随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，从遍布世界各地的输配电线路网架到为工作中和家庭中的各类电气设备提供电能，采用金属导线直接连接来进行电能传输的接触式传输方式已经得到了广泛应用。虽然这种“有线”的传输方式已经发展得十分成熟，但仍有不少问题难以解决。
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3.1、重大科学问题
如前文所述，无线输电技术的技术需求与传统的有线传输方式等有很大的不同，主要体现在与工频交流和直流传输方式不同，主流的无线输电方式频率较高，因此需要解决设备在大功率、高频率和长寿命条件下产生的一系列问题，并研究此条件下系统的设计优化和控制策略，验证传输的安全性。
(1)传输理论研究和系统建模
基于磁共振耦合的中距离传输方式是一种新兴的传输方式，在对这种方式的传输系统进行建模分析，很少直接采用线圈的详细物理参数建立数学模型，大多数采用基于耦合模理论的微分方程、含有耦合电感的电路模型或者二端口网络对其传输机理进行分析。这些传输模型都能较为准确地反映出磁共振耦合现象，并在一定程度上解决实际问题，但都存在明显的不足使其应用条件受到很大限制。
电磁场分析方法理论上可以计算非常详尽的电磁场分布[17]，理论上可以计算出耦合磁场输电细节。然而对于尺寸较大的系统，分析计算过程是非常复杂的，虽然借助电磁场有限元分析仿真软件可以求得分部场的直观数值解，但会耗费大量时间和资源，在进行系统设计和参数优化时十分不便。
耦合模理论是解释两个或多个电磁波模式间耦合的普遍规律的微扰分析理论，可以避免具体对象繁杂的物理参数，径直对目标间的能量耦合进行计算。基于耦合模理论的微分方程虽然可以从能量角度进行分析，但是不够直观，无法将线圈的详细物理参数，与传输效率、传输容量等系统设计优化所关注的数值直接关联起来;含有耦合电感的电路模型较为直观，认为发射端电路和负载端电路之间，由发射线圈与接受线圈之间的互感耦合，根据电路理论进行分析计算，是目前国内分析建模时较多使用的模型，但是由于忽略了线圈和器件在高频条件下的特性，分析计算较粗略，不利于有关高频电磁场方面的分析，在进行设计时，可以适用的频率范围受到很大限制。
二端口网络分析方法将输电与转换部分看作一个二端口网络，利用测得的端口参数对系统进行求解，同样缺乏直观性。传输理论研究和系统建模时还需要关注更多与设计优化直接相关的问题，如发射端与接收端的阻抗匹配问题，系统本征频率的控制问题，传输通道上的功率密度分布问题。
基于微波的长距离无线输电系统作为一个以微波能量为传输介质、以高效率为核心要求的系统，微波无线输电系统涉及到高效率高能量的微波器件、低损耗的微波溃电、高效率高功率微波发射、高精度的波束指向、低反射高效率的微波接收、高效率的微波整流及收集，其关注点和相关收发机理和理论方面与传统的通信系统存在很大的差距。需要重点考虑能量收/发合作系统波束匹配、功率密度/工作点匹配、黑体接收、大功率空间赋型波束合成、非线性负载阵列天线等问题。
(2)大功率高频器件
在中短距离的无线输电方面，高效率大功率的应用需求要求电源不仅拥有足够的高频电能转换能力，亦需要具有稳定可控的输出频率，因为电源的构造是一个巨大的难点。长距离、大容量的长距离无线输电技术更是要求相关器件的设计方法、基础材料理论和机理具有重大的创新，是需要重点研究的科学问题。
(3)多场耦合机理和理论
中短距离的传输系统中由于很大一部分能量散失是由于电源的功率损耗，在电源损耗与线圈之间的传输损耗之间取舍，需要考虑电路与高频电磁场的耦合联合分析计算问题。温度变化也会导致最优传输频率的改变，因此还需要深入研究温度场与电路、电磁场的耦合关系。
