感应耦合电能传输系统最佳工作点跟踪研究.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l .45 No .12 Dec .2019 文章编号文章编号1671-251X2019 12-0054-06DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 2019050003 感应耦合电能传输系统最佳工作点跟踪研究 王琦婷，魏业文，周健飞，李应智 三峡大学电气与新能源学院％湖北宜昌443002 扫码移动阅读 摘要摘要针对传统感应耦合电能传输ICP T系统的工作状态随负载变化而偏离最佳工作点的问题，在 ICP T系统中引入H桥变流器取代传统补偿电容，通过改变其触发角实现补偿容量动态调节和最佳工作点 跟踪。根据电路互感理论建立ICP T系统最佳工作点下的补偿容量-负载匹配数学模型，并以最大功率点为 优化目标，给出了基于H桥变流器动态补偿的ICP T拓扑及阻抗匹配控制方法 Ma t l a b仿真结果表明， H桥变流器触发角仅的取值范围为40\实验结果表明，基于H桥变流器动态补偿的ICP T拓扑具有良 好的动态补偿特性，能够在负载变化时自动跟踪系统最佳工作点。 关键词感应耦合电能传输；H桥变流器；动态补偿；最佳工作点；最大功率点 中图分类号TD60 文献标志码A Rese a r c h o n o pt ima l o per a t in g po in t t r a c kin g o f in d uc t iv e c o upl ed po w er t r a n smiss io n sy s t em WANG Qit in g , WEIYew en , ZHOUJia n f ei, LIYin g zh i Coleg eo f El ec t r ic a l a n d Ne w En er g y ,Ch in a Th r e eGo r g esUn iv er sit y ,Yic h a n g 443002,Ch in a AbstractIn v iew o f pr o bl em t h a t w o r kin g st a t e o f t r a d it io n a l in d uc t iv e c o upl ed po w er t r a n smissio n ICP Tsy st emd ev ia t e sf r o mo pt ima l o pe r a t in g po in t a st h el o a d c h a n g e s,H-br id g ec o n v er t er isin t r o d uc ed t o r e pl a c et r a d it io n a l c o mpen sa t io n c a pa c it o r in ICP T sy st em, a n d d y n a mic a d Bust men t o f c o mpen sa t io n c a pa c it y a n d t r a c kin g o f o pt ima l o per a t in g po in t s a r e a c h iev ed by c h a n g in g it s t r ig g er a n g l e. Co mpen sa t io n c a pa c it y -l o a d ma t c h in g ma t h ema t ic a l mo d e l un d e r o pt ima l o per a t in g po in t o f ICP T sy st e mise st a bl ish ed a c c o r d in g t o c ir c uit mut ua l in d uc t a n c et h e o r y .Th e ma ximum po w er po in t is used a s t h e o pt imiza t io n t a r g e t ,a n d ICP Tt o po l o g y a n d imped a n c e ma t c h in g c o n t r o l met h o d ba sed o n d y n a mic c o mpen s a t io n o f H- br id g e c o n v er t er a r e g iv en . Ma t l a b simul a t io n r e sul t s sh o w t h