文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171588
中文引用格式: 黃鋒,陳海賓,蔣超,等. 無線電能傳輸系統(tǒng)最高效率點(diǎn)控制策略的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(11):143-146.
英文引用格式: Huang Feng,Chen Haibin,Jiang Chao,et al. A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems[J].Application of Electronic Technique,2017,43(11):143-146.
0 引言
無線電能傳輸技術(shù)是支持負(fù)載設(shè)備以非接觸方式從電源取電的電能輸送技術(shù),電能可以進(jìn)行無線傳輸,與輸電網(wǎng)絡(luò)沒有電的直接連接,具有靈活、安全和方便等優(yōu)點(diǎn),該技術(shù)近十幾年大規(guī)模應(yīng)用在生活當(dāng)中。無線電能傳輸系統(tǒng)負(fù)載電壓和傳輸效率取決于線圈的耦合系數(shù)和負(fù)載阻抗,然而耦合系數(shù)和負(fù)載阻抗變化是非線性的。例如,無線充電汽車的耦合系數(shù)取決于客戶的位置,充電過程中負(fù)載(電池)發(fā)生改變[1]。目前有很多學(xué)者對無線電能傳輸?shù)碾妷汉蛡鬏斝蔬M(jìn)行了深入分析,文獻(xiàn)[2]提出了基于多個諧振器的自適應(yīng)頻率調(diào)優(yōu)方法使系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到最大。文獻(xiàn)[3]使用高頻變壓器進(jìn)行自動阻抗匹配(IM)的方法,改善無線電能傳輸效果。文獻(xiàn)[4]采用DC/DC轉(zhuǎn)換器有效調(diào)節(jié)輸出電壓。文獻(xiàn)[5]分析了欠耦合、臨界耦合和過耦合三種不同情況得到無線電能傳輸功率和頻率特性。
上述各種控制方法保證了系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定或提高了系統(tǒng)的傳輸效率,但是將上述兩個問題結(jié)合起來(即進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)如何兼顧傳輸?shù)男?的研究還很少見。本文綜合考慮諧振頻率、耦合系數(shù)、負(fù)載阻抗,首先利用互感理論對系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析,得到無線電能傳輸?shù)牡刃щ娐?;設(shè)計了最高效率點(diǎn)跟蹤控制策略使系統(tǒng)效率最大化且保證輸出電壓的穩(wěn)定,通過鎖相環(huán)對逆變電路進(jìn)行頻率跟蹤,使逆變器的頻率固定在諧振頻率上,同時最大效率點(diǎn)動態(tài)跟蹤匹配等效負(fù)載的最佳值,調(diào)節(jié)輸出電壓。
1 無線電能傳輸系統(tǒng)特性分析
無線電能傳輸系統(tǒng)的模型建立主要有兩種方式:互感理論和耦合模理論。兩種理論最終可得統(tǒng)一結(jié)果,本文采用基于松耦合變壓器的互感原理進(jìn)行建模分析[6],電能從初級線圈通過耦合傳輸至次級線圈,把線圈作為相互耦合的一對電感,對原邊和副邊的電阻電感建立約束方程,來求解輸入輸出變量。無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型如圖1所示。
回路1為原邊驅(qū)動線圈可稱為源端線圈,回路2為副邊,可稱為負(fù)載線圈,其中線圈1和線圈2分別為發(fā)射線圈和接收線圈,兩者都為諧振線圈。其中,L1和L2分別為發(fā)射和接收端的諧振電感,R1和R2為收發(fā)端的等效串聯(lián)電阻,I1和I2分別為發(fā)射和接收端諧振電流,M為諧振線圈的互感。
定義耦合系數(shù)為:
根據(jù)式(2)和式(6)可知電壓增益和效率是關(guān)于負(fù)載阻抗和互感(耦合系數(shù))的函數(shù)。采用文獻(xiàn)[7]中實(shí)驗參數(shù),仿真結(jié)果如圖2所示。
由圖2(a)可知,無線傳能系統(tǒng)的電壓增益是負(fù)載電阻的單峰函數(shù),當(dāng)負(fù)載電阻固定時對應(yīng)一個可以實(shí)現(xiàn)最大電壓增益的耦合系數(shù)。由圖2(b)可知,系統(tǒng)的傳輸效率是負(fù)載電阻的單增函數(shù),當(dāng)耦合系數(shù)固定時對應(yīng)一個可以實(shí)現(xiàn)最大效率的負(fù)載電阻。
2 閉環(huán)系統(tǒng)效率評價方法
無線電能傳輸系統(tǒng)作為電源需要穩(wěn)定的輸出電壓,當(dāng)耦合系數(shù)和負(fù)載電阻變化時,閉環(huán)無線傳輸系統(tǒng)可以控制不同的變量調(diào)節(jié)輸出電壓。圖3為系統(tǒng)四種不同的閉環(huán)控制方案。
