【精彩论文】基于GaN器件的高电压线路多米诺无线供电系统设计

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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唐酿

广东电网有限责任公司电力科学研究院

引文信息

唐酿, 陶炳权, 曲皓玥, 等. 基于GaN器件的高电压线路多米诺无线供电系统设计[J]. 中国电力, 2020, 53(5): 69-76.

TANG Niang, TAO Bingquan, QU Haoyue, et al. Design of gan-based domino wireless power supply system for high-voltage lines[J]. Electric Power, 2020, 53(5): 69-76.

研究背景

随着经济社会不断发展，大容量、远距离电能传输是解决我国能源资源分布与电力需求空间上不匹配的有效途径。高压输电线路是连接各大区域电网的坚强骨架，对电网安全、高效、可靠运行意义重大。但是，由于输电距离远，线路所处环境恶劣，运行条件严酷等原因，使得对高压输电线路在线监测设备的高效、可靠供电是当前亟待解决的问题。

论文所解决的问题及意义

目前针对高压输电线路在线监测设备应用较为广泛的供电方式包括太阳能供能、风能供能、蓄电池供能、CT取能等，相较于其他方式，CT取能和蓄电池相结合的供电方式能够实现电能的可靠连续采集，但将其应用于高压输电杆塔上的监测设备供电时，往往会受到线路绝缘条件和高低侧电压差的制约。

在这一背景下，为提高高压输电杆塔在线监测设备供电的安全可靠性，解除高低压侧电压差的制约，兼备良好隔离性能和中距离、大功率传输特性的磁耦合谐振式无线电能传输技术成为高压杆塔侧监测设备供电领域的研究热点之一。

文章提出了一种应用于高压输电线路的多米诺无线供电系统，通过多中继短程接力的方式以大幅度提高其传输效率和传输距离，同时采用GaN器件对系统高频逆变模块进行优化设计，提高多米诺无线供电系统的功率密度和传输效率，保证系统能够在米级的传输距离下，为110 KV高压输电线路在线监测设备提供高效稳定的电能供给，实现高电压等级远距离无线供电应用。

论文重点内容

文章提出了一种基于GaN器件的多米诺中继型无线供电系统及配置方法，首先基于电路互感耦合模型和有限元仿真对多米诺无线供电系统的频率特性和功效特性进行了分析，发现通过调节负载阻抗匹配和适当提高驱动频率，能够有效改善系统的传输功效特性和抗频率失调特性，并结合电场分布云图对系统的电磁兼容性进行验证。在此基础上搭建了基于GaN器件的多米诺无线供电系统实验样机，测试结果表明该系统能够实现高电压等级、远距离、高效率无线供电，且具有较好的抗频率失调特性，为无线电能传输技术在高压设备供电领域的应用提供了参考依据。

图1 内嵌多米诺线圈的复合绝缘子系统仿真模型

图2 内嵌多米诺线圈复合绝缘子系统实验样机

研究结论

为了解决高压杆塔侧监测设备供电困难的问题，文章提出一种基于GaN器件的多米诺无线供电系统。结合理论分析与仿真验证，归纳得到系统的频率特性和功效特性；实验测试表明，系统能够在600kHz的驱动频率下提供45 W的最大功率输出，传输效率达50%以上的频带宽度约为60 kHz。与传统的基于Si器件的无线供电系统相比，文章的设计方案在保持供电可靠性与电磁兼容性的同时，将驱动频率提升了200 kHz以上，50%传输效率以上的驱动频带拓宽55 kHz以上，大大提升了系统传输性能和抗频率失调能力，为无线电能传输技术在高压设备供电领域的应用提供了有效参考。

主要作者介绍

第一作者：唐酿，男，博士，工程师，从事电力电子技术在电力系统中的应用研究。

E-mail: tangniang84@163.com。

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