一种利用高频耦合谐振和分布参数的电能传输系统技术方案

本发明专利技术属于电力工程领域，提供一种利用高频耦合谐振和分布参数的电能传输系统。本发明专利技术使用高频耦合谐振技术改变电压大小，不需要铁心变压器，避免了变压器的铁损与铜损；升降压变压器工作在高频耦合谐振状态，当系统发生故障或扰动时，谐振条件遭到破坏，送电系统不能送出具有破坏性的电流；传输电压比工频电压更高，相同容量下传输线电流和线路损耗更小；传输线电流导线较细，节省了传输导线的使用量；当连接了高压线圈上端金属导体时，可以为电场空间内的电气设备无线或单线供电；所采用的高频逆变器的输出电压频率具有很强的可控性，所以传输电压的频率和幅值可以灵活改变，以便及时适应工作环境的变化。

【技术实现步骤摘要】
一种利用高频耦合谐振和分布参数的电能传输系统
本专利技术属于电力工程
，涉及一种利用高频耦合谐振和分布参数的电能传输系统。
技术介绍
在电力传输技术中，频率与升降压技术始终是密切相关的。它们一直是影响电力传输规模、传输效率、传输质量、传输稳定性和传输成本的关键因素。一百多年以前，经过交流电与直流电的激烈竞争之后，电力传输一直以工频交流制式为主，并依赖铁心变压器来改变电压。近些年虽然发展了高压直流输电，但也只见于远距离的电力传输。信息技术不断向高频化方向发展，电力技术也不应例外。从电磁学角度看，由于工频交流电在架空传输线上的波长很长，达6000公里，因此数百公里的传输线都可近似视为集中参数电路。在这种频率输电方式中，负载或线路的突然故障，几乎会即刻影响到变压器或发电机，因此必须采取可靠快速的保护装置。在工频交流输电中，因为频率相对较低，难以用谐振技术来变换电压大小，需要用铁心变压器使用电磁感应原理来提升和降低电压，因此要消耗较多的铁磁材料和铜质导线，由于不可避免地存在铁心损耗和导线损耗，致使电能被浪费并使变压器发热，因此还需要采取必要的冷却措施。随着电力电子技术的发展，人们几乎可以随心所欲地改变电压的频率。这样就有条件实现更高频率的电力传输。由于工作频率的提高，用耦合谐振技术来改变电压大小便成为可能，从而避免使用铁心变压器。当采用高频耦合谐振技术传输电力时，需要考虑传输线参数的分布性，按照分布参数电路理论，用行波的观点来分析、设计与校核。本专利技术的高频耦合谐振电力传输技术可用于新能源发电高频谐振传输，也可用于海上孤岛、陆地孤岛、边防哨所、保护区、工作站、轨道交通等特殊场所的电力输送。对规划未来新电磁原理的电力系统、建设能源互联网等，也非常值得期待。
技术实现思路
为发展高频化电力传输技术，本专利技术提供一种利用高频耦合谐振和分布参数原理的电力传输系统，以实现电力的高频、高压、低损耗传输，并在传输中具备固有的抗破坏性故障的能力和快速切换传输方案的能力。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种利用高频耦合谐振与分布参数的电力传输系统，以高频、高压方式进行电力传输。该电力传输系统包括送电系统、受电系统，以及连接送电系统与受电系统的传输线路。根据需要，一个送电系统可以对应一个或多个受电系统，送电系统和各个受电系统必须具有相同的谐振频率。所述的送电系统包括直流系统、高频逆变电路、送电系统阻抗补偿电路、高频耦合谐振升压变压器(也称为特斯拉线圈)和可选的上端金属导体。所述的直流系统，可以是光伏电站、燃料电池发电站等能够产生直流电的系统，也可以是对工频交流电的整流滤波系统。所述的高频逆变电路用于将来自直流系统的电能，变换成高频脉冲交流电能，频率在数kHz以上，是工频50Hz的几十倍至几百倍，因此称为高频。根据传输容量大小，该逆变电路可以采用传统的半桥逆变器、全桥逆变器、矩阵变换器、模块化变换器等电力变换器。所述的送电系统阻抗补偿电路，用于补偿高频耦合谐振升压变压器低压线圈的等效电抗，以减小总阻抗的虚部分量。