长距离微波功率发射阵列天线的多场问题表现为结构位移场、电磁场、温度场三场的双向及强耦合关系。首先要研究三场耦合建模，微波功率发射天线结构位移场的变化会导致温度场与电磁场的变化，温度场的变化又会通过热传导方式影响结构位移场，同时通过改变电子器件性能从而影响电磁场，因此需深入研究电磁场、结构位移场、温度场等多物理场之间的耦合关系，挖掘多场之间的物理联系参数及影响因素，研究影响微波功率阵列天线综合性能的因素，提出多场耦合理论模型的数学表达方法，寻求系统规划构造的最优平衡解，从而解决发射天线多个学科领域之间、多个目标之间的耦合、计算复杂性等问题。
(4)效率最优和功率最优控制策略
中短距离传输中，频率漂移和频率分裂的现象时常产生。频率分裂现象是无线输电系统中发射端与接收端之间的耦合系数存在多个极大值的现象，这是在磁耦合共振式和电磁感应式无线输电中都经常会发生的问题。频率分裂使系统控制策略面临巨大的问题，难以快速寻找到全频段最优的传输频率，同时对于已经处于最优工作点的系统，使得该系统的状态很难稳定。运作频率的抉择和调控对整体传输效率的提升起决定性的作用。
为了有效解决短中无线输电系统稳定性差的问题，需要研究系统传输效率峰值如何取得的问题，确定影响效率峰值的变量因子，同时开展跟踪系统传输效率峰值控制理论与方法研究，从而保持传输系统始终处于稳定高效的运行状态。
长距离传输中从安全性和高效率的角度都要求微波波束保持非常高的指向性。天线抖动、电离层闪烁、大气湍流均会直接影响高精度波束指向，依靠传统的机械控制极难实现如此高的精度，目前主要考虑通过调整微波发射天线各发射单元的微波相位实现整体快速的波束高精度指向调整。
由于发射天线尺寸大，发射单元多，对相应的波束控制带来很大的难度，对于移相精度、控制电路等提出极高的要求，有必要展开相关高精确度的波束指向控制理论与方法研究。
(5)对电磁环境的影响和电磁兼容问题
在中短距离的无线输电系统内部及其工作环境中，有着各式各样的在电子设备，在高频大功率的电磁场中，它们很易受到干扰。相较于传统的电能传输方式，中短距离无线传输系统中有很多对高频电磁场敏感的参数，可成为等效负载，造成系统最优传输频率的漂移。
尤其在中距离磁共振耦合方式中，干扰电磁场的频率越接近系统的共振频率，对传输的影响越大，例如其他设备中的整流、逆变模块产生的高次谐波有时会与共振频率相近，对传输效率会造成非常明显的干扰。
关于系统稳定工作对于电磁环境的要求，以及系统工作时对周边电气设备的影响的研究还不多，这是无线输电领域一个值得引起注意的重大科学问题。
无线输电尚不能像有线传输模式在传能通道上实施彻底的安全措施，也不是像无线通信方式只传输功率极小的信号，而是在频率相对较高的情况下传输较大的能量，而在高频磁场中人体会承当何种程度的安全风险，以及将潜在威胁尽可能规避，至今仍旧没有权威的定论或得到普遍认可的结论。
虽然有部分与电磁环境对传输的影响问题、传输电磁兼容问题和安全问题相关的研究，但大部分研究尚处于起步阶段，有必要进一步探究中短距离无线输电系统的高频电磁场对人体健康和自然环境是否有负面作用的问题。
对电磁环境的影响和电磁兼容问题不仅是中短距离无线输电技术需要解决的重大问题，较大功率的微波辐射对于地面生物体和环境的长期影响效应也需要开展深入研究。还需要特别考虑大功率微波传输对于通信等应用的干扰影响、对误进入该区域的飞行器等的安全性研究。
3.2、关键技术
(1)大功率高频电源技术