a t t h e r a n g e o f t r ig g er a n g l e - o f Hbr id g e c o n v er t er is -40; exper imen t a l r esul t s sh o w t h a t t h e ICP T t o po l o g y ba sed o n d y n a mic c o mpen sa t io n o f H-br id g e c o n v er ,er h a s g o o d d y n a mic c o mpe n sa io n c h a r a c ,e r is,ic s,w h ic h c a n a u,o ma ic aly ,r a c k,h e o pima l o pe r a in g po in ,o f ICP Ts y s ,e ma s ,h e l o a d c h a n g e s . Key wordsin d uc ,iv e c o upl ed po w er ,r a n smiss io n ; H-br id g e c o n v er ,er ;d y n a mic c o mpe n sa io n ; o pima l o per a in g po in ,;ma ximum po w e r po in , 0引言引言 感应耦合电能传输In d uc t iv e Co upl ed P o w er Tr a n smissio n,ICP T技术的基本原理是利用松耦 合变压器磁场弱耦合的方式实现无线电能传输13。 作为一种安全便捷的供电方式，该技术已经在煤矿、 航空航天等领域得以推广应用弘7。为了提高ICP T 系统的输出功率与传输效率，国内外研究人员在电 路拓扑、系统建模、传输特性及效率优化等方面做了 大量研究11文献［12］对比分析了单谐振补偿、 收稿日期收稿日期2019-05-03;修回日期修回日期2019-11-23;责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目基金项目国家级大学生创新创业训练计划项目01711075009湖北教育厅优秀中青年科技创新团队计划项目T201504。 作者简介作者简介王琦婷1994 ，女，女，山西临汾人，硕士研究生，研究方向为无线电能传输,E-ma il w a n g q it in g 000 126. c o m。 引用格式引用格式王琦婷，魏业文，周健飞，等感应耦合电能传输系统最佳工作点跟踪研究工矿自动化，2019,451254-59. WANG Qit in g, WEI Yew en, ZHOU Jia n f ei, et a l . Resea r c h o n o pt ima l o per a t in g po in t t r a c kin g o f in d uc t iv e c o upl ed po w er t r a n smissio n sy st em［J.In d ust r y a n d Min eAut o ma t io n 2019 451254-59. 2019 12 王琦婷等感应耦合电能传输系统最佳工作点跟踪研究・55・ 多谐振补偿的多种ICP T系统输出特性，对系统参 数设计和器件选型具有一定指导意义。文献口3］利 用电路互感理论建立了系统传输效率与输出功率的 数学模型，分析了最大输出功率和最优传输效率条 件下的系统阻抗匹配特性，但在应用中难以实现负 载参数的普遍适用性。文献4采用电容阵列构成 自动阻抗匹配，以提高ICP T系统输出功率，但所需 器件多且控制过程复杂。文献［15-17］采用LCL谐 振型发射端拓扑降低了开关管应力及电流谐波，该 拓扑具有发射线圈恒流、抑制频率漂移等优点。 上述研究中针对输出功率和传输效率的优化大 多是基于固定参数的负载展开的，然而在实际应用 中，接收端负载的变化会影响ICP T系统输出功率 的变化。文献8］针对变化负载设计了一种频率可 调的相控电感电路，对系统输入阻抗进行动态调节， 以实现最大功率传输。文献口9］提出了一种基于多 谐振器的自适应频率调节方法，该方法实现了频率 跟踪和系统最大效率传输。但以上2种方法都需要 对系统频率进行调节，牺牲了系统鲁棒性。 针对负载可变系统的传输特性优化问题，本文 设计了一种基于H桥变流器动态补偿的ICP T拓 扑，以实现最佳工作点自动跟踪。