基于自谐振线圈的多中继无线供电系统参数设计方法

本发明涉及无线电能传输，特别是一种基于自谐振线圈的多中继无线供电系统参数设计方法。

背景技术：

1、输电线路是电力系统最庞大的组成部分，肩负着输送电能的重任。在线监测设备能够实时监测与反馈输电线路状态信息，是保障输电线路稳定可靠运行的关键环节。随着“电力物联网”与“数字电网”战略的进一步部署，在线监测设备应用场景日益复杂，需求规模逐步扩大，确保其稳定供电已成为保障电网可靠、高效运行的重要前提。

2、多中继无线供电系统通过在发射线圈与接收自谐振线圈之间增设若干个中继线圈，可实现长距离的有效电力传输。在实际工程应用中，各线圈通常采用利兹线绕制并与外部独立电容谐振。然而，该方案存在以下问题：（1）独立电容在绝缘封装过程中易受挤压损坏；（2）独立电容长期工作于高压环境下易发生参数偏移，破坏线圈谐振状态；（3）利兹线绕制线圈重量较大，对绝缘子的机械强度提出挑战。

3、自谐振线圈用上下两层螺旋线圈之间产生的寄生电容替代独立谐振电容，具有以下优势：（1）寄生电容在绝缘封装过程中不受压力损坏；（2）自谐振线圈可在高压环境下可靠工作；（3）自谐振线圈轻薄，便于安装。然而，自谐振多中继无线供电系统仍面临诸多未解决的技术难题。

4、第一，线圈品质因数（q值）提升困难。自谐振线圈的参数众多（包括线圈匝数、内外径、线宽、线间距、介质层厚度、铜箔厚度、介质材料等），各参数之间相互耦合，且缺乏精确的数学模型指导参数设计。现有技术中，多层pcb线圈结构为抑制邻近效应而大幅增加了线圈尺寸，不利于绝缘封装；双单层自谐振线圈结构虽降低了介质损耗，但寄生电容大幅减小导致谐振频率升至数十mhz，对开关器件构成额外挑战。绝大多数现有方案依赖耗时的有限元仿真进行参数优化，设计周期长、成本高。

5、第二，系统效率提升及恒压输出、零相角输入的实现困难。在线监测设备具有多种工作模式（如监测模式、休眠模式），要求供电系统在不同负载条件下维持恒压（cv）输出。同时，零相角（zpa）输入可消除无功电流、提高传输效率。然而，自谐振线圈的工作频率受限于自谐振频率，谐振电容来源于线圈的寄生电容而无法灵活调节。目前尚无针对自谐振多中继wpt系统的补偿参数设计方法。

6、第三，双层自谐振线圈在绝缘封装及长期运行过程中易发生形变。自谐振线圈采用上层铜箔与下层铜箔之间夹设介质层的双层pcb结构，在高压绝缘封装过程中，环氧树脂等封装材料在固化过程中产生的收缩应力以及长期运行中的热应力、机械振动等因素，均可能导致双层线圈发生翘曲、分层等形变现象。线圈形变将改变寄生电容的等效极板间距，进而导致线圈自谐振频率偏移，破坏系统的谐振工作状态。现有技术中缺乏针对双层自谐振线圈的有效防形变措施。

7、第四，当多中继无线供电系统安装于架空输电线路的绝缘子串上时，绝缘子串在风偏、覆冰、舞动等自然环境因素作用下会发生柔性形变，导致安装于绝缘子串上的各线圈之间的相对位置发生变化，进而引起线圈间互感参数的显著变化。互感参数的变化将破坏系统原有的谐振补偿状态，导致输出电压偏离恒压目标值，系统传输效率下降。现有自谐振多中继wpt系统无法适应绝缘子串动态形变引起的互感参数变化。

8、因此，亟需一种能够实现自谐振线圈精确建模、高效率q值优化以及能适应系统互感参数变化的恒压输出与零相角输入的自谐振多中继wpt系统设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种基于自谐振线圈的多中继无线供电系统参数设计方法。用于解决现有多中继无线供电系统线圈品质因数和系统效率提升困难，以及系统恒压输出、零相角输入实现复杂的技术问题。

2、一种基于自谐振线圈的多中继无线供电系统参数设计方法，自谐振线圈包括上层铜箔、下层铜箔以及介于两层之间的介质层；所述上层铜箔和下层铜箔上均蚀刻有螺旋铜线，设计方法的具体步骤为：