高频电源作为无线输电系统中工频交流和直流到高频能量转换的关键部件，在无线输电中，需要高频率、大功率且使用寿命长的功率放大器作为电能变换装置，主要考虑的设备参数有输出功率、输出频率、转换效率、重量和体积等。从实际应用需求的角度出发，高频电源需要具备输出频率和相位可控且输出高度稳定的特点。
但是由于器件性能的限制，传统的电力电子领域的高频逆变器输出频率不够高，微波通信领域的大功率射频功输出功率不够大，使用磁控管的微波源虽然可以兼顾输出频率和功率的要求但使用寿命短，均难以满足无线能量供应的要求。
无线输电中，为了实现电源的可控，目前多采用电力电子逆变技术来实现，然而受开关管等元件的技术参数约束，这一类电源的输出频率若要达到兆赫兹的水平难度非常大，随着输出功率的提升，提升频率难度也进一步增强。
在功率需求不高的场合，为达到传输大频率功率的目的，采用了射频领域的电源技术，采用E类射频功率放大器原理进行电源构造，这一种电源频率相对更高很容易达到兆赫兹级别，不足之处在于对阻抗匹配的需求相对较高，进行相关的设计和试验验证起比较有难度。
(2)发射端技术
磁共振耦合方式中，发射线圈线的物理参数是决定系统共振频率的决定性参数，传输效率的关键因素就在线圈是否具有合适的品质因数。线圈的品质因数，与线圈的电感，电阻值以及系统工作频率先关，所以线圈设计技术的核心就是线圈高频下阻抗特性的调整。
当发射线圈的高品质因数过高时，传输系统的共振频率很高，传输效率也很高，但受系统中各种高频杂散电容参数的影响，线圈的稳定性相对较低，工作频率稍有偏移效率会急剧下降。需要通过线圈自匹配技术或者带可控电容的线圈结构，控制线圈的电容参数，实现的跟随频率变化的阻抗匹配。
发射线圈本身参数的优化主要对线圈的选材、结构设计等方面进行考量，例如采用中继线圈的多线圈传输技术、基于多场耦合联合仿真分析技术设计具有良好磁场分布的线圈结构以实现系统的效率优化，采用超导材料线圈、线圈表面覆盖磁性介质等技术改善线圈的物理参数和传输通道上的磁场分布的新材料应用与新型结构设计技术。
长距离微波传输中，发射天线尺寸极大，保证微波能量经一定距离传输后仍能集中于接收天线位置。为了实现发射天线与接收天线之间高效率、大功率的无线输电，微波无线输电所要求的高增益、大功率容量、频带宽度等要求，需要涉及多场耦合分析与集成设计技术、天线结构创新设计技术、大尺寸柔性形面高精度保持技术、精密波束调整技术和高效热控技术等。
(3)动态跟踪控制技术
在中短距离的无线输电中，使得传输效率最大化的传输频率和阻抗匹配情况均会随环境条件的变化发生一定程度的改变，尤其是在前文提到的频率分裂现象和温度引起的频率漂移现象发生时。通过系统参数的合理设计来规避这些问题具有一定的局限性，因此目前中短距离的无线输电的优化和控制技术是必不可少的。
在长距离的无线输电中，能束对准接收端的状态极大程度地影响系统整体效率。微波发射天线和接收天线间需要具有很高的指向精度，必须采用高精度的发射波束控制，需要研究逆向波束控制技术、大规模发射天线阵列校准技术和分布式信号同步技术来实现所需的波束指向精度。
4、对我国电力系统的发展的影响
4.1、电力设备制造
图31是需要定期更换设备电池的塔上监测设备示意图。应用于高压输电线路塔上监测系统的无线供电电源，代替使用太阳能风能或定期更换电池方式，安全、可靠、经济、方便。无线输电技术的发展与普及，会使得电力设备制造商在制造时更多考虑采用无线供电的方式或者有线无线相结合的供电方式，以在保证安全可靠运行的条件下，提供安装维护更为便捷、工作时长更为稳定的电力设备。
图需要定期更换设备电池的塔上监测设备
4.2、输电网
