CN106208413B - 一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，包括发射系统、导引线、单线接收系统和无线接收系统。发射系统包括工频电源、整流电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路和高频升压自耦变压器；导引线用于连接发射系统和单线接收系统，实现单线传输电能；单线接收系统由高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和负载组成；无线接收系统由高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和负载组成，其中高频降压自耦变压器的两端分别与不同的金属导体连接，以便获得电位差。两种接收系统的高频降压变压器的共振频率相同。本发明提出以共振电场方式，同时实现单导线和无线的混合式电力传输系统。

Description

一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统

技术领域

本发明属于电力工程领域，涉及一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统。

背景技术

目前，电能的有效传输主要是靠金属导线，并且至少需要两根，以便在导线之间建立电场，构成电流的通路。然而，这种传统的输电方法不仅需要复杂的架线工程，还要确保导线之间始终处于良好的绝缘状态，一旦发生短路，就会因继电保护动作而停电，如果保护失灵，还可能导致火灾或人身事故。此外，这种输电方法还存在导线裸露、老化、磨损等诸多问题，在矿井、水下、油田等一些易燃易爆的特殊供电场所，难以保证供电的安全和可靠，由于导线的存在，大大降低了用电设备的灵活性。因此，人们一直在追求使用单导线，或完全不使用导线的电力传输方式，因为这种传输方式便于取电，节省金属材料，避免因架设输电线带来的麻烦，可以解决一些传统输电方法难以解决或解决起来较为麻烦的供电问题。但是，由于原理、技术和经济等因素的限制，靠单导线或完全不使用导线，并以足够大的功率将电能传输到相当远的距离，尚有许多技术难题有待攻克，需要积极探索。借助磁场、电场、超声、激光、微波等，以无线或非导体接触方式传输电能，这些都是人们正在努力探索的技术，并且在某些方面已经取得了有效进展。

单导线电力传输系统的单导线不仅限于传统的金属导线，在广场、楼宇、交通、码头、建筑工地或厂矿等许多场合，都存在着连续的金属结构或导电的流体系统，例如管道、钢筋、轨道等，用这些导电结构作为本发明中的单导线，便可以不用架设任何导线，就能够传输电能。

从原理上讲，也可以使用大地或海水代替单导线，这样便为集中发射电能，分散接收电能的供电方式提供新的可行技术。因此，本发明将为长距离广义无线电力传输奠定基础

在单导线电力传输的电能发射系统与单导线电能接收系统之间及周围的广泛空间中，存在着高频(相对工频而言)电场。本发明中的无线电力传输，就是利用无连接导线的方式，接收这个空间中的电场能，从而实现单导线与无线混合式电力传输新技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统。该混合式电力传输系统以单导线的方式进行远距离和较大功率的电力传输(取决于电能发射系统与单导线电能接收系统的体积和周围环境)；在电能发射系统或单导线电能接收系统附近，以无线的方式接收空间电场能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，包括电能发射系统、单导线、单导线电能接收系统和无线电能接收系统。该单导线与无线混合式电力传输系统以单导线的方式进行远距离和较大功率的电力传输；在电能发射系统或单导线电能接收系统附近，以无线的方式接收空间电场能。单导线电能接收系统和无线电能接收系统可以有一个或多个，具体个数可根据需要设置。

所述的电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。所述的单导线用于连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，实现单导线电力传输。所述的单导线电能接收系统由依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载组成。所述的无线电能接收系统包括依次通过导线连接的高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路、交流或直流负载以及分别与高频降压自耦变压器的高压端和公共端连接的上端金属导体和下端金属导体。两种接收系统的高频降压自耦变压器的结构不一定与高频升压自耦变压器一致，只要保证它们的共振频率相同即可，所有接收系统位于共振电场区。

所述的电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。所述的工频电源产生的工频交流电经整流滤波和高频逆变电路后，得到高频(相对工频而言)交流电，经发射端阻抗补偿电路施加到高频升压自耦变压器的输入端口，输入端口的两端分别为公共端和低压端，公共端与单导线的一端相连，高压端与上端金属导体相连。所述的高频逆变电路可以采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。所述的发射端阻抗补偿电路用来减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率，并实现电气隔离，可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。所述的高频升压自耦变压器可以采用自耦变压器结构，也可以采用非自耦变压器结构。