圖3(a)和圖3(b)分別為降頻調(diào)壓和升頻調(diào)壓控制方法,通過調(diào)節(jié)逆變電路的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓,使逆變器始終保持ZCS和ZVS狀態(tài)。圖3(c)在發(fā)射端加入DC/DC轉(zhuǎn)換器,在不改變工作頻率的情況下線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓,輸入前級變比為CInput=US/U0控制變量,U0為經(jīng)轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)后的輸出電壓,整流輸出電壓增益為電源電壓增益乘轉(zhuǎn)換器的電壓增益。圖3(d)在輸出端加入DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)負(fù)載電壓,后級變比Cload=R0/RL,R0為轉(zhuǎn)換器的輸入電阻,通過控制轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動信號調(diào)節(jié)輸出電壓。
3 最高效率點(diǎn)控制策略
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無線電能傳輸系統(tǒng)的輸出電壓由不同變量控制,最高效率點(diǎn)控制方案可以同時控制兩個變量保證在同一時間系統(tǒng)取得穩(wěn)定的輸出電壓和最大的傳輸效率??刂品桨傅淖罡咝庶c(diǎn)在系統(tǒng)角頻率ωs與接收側(cè)諧振頻率ω2相等的情況下取得,即:
由此可知最佳匹配電阻跟耦合系數(shù)相關(guān),當(dāng)式(7)和式(8)同時滿足時,系統(tǒng)獲得最大傳輸效率為[8]:
圖4為最高效率點(diǎn)控制方案的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,該系統(tǒng)在輸入端和輸出端同時加入DC/DC轉(zhuǎn)換器(忽略其損耗),控制器將輸入電流Iin和輸出電壓UL作為反饋信號,將輸出電壓轉(zhuǎn)換率和負(fù)載轉(zhuǎn)換率作為控制量,并且系統(tǒng)工作頻率ωs固定不變。系統(tǒng)輸入側(cè)DC/DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓,輸出側(cè)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電阻最佳匹配,其匹配電阻為:
由式(11)可知通過調(diào)節(jié)輸出端DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管的占空比可以匹配使系統(tǒng)傳輸效率最大化的最佳電阻。圖5為最高效率點(diǎn)閉環(huán)跟蹤控制下無線電能傳輸系統(tǒng)電壓增益隨負(fù)載轉(zhuǎn)換率和電壓轉(zhuǎn)換率的關(guān)系。
3.2 控制策略
圖6為最高效率點(diǎn)控制下恒定輸出電壓軌跡,當(dāng)負(fù)載阻抗或耦合系數(shù)變化時最高效率點(diǎn)控制策略使操作點(diǎn)沿圖中軌跡移動尋找最大效率點(diǎn),即匹配最佳負(fù)載電阻。根據(jù)式(8)可計算出最佳等效負(fù)載電阻,但線圈互感取決于耦合線圈位置,等效電阻不確定,因此不能準(zhǔn)確預(yù)測最高效率點(diǎn)。
圖7為無線電能傳輸系統(tǒng)最高效率點(diǎn)控制策略網(wǎng)絡(luò)流程圖,當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時,轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)每一次擾動帶來的電壓和效率變化,其具體步驟為:首先擾動前級變比或后級變比,使工作點(diǎn)偏離恒壓曲線,然后調(diào)整后級變比使工作點(diǎn)回到輸出恒壓曲線,控制器記錄系統(tǒng)每一次擾動和調(diào)整前后系統(tǒng)整體的傳輸效率。如果系統(tǒng)的傳輸效率逐漸提升,控制器繼續(xù)按照當(dāng)前增加或減小方向進(jìn)行調(diào)整;相反的話,向反方向進(jìn)行調(diào)整。
4 結(jié)論
本文采用互感理論分析了無線電能傳輸系統(tǒng)輸出電壓和系統(tǒng)效率與耦合系數(shù)和負(fù)載變化的關(guān)系,介紹了四種典型的閉環(huán)控制方案,并提出了最高效率點(diǎn)控制策略,通過分析得出基于最高效率點(diǎn)控制的無線電能傳輸系統(tǒng)在線圈傳輸距離較遠(yuǎn)或等效負(fù)載阻抗遠(yuǎn)離最佳值時可同時保證系統(tǒng)獲取穩(wěn)定輸出電壓和最大傳輸效率。
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作者信息:
黃 鋒1,陳海賓1,蔣 超1,陳圣澤1,陳麗雯1,武 坤2,陳耀高2,林玉涵2
(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海200051;2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司,福建 廈門361000)