或者说，用阻抗补偿电路的容性无功功率，补偿高频耦合谐振升压变压器低压线圈的感性无功功率。补偿后，可以提高有功功率的输送能力，并降低高频逆变电路的电力损耗。最简单的补偿电路就是用合适的电容串联或并联在高频耦合谐振升压变压器的低压线圈回路内。高频逆变电路的输出端，经阻抗补偿电路后，与高频耦合谐振升压变压器的低压线圈相连。所述的高频耦合谐振升压变压器即特斯拉线圈，包括低压线圈和高压线圈，它们通过磁场相互耦合。二者匝数相差悬殊，例如匝数比可以为1：200以上。与工频变压器相比，该升压变压器是空心变压器，不含铁心，因此不存在铁心损耗。它利用变压器的分布参数和耦合谐振来提升高频电压大小，其谐振频率设计等于高频逆变电源输出电压的频率。它的升压比不是由匝数比决定的，而是由各种分布参数和品质因数决定的，与谐振或失谐状态密切相关。升压比可以大于匝数比，也可以小于匝数比。低压线圈和高压线圈各有两个对外连接的端子，本专利技术分别称为近地端和远地端。近地端是指线圈靠近地面的端子；远地端是指线圈远离地面的端子。所述的可选的上端金属导体，是指架设在高压线圈上方一定高度的表面积较大的金属物体。为避免因放电而导致能量损耗，该金属导体的表面应尽可能圆滑，不存在曲率半径很小的尖锐棱角，不存在涡流流通的路径。当选用该导体时，由于该导体存电容，并在周围建立电场，所以它一方面可以用来调整升压变压器的谐振频率；另一方面，可以为附近的用电设备以无线或单线方式提供电力。所述的受电系统包括高频耦合谐振降压变压器和可选的上端金属导体、受电系统阻抗补偿电路、电能变换调节电路、交流或直流负载或待接入的电网。所述的受电系统高频耦合谐振降压变压器和可选的上端金属导体、受电系统阻抗补偿电路，它们的结构、参数、近地端与远地端的连接方式等，可以和送电系统对应相同，也可以不同。当结构、参数与送电系统不同时，必须确保谐振频率与送电系统谐振频率相同。所述的电能变换调节电路，包括高频整流滤波电路、直流-直流变换电路、工频逆变电路。高频整流滤波电路用于将受电变压器接收到的高频交流电，变换成平稳的直流电；直流-直流变换电路用于为工频逆变电路提供稳定的直流电压，或者直接给直流负载提供稳定的直流电压，例如电动车充电站等。工频逆变电路用于将直流电变换成工频交流电，以便驱动普通交流负载，或者并入公共电网。所述的连接送电系统和受电系统的传输线路，是指连接于送电系统升压变压器高压线圈与受电系统降压变压器高压线圈之间的电力传输线。连接方案包括，(一)双线连接方案：同时将送电系统升压变压器和受电系统降压变压器高压线圈的近地端和远地端对应连接起来，该双线可以是架空线，也可以是电缆。(二)单线连接方案1：只连接两个高压线圈的近地端，远地端悬空或连接于可选的金属导体。(三)单线连接方案2：只连接两个高压线圈的远地端，近地端良好接地，或接于其他导体结构(例如金属轨道、金属管网、闲置电缆、海水等)。当双线连接发生单线断路故障且难以维修时，可通过切换装置，立即改用单线连接方案。采用单线连接方案，且传输线长度近似为四分之一波长的整数倍时，可以获得最佳的传输效率。采用双线连接时，传输线长度对传输效率影响不像单线传输方案那样明显。无论双线连接还是单线连接，均需要考虑电气参数的沿线分布性对电能传输的影响，用分布参数电路原理进行分析、设计与校核。本专利技术使用高频耦合谐振技术改变电压大小，不需要传统的铁心变压器，避免了变压器的铁损与铜损；本专利技术是靠高频耦合谐振升高和降低电压，并且靠传输线上的行波传输功率，因此当系统工作条件发生突然变化，例如短路故障等，则由于谐振条件被破坏和传输线特性阻抗的作用，在传输线上不会产生具有破坏性的短路电流。