3、s1：构建自谐振线圈的等效串联rlc电路模型，等效串联rlc电路模型包括依次串联的等效电感、寄生电容和寄生电阻；

4、s2：构建等效电感、寄生电容和寄生电阻的参数模型，基于等效线圈、寄生电容和寄生电阻的参数模型构建自谐振线圈的品质因数模型；

5、s3：以品质因数最大为优化目标，计算自谐振线圈的参数；

6、s4：基于自谐振线圈的参数，以系统效率最大为优化目标，计算系统工作频率和补偿参数。

7、可选的，所述自谐振线圈的品质因数模型为，其中：为等效线圈的自感，为寄生电阻值：

8、；

9、其中，为介质损耗角正切，为线圈总长，为寄生电容，为工作频率，为线圈的线间距，为趋肤深度，为自谐振线圈的铜箔厚度，为铜的电阻率；寄生电容为：

10、；

11、其中，为真空介电常数，为介质材料的相对介电常数，为自谐振线圈的等效极板间距，为介质层厚度，为自谐振线圈的线宽。

12、可选的，步骤s3中具体步骤为：

13、s3.1：根据具体的使用场景确定自谐振线圈尺寸约束和优化参数；

14、s3.2：基于所建立的自谐振线圈值模型，结合遗传算法，以最大值为目标在固定线圈尺寸下对自谐振线圈参数进行优化设计。

15、可选的，步骤s3.1中所述自谐振线圈的优化参数包括外径、内径、线宽、线间距、介质层厚度、铜箔厚度、匝数以及介质材料；

16、所述自谐振线圈尺寸约束包括：线圈外径，线圈内径，线圈总厚度，线宽与线间距满足；其中：、和均为预设的自谐振线圈尺寸阈值。

17、可选的，基于自谐振线圈的多中继无线供电系统包括直流电源、高频逆变器、发射自谐振线圈、中继自谐振线圈、接收自谐振线圈、补偿阻抗、高频整流器和负载；

18、所述直流电源、高频逆变器和发射自谐振线圈依次连接；所述接收自谐振线圈、补偿阻抗、高频整流器和负载依次连接。

19、可选的，所述自谐振线圈包括防形变结构，所述防形变结构包括设置在线圈上层铜箔与下层铜箔之间的辅助固定支架；

20、所述辅助固定支架由电磁透明材料制成，所述电磁透明材料的相对介电常数趋近于1且介电损耗角正切小于0.001，所述自谐振线圈外套设有封装壳体，所述封装壳体内对应线圈内径区域和线圈匝间区域开设镂空结构。

21、可选的，步骤s4中的具体步骤为：

22、s4.1：给定自谐振多中继无线供电系统参数，包括线圈自感、线圈间互感、输入电压、自谐振频率、频率变化范围和频率变化步长；

23、s4.2：验证当前频率下系统是否处于恒压输出状态，若不满足，恒压输出则计算下一频率点系统状态；若满足恒压输出，则计算当前频率下使系统满足零相角输入的接收自谐振线圈等效阻抗，并确定补偿阻抗的类型；

24、s4.3：重复步骤s4.2，获取频率变化范围内所有恒压输出的频率及其等效补偿阻抗；

25、s4.4：计算接收自谐振线圈调整至等效补偿阻抗后的系统输出电压增益；

26、s4.5：计算系统效率，并输出系统效率最高时的工作频率和补偿阻抗参数。

27、可选的，步骤s4.2中当寄生电容所需补偿电容变化量时，串联可变电感作为补偿阻抗；当寄生电容所需补偿电容变化量时，串联可变电容作为补偿阻抗。

28、可选的，步骤中s4.3的具体方法为：在满足恒压输出和零相角输入约束下，在自谐振频率的变化范围内，以为起始频率，以为频率变化步长，计算所有满足要求的参数组。

29、可选的，所述补偿电感和补偿电容为可变电感和可变电容；当所述多中继无线供电系统安装于柔性绝缘子串上时，还包括步骤s6：对系统参数进行适配调整，具体步骤为：

30、s5.1：实时检测柔性绝缘子串因外部干扰导致的线圈间互感变化量；

31、s5.2：基于检测到的互感变化量，计算维持系统恒压输出所需的总补偿阻抗调整量；

32、s5.3：将所述总补偿阻抗调整量分配至接收自谐振线圈串联的可变电感或可变电容，调节可变电感的电感值或可变电容的电容值，使系统在不同互感条件下维持恒压输出和零相角输入；

33、s5.4：重复步骤s5.1至s5.3，实现柔性绝缘子串在动态形变条件下的系统参数自适应调节。

34、由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

35、1、本技术通过自谐振线圈的精确数学建模，消除了对有限元仿真的依赖，修正的寄生电容模型将计算误差从31.5%降低至3.2%以内；明确了邻近效应可忽略的判据（），建立了完整的寄生电阻模型；基于该数学模型可进行纯解析的线圈参数优化，大幅缩短设计周期、降低制造成本。

36、2、本技术在固定尺寸约束下显著提升了线圈品质因数，且本技术采用最简单的双层结构，在小尺寸下实现了与复杂多层结构相当的值，有利于绝缘封装。

37、3、本技术的参数设计方法同时实现了恒压输出和零相角输入，系统在不同负载条件下维持恒压输出，同时实现零相角输入和零电压开关，有效提高了系统效率。

38、4、本技术当系统安装于柔性绝缘子串上时，能够实时检测因风偏、覆冰或舞动引起的线圈间互感变化，并通过自适应调节发射侧可变电感和接收侧可变电容，在动态形变条件下持续维持恒压输出和零相角输入，显著增强了系统对复杂户外环境工况的适应能力。

39、5、本技术针对双层自谐振线圈在绝缘封装及长期运行中易发生形变的问题，提出了电磁透明材料辅助固定与镂空封装相结合的防形变结构，电磁透明支架在提供机械支撑的同时几乎不影响线圈电磁场分布，镂空封装有效降低了封装材料对寄生参数的影响，保证了线圈参数的长期稳定性，提高了系统在高压、温差循环等恶劣条件下的运行可靠性和使用寿命。

40、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。