所述的单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，用于连接电能发射系统和单导线电能接收系统，引导电能传输路径，产生传导电流，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点。所述单导线可以采用单芯导线、金属管道、钢筋、金属轨道等导电材料。

所述的单导线电能接收系统包括依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载。所述的高频降压自耦变压器的高压端与上端金属导体相连，公共端与单导线的另一端相连，高频降压自耦变压器通过上端金属导体接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为交流或直流负载供电。所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电。

所述的无线电能接收系统包括依次通过导线连接的高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路、交流或直流负载以及分别与高频降压自耦变压器的高压端和公共端连接的上端金属导体和下端金属导体。所述的高频降压自耦变压器的结构不一定与高频升压自耦变压器一致，只要保证它们的共振频率相同即可。与单导线电能接收系统不同的是，在无线电能接收系统中，高频降压自耦变压器的高压端和公共端分别与上端金属导体和下端金属导体连接，这两个金属导体之间存在很大的电位差。高频降压自耦变压器接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为交流或直流负载供电。所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电。

所述的无线电能接收系统位于单导线电能接收系统或电能发射系统附近，因为在这一范围内共振电场区电场强度大，无线电能接收系统可以不依靠任何导线连接，有效地从单导线电能接收系统或电能发射系统获取电能。使用这种无线方式为用电设备(如多个壁灯、广场或建筑景观灯等)供电，可以避免因布设导线带来的麻烦，尤其对新增用电设备且不宜重新布线的场合更加有效。

本发明的有益效果为：本发明提出了以共振电场方式，同时实现单导线和无线的混合式电力传输系统。单导线起到引导电能传输路径，产生传导电流，并且在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点的作用。因此，不需要利用参数共振变压器，在电能发射系统与单导线电能接收系统之间建立虚地，从而使得电能发射系统与单导线电能接收系统的结构设计变得更加灵活。也正是由于单导线的作用，使得电能传输的距离，较磁场共振式无线电力传输远许多，功率也大许多，如本发明的示范系统，可以在30米距离传输100W以上的电功率。使用无线方式为用电设备(如多个壁灯、广场或建筑景观灯等)供电，可以避免因布设导线带来的麻烦，尤其对新增用电设备且不宜重新布线的场合更加有效。

附图说明

图1是本发明单导线与无线混合式电力传输系统原理框图。

图2是空间共振电场式单导线电力传输原理图。

图3是空间共振电场式无线电力传输原理图。

图4是本发明单导线与无线混合式电力传输系统示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，包括电能发射系统、单导线、单导线电能接收系统和无线电能接收系统，在电能发射系统或单导线电能接收系统附近，以无线的方式接收空间电场能；单导线电能接收系统和无线电能接收系统的具体个数根据需要设置。电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。所述的单导线用于连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，实现单导线电力传输。所述的单导线电能接收系统由依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载组成。所述的无线电能接收系统包括依次通过导线连接的高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路、交流或直流负载以及分别与高频降压自耦变压器的高压端和公共端连接的上端金属导体和下端金属导体。两种接收系统的高频降压自耦变压器的结构不一定与高频升压自耦变压器一致，只要保证它们的共振频率相同即可，所有接收系统位于共振电场区。

图1是单导线与无线混合式电力传输系统原理框图，电能发射系统包括工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。工频交流电经整流滤波和高频逆变电路后，得到高频(相对工频而言，数百赫兹以上)交流电，经由发射端阻抗补偿电路，施加到高频升压自耦变压器的输入端口。高频升压自耦变压器的高压端和公共端，分别连接到高处的上端金属导体和单导线。高频逆变电路可以采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。发射端阻抗补偿电路用于减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率。单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器，用于引导电能的传输方向，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点。单导线电能接收系统由上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载组成。接收到的电能由高频降压自耦变压器降压、接收端阻抗补偿电路，再经电能变换电路，为交流或直流负载供电。其中，接收端阻抗补偿电路用于提高向负载输出的电功率，并实现电气隔离。无线电能接收系统由高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载组成，与单导线电能接收系统不同的是，在无线电能接收系统中，高频降压自耦变压器的高压端和公共端分别与上端金属导体和下端金属导体连接，这两个金属导体之间存在很大的电位差。

