既能低频通信、又能高效传输无线电能的新技术！适用于海洋等领域

无线电能与信息同步传输技术可将电能从发射端传输至负载接收端，同时实现数据同步通信，在无线能量传输加密、植入式医疗设备、物联网传感器供电等领域具有广泛的应用前景。

研究背景

根据无线通信的实现方式，近场耦合式无线电能与信息同步传输技术可主要分为“调制信号注入式”、“独立耦合通道式”和“能量调制式”三大类。在如空地太阳能传输、海洋等高电导率富水介质等特殊应用场合，基于低能量的高频载波工作方式通信可靠性低，而能量调制式可靠性较高。

论文所解决的问题及意义

本文通过研究在不同频率输入激励下系统发射线圈的电流特征，提出了一种基于移相调制的无线电能与信息同步传输技术。在通信状态下，通过降低逆变器工作频率构造低频通信载波并通过控制移相角完成信息调制，以基波传输信息，3次谐波传输电能。本文所提方法可在基于低频电磁波通信的同时实现高效率的无线电能传输，在海洋等高电导率介质场合中具有应用优势。

论文方法及创新点

1)工作在不同频率下时的发射线圈电流特征

图1 不同工作频率发射线圈电流分量构成

高频逆变器工作于谐振状态时（fr=150kHz），发射电流主要含有基波且幅值最大，如图1（a）所示；当降低工作频率为fr/3时，生成了基波和其他高次谐波，此时3次谐波分量幅值最大，如图1（b）所示；同理，当降低工作频率为fr/5时，生成了基波和3次谐波等其他高次谐波，此时5次谐波分量幅值最大，如图1（c）所示。由此可见，降频可在发射线圈中生成低频分量用于通信，与系统谐振相同的高频分量可用于给负载供电。

2)移相角对各次谐波的影响分析

图2 移相角α对发射电流中各次谐波的影响

以逆变器工作频率为fr/3为例，分析移相角α对发射电流中基波和3次谐波的影响。可见随着α变大，发射电流中基波含有率σ1先增后减，而σ3先减后增，如图2（a）所示；由图2（b）可知，α可有效调节发射电流中基波和3次谐波的幅值。因此选择以基波为通信载波，控制α对其幅度进行调制易于实现信息传输，此外，为了保证功率传输的稳定性，α的选取应尽量使3次谐波幅值保持不变。

3)供电与通信之间的串扰分析

由于接收侧同时接受基波和3次谐波能量，这使得供电与通信回路间存在一定的串扰。可以得到，噪声电压峰值远低于有效电压峰值，且通过合理的选取信号检测回路电感参数可以有效调节噪声电压，可实现供电与通信之间的弱耦合控制，如图3和图4所示。

图3 负载回路

图4 信号检测回路

4)实验验证

搭建了实验平台以验证所提方案的可行性，如图5（a）所示；图5（b）示出了实验所测关键波形，信息调制对负载电压无显著影响，信号电压的幅值包络可以被很好地检测到。此外，当系统相关参数发生改变时（输入电压、负载电阻、耦合线圈相对位置）系统仍能保持正常工作，实验结果验证了所提方案的可行性。

图5 实验平台及实验结果

结论

本文提出了一种基于移相调制的无线电能与信息同步传输技术。通过降低逆变器工作频率，在发射线圈中生成基波分量做为低频通信载波，并通过控制移相角完成信息调制传输信息，利用3次谐波分量传输电能。搭建的实验平台验证了本文所提方案的可行性，在基于低频电磁波通信的同时实现了较高效率的电能传输，在海洋等对电磁载波频率敏感的场合中优势明显。

团队介绍

南京邮电大学自动化学院、人工智能学院赫兹科技实验室长期致力于人工智能技术、通信技术和电力电子技术等跨学科研究，在无线能量信息协同传输技术、新能源发电技术、射频功放包络线跟踪电源技术、高频磁芯损耗建模等领域取得较好的研究成果。近年来，该团队完成了多个国家级，省级和企业的研究项目。

该论文的通讯作者为周岩教授、博士生导师，院长助理，IEEE PES 智能电网与新技术集成应用分委会常务理事、江苏省智能电网信息工程综合训练中心主任。

本工作成果发表在2023年第16期《电工技术学报》，论文标题为“基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术”。本课题得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持。

世界首个！杭州柔性低频输电示范工程亭山换频站带电

12月18日，杭州柔性低频输电示范工程——220千伏亭山换频站核心设备M3C换频器一次性解锁成功，首次实现交流220千伏电压等级电气量的频率可控转换，标志着世界上首个高压大容量低频换频站——亭山换频站顺利启动带电。

该工程是目前国际上电压等级最高、输送容量最大的柔性低频输电工程。此次带电意味着工程朝着整体投运迈进了关键一步。柔性低频输电是一种以电力电子技术为基础的高效交流输电技术，可以将传统电网中50赫兹的输送频率降低到20赫兹。这可以有效提升输电线路的输送容量、输送距离及输送效率。国网浙江省电力有限公司瞄准柔性低频输电技术在大都市高密度负荷区域的应用前景，率先以杭州为试点，在全国范围内首次将高压柔性低频输电技术应用到城市电网。

杭州作为大受端城市，呈现以“两交两直”为主要电源，东、西、北三个环网的电网布局。但受短路电流限制，500千伏和220千伏的供区分别独立运行，供区间互济能力没有被充分利用。柔性低频输电为这一问题带来了一套解决方案。通过建设杭州220千伏柔性低频输电工程，杭州亭山、中埠两座高压大容量换频站将形成低频互联，实现富阳和萧山南部两大电网的柔性潮流互济、异步互联，有效降低浙北、绍兴特高压换流站的换相失败风险，同时为海上风电的低频送出提供工程实践样板。此次启动带电的亭山换频站位于富阳区富春湾新城，总建筑面积7810平方米，是杭州220千伏柔性低频输电项目的重要组成部分。亭山换频站在建设过程中应用了包括高压大容量换频器、低频变压器、低频断路器、低压控保系统等14项国际领先首台首套创新成果，攻克了低频和工频同步加压难题，首次实现大功率换频阀功率器件和电容国产化的应用，实现了世界首套高压大容量M3C换频阀的投运。为确保工程安全顺利建成投产，国网浙江电力组建工程建设管理专班，积极协调项目前期工作，依法合规、快速完成政策处理事宜。各参建单位全力以赴参与建设，安全有序推进现场进度；同步构建跨单位、多专业联合交接验收体系，汇集省电科院、特高压换流站等专业力量，开展控保系统仿真调试，助力工程如期优质投产。