在中国，东部和西部经济发展的差距逐渐增大，两者资源占有比例非常不均，其间的矛盾也变得越来越严重。一些边远山区离大电网距离远，当地经济发展受到了严重约束。而电网的死角，采用无线能量供应后可以较好的得到解决。输电领域最关注的方面一是效率，二是经济性。无线能量输送的效率主要由三个方面决定，一是电源的效率，二是发射/接收天线的效率，最后是整流逆变装置的效率，判断它的经济性如何，需要将其与有线方式下所用的相应器材价格进行比较，另一方面针对某一个具体存在的输电网络，其各项参数属性也与经济性密切相关。
4.3、配电网
由于受多种因素的影响，无线充电方式在实现了用电灵活性的同时，其充电需求在时间和空间上将具有更为随机、分散等特点，增加了整个电网的运营管理难度。在对配电网的影响方面，如果进行大容量的无线充电，如果没有合理的配置变压器容量或继电保护装置的工作阈值，有可能会引起变压器或的配电线路动作、电容损耗的增加，以及电能质量的恶化。
在无线输电技术不断发展的过程中，电池获得了一种新型的充电方式。作为非线性负荷，充电时，会导致电网的谐波污染，引起线路发热和变压器的附加损耗，甚至引起电感和电容谐振，这样加大谐波的危害，对电网的影响更严重。蓄电池作为容性负荷，它的负荷功率较为低下，这样导致公司对功率因数的需求难以得到满足。
此外，无线电能供应的品质在一些场合下会有所降低，故在大型无线充电站中，对于安装的电能计量设备，不仅需要能够对谐波起到消除作用，同时还需要能够对直流电能和宽负载进行计量。无线充电站主要有两种情况，其中一种是快充，另一种则是慢充，在这种情况下就要求，在充电站中，充电负荷能够得到合理的调整，使容量达到一个比较均衡的水平。无线电能供应类负载的充电时间较为分散，无线充电站仍然要适当安排充电行程，提升充电站的负荷利用效率。
电动汽车对电网产生干扰的因素表现在于电动汽车的普及程度、类型、供电时间、电能供应方式、电池特性以及供电设施规划建设等。对电网的影响具体表现在电力网络的整体性、同步电机的稳定、系统频率的稳定以及其他影响。对于电动汽车接入电网的方式来说，当其仅限于充电站（桩）时，它对电网的影响就借由充电站（桩）笼统地反映出来。
当下中国的电动汽车行业正处于迅猛进步之中，对于电网而言，庞大数量、不同种类电动汽车的电能供应行为会造成极大影响，但就电力系统的安全性和经济性而言，电动汽车的储能特性亦能够提供一个新的机会。电动汽车的商业发展模式正深深地影响着电动汽车充电对电网所造成的冲击，不确定性的因素众多。
结合负荷均衡来看待这个问题，电动汽车的应用和充电站电能供应时间特性相结合可以起到削峰填谷的作用，故不会对输电网造成过大的干扰，但对配网局部而言，可能会引起大的干扰，这主要是由其群聚效应所引起，就这一点而言仍有待深入探索钻研。
4.4、智能电网
目前对于变电站的巡检，有着必须要考虑的非常重要的两个方面，一是工作效率，二是其运行的安全可靠，在这种情况下，大力发展变电站的无人值守化，利用巡检机器人在一定程度上替代人工巡检已成为了一种不可避免的趋势。
变电站设备巡检机器人是近几年开始研究和发展的，经过这几年的探索，我国的变电站巡检机器人技术取得了较大进展，在变电站巡检机器人充电方面，已经投入运行的变电站巡检机器人均采用接触式（相当于有线）充电方式，但是接触式充电方式容易存在定位不精确使充电装置与机器人对接不稳定导致充电失败、有安全隐患等缺点。
能够不接触充电、对定位精度要求不高、安全等优点使无接触电能传输技术在变电站巡检机器人充电方面有巨大的研究价值。其中耦合谐振式的无线输电技术的发展空间更广阔。
电动汽车在规模化以后亦能够储存电网的电能。在使用无线输电技术后能够显著提升电动汽车与电网之间的互联，极大的促进智能电网的发展。具体优势表现为：