首先，根据电路互 感理论建立了 ICP T系统输出功率、传输效率与负 载、补偿电容之间的数学模型，得出最佳工作点下的 补偿容量-负载匹配条件;其次，分析了利用H桥变 流器实现补偿容量动态调节的原理，建立了反映其 等效容抗与触发角关系的数学模型；最后，设计了 H桥变流器动态电容补偿的阻抗匹配方法，通过调 节其触发角实现ICP T系统的完全补偿，使系统能 够在负载变化时自动跟踪最大功率点。 1 ICPT系统最佳工作点系统最佳工作点 为了减小ICP T系统阻抗和无功功率容量，通 采 容对 射端和 端 感线圈 行补 ， 其补偿拓扑及容量将密切影响ICP T系统工作状 态。当ICP T系统达到最大输出功率时对应的补偿 状态称为最大功率点。 1. 1 系统传输特性 根据电容补偿方式串联S和并联P 的不同， ICP T系统可分为SS,SP ,P S,P P等4种拓扑结构。 以SP型拓扑为例分析ICP T系统最佳工作点，其结 构如图1所示。其中，Uin为系统输入电压， UoT为系统输出电压，L1和L2分别为发射线圈和 接收线圈电感，M为线圈之间的互感，R1和R2分 别为发射线圈和接收线圈等效损耗电阻，G和C2 分别为发射线圈和接收线圈补偿电容，Re q为负载 电阻。 图1 ICP T系统SP型拓扑结构 Fig . 1 SP t y pe t o po l o g y st r uc t ur e o f ICP T sy st em 设一次侧电流为G1,二次侧电流为/2,则 流程 1 Um T 11 十 /1L1/2 TP G1 1 , T C1 Uo T I2 L1/1 tP G T1 1 统 Zin 1 ，1 -1 1 TMd/Req C 1 T2 C2L2 , 2 /eq 2 固定发射端补偿电容C1，使2 1/L1C1成立, 为谐振频率。调节接收端补偿电容C2，使系统输 入阻抗Zin为纯阻性,乙.计算公式为 乙 1 沁二垒 3 ，2 进一步计算得到系统输入功率P n、输出功率 Po ut和传输效率为.分别为 J - un l n 1 2M2C2eq/L2 p 0 UMReq ⑷ Y oUt Req CO2M2C2eq 1，22 ReqM2 .,2 2M2C2eqL2 由式4可知，当其他参数确定时，系统输出功 率Po ut是关于C2和e q的函数。因此，对于取值范 围内的任一 eq，必定对应着唯一的C2使系统工作 于最大功率点。 1.2 补偿电容与最佳工作点 当负载改变时，通过调节C2使ICP T系统完全 补偿，从而工作于最大功率点，即系统输入阻抗为纯 阻性，令 l m［Zin 0 5 可得 C2e，2eq -C22q ,2 - 0 6 由式6可知，补偿电容C2为Re q的函数，要使 式6有解，需满足厶/0,解得 Req / 槡辽2 7 由式4可知，系统传输效率.是关于C2和eq ・56・ 工矿自动化 45 的函数，当系统处于最大功率点时，将式6代入 式 4 并 得 M2 . ,2 0为相位角。 图3与式10可得Cm2 压为 0, 0 兀, - U U 兀-, 图2基于H桥变流器动态补偿的ICP T拓扑 Fig .2 ICP Tt o po l o g y ba ed o n d y n a mic c o mpe n a t io n o f H-br id g ec o n v er t er H桥变流器由1 流电容Cz和4个含反并 联二 MOSFET V，X，Y，U组成，其工作模 式见表1 \ d2Z 订 \ d42 表1 H桥变流器工作模式 Ta bl e1 H-b r id g ec o n v er t er o per a t in g mo d e VXUY工模式 开关开关正向充电 关开关开反向放电 关关开关单管反向旁路 关开关开反向充电 关关开开正向充电 关关关关向旁 1 0 imd0 2XdcG1 sin 0 sin -, O C/ d e J Um2 , p q 0 L-，兀一-」 1 Ca imd0 V2XdcG1 sin 0 sin -, O C d e J 0 、 0 -,- 11 式中Xd c为Cd c的容 对式11进行傅里叶变换并取近似值可得桥式 静态开 基波电压有效值 U“m21 XdcG1 1 2- sin 2- , -0,/2 12 Cm2 容 Xm2 Xdc 1 2- sin 2- , - 0 ,/2 13 由式13可知，H桥变流器具有一定的电容调 节能力，与固定电容相比，H桥变流 通过控 制投切开关改变电容两端 态，从而在 周期 得与固定电容相 容值。通 丨 节 角-可实现Xm2的动态变化。 2 将H桥变流 控动态电容。以 压相 考，采用同步相移控制，通过改变 触发角-即控制开关导通时刻调节直流电容两端 3 H桥变流器动态电容与阻抗匹配方法桥变流器动态电容与阻抗匹配方法 根据ICP T系统 点 ，当系统频率 2019 12 王琦婷等感应耦合电能传输系统最佳工作点跟踪研究・57・ 和线圈耦合状况固定时，ICP T系统的等效阻抗Req 与H桥变流 匹 况是影响 率的重要 ，通 节 角动态调节H桥变流 成 。