图2是混合传输系统中的单导线电力传输原理图示例。高频逆变电源u_S、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器T₁和上端金属导体D₁构成了电能发射系统。所述的发射端阻抗补偿电路可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。高频升压自耦变压器不只限于图2所示的自耦变压器，也可以采用非自耦变压器结构。上端金属导体D₂、高频降压自耦变压器T₂、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载构成了单导线电能接收系统。高频降压自耦变压器的结构不一定与高频升压自耦变压器一致，只要保证它们的共振频率相同即可。T₁与T₂的公共端分别与单导线的两端连接，高压端分别连接上端金属导体D₁和D₂，上端金属导体之间存在空间共振电场，为了增大位移电流，二者的表面积要足够大。

图3是空间共振电场式无线电力传输原理图。电能发射系统和单导线电能接收系统都可以作为无线电力传输的发射端。以单导线电能接收系统做发射端为例，上端金属导体D₂、高频降压自耦变压器T₂、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载位于单导线电能接收系统。上端金属导体D_3t、下端金属导体D_3b、高频降压自耦变压器T₃、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载位于无线电能接收系统。在无线电能接收系统中，原本与单导线连接的高频降压自耦变压器的公共端改为与下端金属导体D_3b连接。

图4是单导线与无线混合式电力传输系统示意图。在一个单导线与无线混合式电力传输系统中，具有一个电能发射系统，为整个电力传输系统提供电能。与电能发射系统距离较远的接收系统采用单导线电力传输的方式传输电能；通过单导线与电能发射系统相连的单导线电能接收系统可以有一个，也可以有多个。整个系统工作时，电能发射系统和单导线电能接收系统之间或周围的广泛空间中，存在着共振电场，当处于该电场中的无线电能接收系统的共振频率与共振电场的频率相同时，就可以有效地获取电能。这种以无线方式为用电设备(如多个壁灯、广场或建筑景观灯等)供电，可以避免因布设导线带来的麻烦，尤其对新增用电设备且不宜重新布线的场合更加有效。

Claims (3)

1.一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，其特征在于，该单导线与无线混合式电力传输系统包括电能发射系统、单导线、单导线电能接收系统和无线电能接收系统，在电能发射系统或单导线电能接收系统附近，以无线的方式接收空间电场能；单导线电能接收系统和无线电能接收系统的具体个数根据需要设置；

所述的电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体；所述的工频电源产生的工频交流电经整流滤波和高频逆变电路后，得到高频交流电，经发射端阻抗补偿电路施加到高频升压自耦变压器的输入端口，输入端口的两端分别为公共端和低压端，公共端与单导线的一端相连，高压端与上端金属导体相连；所述的发射端阻抗补偿电路用来减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率，并实现电气隔离，发射端阻抗补偿电路可以采用多个储能元件的串并联组合，也可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿；

所述的单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，用于连接电能发射系统和单导线电能接收系统，引导电能传输路径，产生传导电流，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点；

所述的单导线电能接收系统包括依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载；所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电；所述的高频降压自耦变压器的高压端与上端金属导体相连，公共端与单导线的另一端相连，高频降压自耦变压器通过上端金属导体接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为交流或直流负载供电；所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，接收端阻抗补偿电路采用单个储能元件进行串联或并联补偿，或者采用多个储能元件的串并联组合；

所述的无线电能接收系统位于单导线电能接收系统或电能发射系统附近共振电场区内，包括上端金属导体、下端金属导体、及依次通过导线连接的高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路、负载；所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电；所述的高频降压自耦变压器的高压端和公共端分别与上端金属导体和下端金属导体连接，这两个金属导体之间存在电位差；高频降压自耦变压器接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为交流或直流负载供电；所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，接收端阻抗补偿电路采用单个储能元件进行串联或并联补偿，或者采用多个储能元件的串并联组合；

所述的高频降压自耦变压器和高频升压自耦变压器的共振频率相同。

2.根据权利要求1所述的一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，其特征在于，所述的电能发射系统中的高频逆变电路采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用空间共振电场的单导线与无线混合式电力传输系统，其特征在于，所述的单导线采用单芯导线、金属管道或钢筋。