1）对于再生能源，能更好地抑制其输出波动。对于电动汽车的充放电来说，采用无线输电的方式后可以与电网更加强有力地进行互动，这样便能实现电动汽车充电和放电的自动优化调控，进一步可以压制可再生能源的波动，对于可再生能源的消耗与容纳也可以起到提高作用。
2）大减电网受到的冲击。与有线的电能供应模式相比，无线电能供应的地点更加分散，对电动汽车充电的集合程度而言比较有优势；因为与电网之间无物理连接，电能采用无线供能的模式其应变能力、安全性得到了很大程度上的提高，不仅能够分开过于集中的供能时刻，并且也使得短时间供电完毕的概率极大降低。在无线的电能供应模式下，电动汽车从电网取电导致的的不良影响得到了极大的缓解。
3）可强力削峰填谷，这样便达到平衡负荷的目标。通过用户意愿设定，合理调度电网各个环节，与电网积极互动，完成充放电。同时电网稳定性可以得到极大提高，也符合当今节能减排的主题。
4）电池容量要求低。电池在很大程度上约束了电动汽车的进一步投入使用。据统计，当电动汽车的行驶里程达到150000km时，电池的失效问题便会变得很严重，这种情况不得不更换新电池。但采用无线电能供应的模式后在很大程度上能够降低对于电池容量大小的需求，从而达到减少经济成本的目的。
4.5、新能源利用
风电、太阳能、潮汐发电、地热发电等属于新能源发电，但是它们均存在发电间隔，这样电网会受到较大的冲击影响，因而在新能源发电厂附近建设电动汽车无线电能充电站是一种不错的选择。因在距市区有较远的地方是建设新能源发电厂的主要场所，在新能源电厂周围建设充电站的主要目的是采用无线输电的方式对需要长途行驶的电动汽车进行供电。这种举措对分布式新能源发电的发展将起到非常积极的推进功效。
作为空间太阳能电站结构的根基，无线输电技术是决定其结构、效率、尺寸的非常重大的一个影响因子，同时无线输电技术非常重大的一个使用投入方向便是空间太阳能电站。
目前空间太阳能电站的电能供应主要有三种方式：其一是直接将太阳光反射到地面，其二是利用微波以无线的方式传送电能，最后一种是利用激光以无线的方式传送电能。对于直接将太阳光反射到地面的方式，由于太阳光线发散角的存在，需要的地面接收尺寸非常大，要求空间聚光系统尺寸也非常大；对于利用微波进行电能的供应，对接收天线的面积要求相对来说较高；对于将电能转换激光进行电能的供应，要求接收面积相对较小。
利用微波进行无线方式电能的供应是空间太阳能电站研究最多的供能方式，具有较高的转化和供能效率，在特定频段上的气体、云层穿透性非常优良，技术也比较完善，波束功率密度低，并且可以通过波束进行高精度指向控制，具有较高的安全性。但由于波束宽，发射和接收天线的规模都非常大，工程实现具有较大的难度，比较适合于超大功率的空间太阳能电站系统。
空间太阳能电站作为是未来一种前景广阔的可再生供能方式，其实现的关键技术便是无线输电。天地之间的无线输电适合采用微波或激光的方式，各有优缺点，太阳能发电阵和发射天线间适合采用基于电磁耦合的无线输电方式。
由于功率巨大、传送效率大等需求，对于各种无线方式下电能的供应要求相对比较高。需要结合应用加强无线输电系统和重点技术的钻研，突破核心技术，推进性的进行相关实验检验，从而为将来空间太阳能电站的应用打下一个良好的根基。
与此同时，就我国的充电设施建设而言，已经十分热烈，但存在一个尚待完善的问题，即对充电站进行布置和合理地规划大小，目前还没有特别成熟的理论与办法。
在配电网规划中进行布点和配置容量对于电动汽车的发展是不得不考虑的问题。长远看来，电动汽车进入人们的生活是一种必然，伴随充电和计量技术的不断进步与创新，分布式的家庭电能供应必将具有极大规模，这也将成为探究电动汽车电能供应领域对电网的干扰时不得不考虑的一个重点因素。
原标题：【技术】无线输电关键技术及其应用