H桥变流 控制原理如图4 所示，其中Req 8R0/2。 图4 H桥变流器控制原理 Fig .4 Co n t r o l pr in c ipl eo f H-br id g ec o n v er t er 与功率 控制步骤如下 1 选取初 Re f，根据发射线圈电感，1、 接收线圈电感，2和补 容G、初始值Cm20计算 理论 频率3，将逆变 频率调节为3。 2 固定系统频率，将负载变为Re q ,由式6可 知，Cm2为Re q的函数，即 Cm2 - /Re q 14 负载改变时，Cm2的变化量％Cm2为 △Cm2 /Req Rr e f 15 3 根据％Cm2将H桥变流器的触发角调节 为1，使电容值变为 Cm2 1 - △Cm2 Cm20 16 4 计算最大输出功率Pmaxo 5 经过一定时间后，负载改变，耦合关系发生 变化,在保持 频率不变的同时，系统开始新的搜 索过程。 4仿真与实验仿真与实验 4. 1 仿真分析 H桥变流 ICP T系统的动态无功补偿器 件，其无功补偿主要受电流谐波和电容耐压条件的 限制。由图3可知，随着触发角增大，电流波形畸 变 重，因此，需要分析 角对电流畸变 率的影响。设H桥变流 端电压分别为380, 50 V,仿真得 流谐波含 角变化情 况，如图5所示。由图5 , 角增大, 流波 畸变程 大， 端 压 大， 波含 越大。而对于ICP T系统，因为文中选取的H桥变 流 端 压较小，所以谐波含量较小，可忽略不 计。端电压为380 V 容峰值电压 角的 变化情况如图6所示。由图6 ，电容峰值电压 按指数函数规律 ，触发角大于40。后，其值升至 3倍以上。综合以上分析，选取ICP T系统动态电 容容补偿的H桥变流 角V40。。 、*如坦翌垢莊 Fig 6 P ea kv o l t a g eo f H-br id g ec o n v er t er c a pa c it a n c e 4. 2 实验分析 了验证动态补偿ICP T系统设计方法的可行 性，搭建SP型两线圈结构ICP T实验系统，如图7 所示。2个线圈均采用0.8 mm漆包包线绕绕制10圈, 半径为8 c m。设定系统频率为100 kHz ,负载初始 值为25 ,。用TH2817CX 桥测得两线圈的 感和内阻,并计算 补 容容C1和并 初始值Cm20,详细 2。实验中，发射线 圈与 线圈相距30 c m,测得互感M 20 -H。 发射端C］控制板 全桥逆变 发射线圈 接收线圈 图7 SP型两线圈结构ICP T实验系统 Fig .7 SP t y pe t w o c o il st r uc t ur eICP T exper imen t a l sy s t em 初 态时，ICP T系统工 最大功率点，发 射端电压与电流同相位，波 图8所示，电压最大 值为21 V,电流最大值为0. 147 A,功率为3. 3 W。 线圈 传递 容的补 ，接收端负 载的电压为8. 3 V,电流为0.33 A,功率为2.81 W, 传 率为85。 ・58・ 工矿自动化 45 表2 ICP T实验系统主要参数 Ta bl e 2 Ma in pa r a met er s o f ICP T exper imen t a l sy st em 参数名参数值参数名值 电源电压/V24系统频率/kHz100 发射线圈电感,1/mH45. 2接收线圈电感G/y H40.6 线圈内阻＜1/,1. 2线圈内阻＜2/，，1. 2 补偿电容C1/n F5. 6补偿电容Cm20/MF0.923 初 e q 0/，25互感m/mh20 图8发射端电压和电流实验波形 Fig .8 Exper imen t a l w a v ef o r mo f v o l t a g ea n d c ur r e n t a t t r a n mitin g t er min a l 根据选定参数搭建实验平台，由理论分析可知， 性时＜eq /14 ,。为验证H桥 变流器ICP T拓 全补 最大功率点对负载电 ，固定系统频率, 14 , 30 ,。采集的实验数据见表3。 3 ICP T系统完全补偿实验数据 Ta bl e 3 Expe r imen t a l d a t a o f ICP Ty t em f uly c o mpen a t e /, 补 容Cm2 / 10-6-F Cm2/ 10-6-F 触发角-/ 最大 率/W 14 0.461-0.46224.00 1. 655 15 0.525-0.39820.231.763 16 0.575-0.34817.541.872 17 0.619-0.304 15. 