所以本专利技术的高频耦合谐振电力传输系统，具备固有的抗破坏性故障的能力，降低了对继电保护装置的技术要求；在相同传输容量下，本专利技术采用的传输电压比工频传输电压更高，因此传输线电流和线路损耗更小；较小的传输线电流可以使用较细的传输导线，从而节省传输导线的使用量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用高频耦合谐振与分布参数的电力传输系统，其特征在于，该系统包括送电系统、受电系统，以及连接于送电系统和受电系统之间的电力传输线；根据需要，一个送电系统对应一个或多个受电系统，送电系统与各受电系统具有相同的谐振频率；/n所述的送电系统包括直流系统、高频逆变电路、送电系统阻抗补偿电路、高频耦合谐振升压变压器以及可选的上端金属导体；所述的直流系统，是指能够产生直流电的系统，包括直流发电站，例如新能源发电，以及对工频电源的整流滤波电路；高频逆变电路用于产生频率远高于工频的交流脉冲电压，该频率就是耦合谐振变压器的谐振频率；所述阻抗补偿电路，用来减小包括低压线圈在内的送电回路等效阻抗的虚部，即等效电抗，或者等价于减小送电回路的无功功率；高频逆变电路的输出经送电系统阻抗补偿电路，施加到高频耦合谐振升压变压器低压线圈；高压线圈的顶端可选择地与金属导体连接或不连接；/n所述的受电系统包括高频耦合谐振降压变压器、受电系统阻抗补偿电路、电能变换调节电路、交流或直流负载或待并入的交流电网；高频耦合谐振降压变压器高压线圈接收来自送电系统的高频电能，通过谐振和电磁感应在低压线圈产生高频输出电压；高压线圈的远地端选择性连接金属导体；低压线圈额输出电压，经受电系统阻抗补偿电路连接到电能变换调节电路的输入端；电能变换调节电路用于高频整流滤波、稳压、工频逆变，为交流或直流负载供电，或待接入公共电网；/n所述的高频耦合谐振升压变压器和高频耦合谐振降压变压器，是特斯拉线圈的结构或是自耦变压器结构；它们的结构和参数相同或不同，但谐振频率必须相同；/n所述连接于送电系统和受电系统之间的电力传输线，是双线架空线或双芯电缆线等，采用单相电力传输制式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种利用高频耦合谐振与分布参数的电力传输系统，其特征在于，该系统包括送电系统、受电系统，以及连接于送电系统和受电系统之间的电力传输线；根据需要，一个送电系统对应一个或多个受电系统，送电系统与各受电系统具有相同的谐振频率；
所述的送电系统包括直流系统、高频逆变电路、送电系统阻抗补偿电路、高频耦合谐振升压变压器以及可选的上端金属导体；所述的直流系统，是指能够产生直流电的系统，包括直流发电站，例如新能源发电，以及对工频电源的整流滤波电路；高频逆变电路用于产生频率远高于工频的交流脉冲电压，该频率就是耦合谐振变压器的谐振频率；所述阻抗补偿电路，用来减小包括低压线圈在内的送电回路等效阻抗的虚部，即等效电抗，或者等价于减小送电回路的无功功率；高频逆变电路的输出经送电系统阻抗补偿电路，施加到高频耦合谐振升压变压器低压线圈；高压线圈的顶端可选择地与金属导体连接或不连接；
所述的受电系统包括高频耦合谐振降压变压器、受电系统阻抗补偿电路、电能变换调节电路、交流或直流负载或待并入的交流电网；高频耦合谐振降压变压器高压线圈接收来自送电系统的高频电能，通过谐振和电磁感应在低压线圈产生高频输出电压；高压线圈的远地端选择性连接金属导体；低压线圈额输出电压，经受电系统阻抗补偿电路连接到电能变换调节电路的输入端；电能变换调节电路用于高频整流滤波、稳压、工频逆变，为交流或直流负载供电，或待接入公共电网；
所述的高频耦合谐振升压变压器和高频耦合谐振降压变压器，是特斯拉线圈的结构或是自耦变压器结构；它们的结构和参数相同或不同，但谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈希有，齐琛，牟宪民，李冠林，章艳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21