆變電路逆變?yōu)?5kHz的高頻交流電為發(fā)射線圈及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)供電。發(fā)射線圈側(cè)通過光電傳感器實(shí)時(shí)采集巡檢機(jī)器人位置信息后，通過邏輯數(shù)字電平信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳輸給DSP控制電路，DSP對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡、接收線圈狀態(tài)等信息進(jìn)行處理，通過發(fā)射、接收線圈物理位置是否在充電允許范圍的判斷，驅(qū)動(dòng)高頻交流電路使發(fā)射線圈和諧振電容發(fā)生諧振，經(jīng)過一段傳輸距離后由相同諧振頻率的接收線圈接收，再經(jīng)高頻整流濾波后給巡檢機(jī)器人充電。DSP控制電路以采用數(shù)字高低電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的信號(hào)切換控制，從而控制電能變換電路的通斷，實(shí)現(xiàn)充電信號(hào)的發(fā)送。實(shí)施順序是:光電傳感器監(jiān)測(cè)到發(fā)射線圈和充電線圈在可傳輸范圍內(nèi)，打開發(fā)射線圈及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與電能變換電路的控制繼電器，DSP電路向電能變換電路發(fā)出升壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人充電。一旦充電完成或傳輸范圍受限，DSP控制電路給電能變換電路發(fā)送降壓信號(hào)，從而關(guān)閉繼電器[2]。

2.2 磁藕合結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人磁耦合結(jié)構(gòu)主要有矩形-圓形、矩形-矩形、圓形-矩形、圓形-圓形4種結(jié)構(gòu)類型。磁耦合結(jié)構(gòu)為發(fā)射線圈和接收線圈的結(jié)構(gòu)總稱，其起作用是把高頻交流電轉(zhuǎn)化為高頻磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)化和傳輸。無線充電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)不同對(duì)電磁互感變化趨勢(shì)產(chǎn)生重要影響，從而決定了巡檢機(jī)器人無線充電系統(tǒng)的功率特性曲線和效率特性曲線。磁耦合仿真圖如圖3所示。

圖3 無線充電磁耦合結(jié)構(gòu)仿真

利用系統(tǒng)仿真軟件ANSYS Maxwell，分別設(shè)置220 V控制輸入電壓，采用LLC-S電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置負(fù)載電阻值為4.85 Ω，磁耦合結(jié)構(gòu)垂直距離為8 cm。進(jìn)行4種磁耦合結(jié)構(gòu)功率及效率仿真測(cè)試。

仿真結(jié)果表明，無線充電系統(tǒng)磁耦合結(jié)構(gòu)發(fā)射線圈為矩形結(jié)構(gòu)時(shí)，充電功率及效率曲線斜率變化較明顯，充電效果較為穩(wěn)定。

2.3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

巡檢機(jī)器人無線充電系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)系統(tǒng)諧振頻率，弱化電路中的邏輯器件電磁暫態(tài)沖擊響應(yīng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率以及充電負(fù)載能力，需要在發(fā)射及接收電路中增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。常用的巡檢機(jī)器人無線靜態(tài)充電系統(tǒng)采用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)類型有發(fā)射端線圈串聯(lián)-接收端線圈并聯(lián)(S-P)型、發(fā)射端線圈串聯(lián)-接收端線圈串聯(lián)(S-S)型、發(fā)射端線圈并聯(lián)-接收端線圈串聯(lián)(PS)型、發(fā)射端線圈并聯(lián)-接收端線圈并聯(lián)(PP)型4種結(jié)構(gòu)[3]，巡檢機(jī)器人4種無線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 巡檢機(jī)器人4種無線充電補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5中4種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)參數(shù)配置不高，普遍用于靜態(tài)無線充電系統(tǒng)。近年來，動(dòng)態(tài)無線充電技術(shù)趨于成熟，應(yīng)用越來越廣泛，動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電路傳輸特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高，目前多采用LCC-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[4]，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 LCC-S型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

圖5中，Lf表示發(fā)射端補(bǔ)償串聯(lián)電感，Lp表示發(fā)射端并聯(lián)補(bǔ)償電感，Cf表示發(fā)射端并聯(lián)補(bǔ)償電容，Cp表示發(fā)射端串聯(lián)補(bǔ)償電容，Rf、Rp分別表示發(fā)射端串聯(lián)、并聯(lián)補(bǔ)償電阻，Ui表示發(fā)射端輸入電壓。RS、CS、LS對(duì)應(yīng)表示接收端寄生電阻，接收端串聯(lián)補(bǔ)償電容和接收線圈電感，RL表示等效電路輸出電阻(負(fù)載)；Ii、Ip、Is分別表示輸入端輸入電流、發(fā)射線圈和接收線圈的諧振電流[5]。利用仿真軟件對(duì)補(bǔ)償電感、電容、電壓進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電感、電容電壓仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，無線充電電路系統(tǒng)在初始啟動(dòng)到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電感沖擊電壓在1 000 V左右，發(fā)射端補(bǔ)償電容沖擊電壓維持在500 V左右，接收端接收線圈電容沖擊電壓在2 000 V左右。

3 結(jié)語

隨著變電站巡檢機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了巡檢效率，減輕了電力職工工作強(qiáng)度，同時(shí)也確保了供電的安全性和穩(wěn)定性。巡檢機(jī)器人充電技術(shù)從有線導(dǎo)軌接觸式充電逐漸發(fā)展為無線靜態(tài)、無線動(dòng)態(tài)充電模式，技術(shù)逐漸趨于成熟，充電功率和效率得到了較大的提升。由于無線充電系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程需要充分考慮現(xiàn)實(shí)環(huán)境、元器件選型、容量及電壓閥值、巡檢路徑等，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)確保系統(tǒng)的安全性、便利性和穩(wěn)定性。