基于旋转导向钻井的无线电能传输耦合结构设计

背景与动机:

当下，石油天然气是人类社会最重要的一次能源。井下特殊的环境条件对钻井设备安全便利的供电技术产生了挑战，无线电能传输（WPT）技术基于电磁谐振原理能够在完全电气隔离的条件下实现电能传输，有效减少设备磨损、提升传输可靠性。

在旋转导向钻井系统机械结构中，旋转轴与固定套管之间发生相对旋转，为了有效提高旋转过程中无线电能传输的稳定性，耦合线圈结构采用圆形，当前方案在360°旋转过程中都存在线圈的互感零耦合点，降低传输效率。因此，构建传输性能稳定的耦合线圈结构至关重要。与此同时，由于井下强振动的环境，难免会发生耦合线圈之间错位的情况，这导致线圈互感值降低，从而降低系统性能。如何设计线圈耦合结构，实现横向、轴向、偏轴角偏移时的互感稳定，一直是研究的热点问题。

理论分析：

本文基于在平面线圈结构中DD线圈具备更好的抗偏移性能，在旋转工况中该优势体现在DD线圈结构具有良好的横向抗偏移能力，选定立体DD-DD线圈结构作为初始设计模型，探究了发射线圈圆心角度和线圈组合数量两个参数在旋转过程中对耦合结构的互感影响特性，如图1所示。

（a）

（b）

图1 互感值随线圈圆心角及组合数量变化图（a）圆心角度（b）组合数量

基于DDQ线圈结构的解耦原理，DD线圈的中心位置产生横向磁场，矩形线圈与DD线圈正对时在该位置会产生纵向磁场，两者之间解耦，为实现补偿互感零耦合点，设计DD-4D双层正交磁耦合结构，它们的等效电路如图2所示。

图2 基于S-S补偿拓扑的WPT系统等效电路图

应用分析：

本文基于井下旋转工况及DDQ线圈结构的解耦原理，设计了如图3所示的完整磁耦合结构

图3 井下旋转工况下WPT装置图

其耦合结构设计为DD-4D双层正交耦合结构，如图4所示。

图4 DD-4D双层正交耦合结构

根据发射侧双层DD线圈的错位角度和层间距离参数，结合实际应用条件和仿真分析，确定最佳线圈结构参数值，并分别验证横向偏移、轴向偏移以及偏轴角偏移情况下，该结构的优越抗偏移性能，研究内容流程图如图5所示。

图5 研究内容流程图

实验结果及分析:

为验证DD-4D双层正交磁耦合结构在旋转过程中互感参数及传输效率的稳定性，搭建了基于该结构的实验平台，发射线圈及接收线圈匝数均为6匝，线圈匝间距d1和d2均为2mm，收发线圈实物如图6所示。WPT完整系统实验平台如图7所示。

图6 发射线圈和接收线圈实物图（a）DD接收线圈（b）双层DD发射线圈

图7 WPT系统实验平台图

图8为DD-4D双层正交磁耦合结构的互感、耦合系数与线圈旋转角度的关系图，不难发现实验曲线与仿真曲线的互感和耦合系数整体变化趋势相似，互感的误差大约为4.1%，耦合系数的误差为9.2%，存在偏差的主要原因是实验线圈绕制不够精准及不可避免的操作误差。

图8 互感和耦合系数随旋转角度变化图

图9显示了磁耦合结构效率以及系统效率随收发线圈的相对旋转角度的变化曲线。结果表明，在完整旋转过程中，磁耦合结构的最高传输效率可以达到97.03%，最低为96.32%，效率偏移率仅为0.732%；系统效率最高可达90.07%，最低为87.06%，偏移率仅为3.34%，可见双层正交DD线圈结构有效补偿了零耦合点处的传输效率。

图9 传输效率随线圈旋转角度的变化曲线（a）耦合结构传输效率（b）系统传输效率

结论:

本文提出一种旋转工况下新型的DD-4D双层正交磁耦合结构，探究了其与DD-DD耦合结构的互感特性差别。本文分析了所提出的DD-4D双层正交磁耦合结构在旋转过程中的互感特性以及横向、轴向和偏轴角的抗偏移特性。已经构建了WPT实验模型并完成相关测试，实验结果与仿真分析结果吻合良好，在旋转周期内，互感保持在8μH附近，最大误差约为5.1%。系统传输效率达到90.07%，偏移率仅为3.34%，有效验证了DD-4D双层正交磁耦合结构的有效性。

关于作者

吉莉，女，博士，副教授，博士、硕士研究生导师。博士毕业于中国科学院大学，长期致力于无线电能传输、能源互联网及物联网技术相关研究工作，主持2项国家自然科学基金项目、1项国家863课题和1项省部级基金，作为技术负责人主持多项国家863项目、国家科技支撑项目。科技部国家第六次技术预测工作能源领域总体组专家，《IET Renewable Power Generation》、《CSEE JPES》等期刊的Guest Editor，中国电工技术学会无线电能传输专委会委员。以第一作者/通信作者在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》、《IEEE Transactions on Power Electronics》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》、《Renewable Energy》等期刊上发表SCI/EI期刊论文30余篇，第一作者获授权/受理发明专利/软件著作权10余项，编写中文著作3部。

主要研究方向：无线电能传输技术、物联网技术、能源互联网技术。

联系方式：jili@cup.edu.cn