131. 979 18 0.660-0.26313.052.087 19 0.701-0.22210.98 2. 193 200.739-0.1949.05 2. 300 21 0.776-0.1507.24 2. 411 220.817-0.106 5. 192. 504 230.853-0.0703.43 2. 606 240.887-0.036 1. 802. 708 250.923 002. 810 260.9590.036-- 270.9950.072-- 281.030 0. 106-- 291.065 0. 142-- 30 1. 1000. 177-- 311. 1340. 211-- 32 1. 169 0.246-- 由表3可知，以初始电阻25 ,、触发角0为基 值 改变时，Cm2 改变，通 节 角- ICP T系统工作在最大功率点。当负 14〜25 ,时，触发角-均在40以下， 统 谐波含量低、直流电容峰值小 件。而 阻大于25 ,时，触发角-不能再进行调节，不能使 统工作于最大功率点。针对该情况，需要调节H 桥变流 流电容大小，重新定义新的基准值以 实现系统动态补偿。 了证明动态电容补 性，设置Cm2为 20,时对应的补 容值， 他参 定不变。 改变时，传统固定补 容 不变，而动态补 容 改变而改 变。固定补偿与动态补 ICP T系统 率对 Fig .9 Co mpa r io n o f o ut put po w er o f f ixed a n d d y n a mic c o mpe n a t e d ICP Ty t e m 由图9 ，在传统固定电容补偿的ICP T系 统中, 大， 率 小，在 最大功率点。而在基于H桥变流器动态补偿 的ICP T系统中， 大时，通过动态调节补偿 容 统 最 大 率 点 。 5结语 针对传统固定容量补 ICP T系统存在输出 功率 变化而变化、难以 最大功率点 1 ，提出了基于H桥变流器动态补 ICP T拓 扑。 变 ，通 节H桥变流器的触 角-实现ICP T系统 全电容补偿，使ICP T系 统工 最大功率点。通过仿真得到H桥变流器 角- 值范围为-＜40。通过实验验证了 H桥变流 有良好的动态补 性，基于H桥变 流器动态补 ICP T拓 动态跟踪系统最佳 工作点。 参考文献References 1 KAZMIERKOWSKI M P， ， MISKIEWICZ R M， ， MORADEWICZ A J. 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LIU Guo jin BAIJia h a n g CUIYul o n g e t a l Do ubl e sid ed LCL c o mpen sa t io n a l t er a t io n ba sed o n MCR- WP T c h a r g in g sy st em [J]8Tr a n sa c t io n s o f Ch in a El ec t r o t ec h n ic a l So c iet y 2019 3481569-15798 [18] 强浩,黄学良,谭林林,等基于动态调谐实现感应耦 合无线电能传输系统的最大功率传输中国科学 技术科学 2012,427830837. QIANG Ha o HUANG Xuel ia n g TAN Lin l in et a l 8 Ma ximum po w er t r a n sf er o f in d uc t iv el y c o upl ed w ir el ess po w er t r a n sf er sy st em ba sed o n d y n a mic t un in g [J].Sc ien t ia Sin ic a Tec h n o l o g ic a 2012 427830-837. [19] 李森涛,樊绍胜,李富林,等.磁耦合谐振式电能传输 系统的功率输出特性分析及其最大功率点追踪[]. 技术 2015 3812143-145. LISen t a o FAN Sh a o sh en g LIFul in et a l .An a l y sis o f o ut put pr o per t y a n d MP P To f ma g n et ic aly -c o upl ed r eso n a n t mo d e po w er t r a n sf er sy st em [J ] .Mo d e r n El ec t r o n ic