文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172545
中文引用格式： 楊克立，程輝，聶瀅. 一種改進型雙LCL無線電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(3)：147-150.
英文引用格式： Yang Keli，Cheng Hui，Nie Ying. Research on an improved double LCL wireless power transmission system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(3)：147-150.
0 引言
WPT技術(shù)近幾年來受到了國際和國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，未來具有明確的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景，可以帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益[1-2]。為適應(yīng)不同的要求，國內(nèi)外提出了一些新型的補償拓?fù)洌渲校?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/雙LCL" title="雙LCL" target="_blank">雙LCL型WPT系統(tǒng)的研究最為突出。由于其具有系統(tǒng)諧振工作頻率穩(wěn)定、原邊發(fā)射線圈電流恒定以及系統(tǒng)輸出電流恒定等優(yōu)良特性，可在電動汽車充電、桌面多負(fù)載供電等場合進行大規(guī)模應(yīng)用[3-4]。但是，在系統(tǒng)輕載時，逆變器輸出電流畸變嚴(yán)重，針對此問題，本文提出串聯(lián)LC濾波器的改進方法，并通過仿真與實驗驗證此改進方法降低了逆變器輸出電流的諧波畸變率。
1 雙LCL型WPT系統(tǒng)工作原理分析
圖1為雙LCL型WPT系統(tǒng)的電路等效模型，其中，Ud為直流電壓源；S1~S4為IGBT，D1~D4分別為其反并聯(lián)二極管；Lp、LS分別是原、副邊線圈的自感，M為其互感；L1、C1分別為原邊補償電感、原邊補償電容；L2、C2分別為副邊補償電感、副邊補償電容；Uin、Iin分別是逆變器輸出電壓、輸出電流；Ip、Is分別是原邊線圈電流、副邊線圈電流；R為系統(tǒng)等效電阻負(fù)載；Io為系統(tǒng)輸出電流。系統(tǒng)工作頻率為f，其中，f0為系統(tǒng)諧振工作頻率。
通過文獻[5]中理論分析可知，當(dāng)圖1中各系統(tǒng)參數(shù)滿足如(1)關(guān)系式時
由式(2)、式(3)分別可以看出原邊線圈電流Ip的大小、系統(tǒng)輸出電流Io的大小均與系統(tǒng)等效電阻負(fù)載R的大小無關(guān)，可以說明系統(tǒng)具有原邊線圈恒流特性以及系統(tǒng)輸出電流恒定的特性。同時，由式(4)可以看出逆變器輸出系統(tǒng)總阻抗Zin始終呈現(xiàn)純阻性，即，系統(tǒng)等效電阻負(fù)載R的改變不會影響系統(tǒng)的固有諧振工作頻率，系統(tǒng)具有穩(wěn)頻特性。
前文分析是基于逆變器輸出電壓Uin的基波成份進行的，并未考慮逆變器輸出電壓的諧波分量。傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)采用電壓型全橋逆變電路，在驅(qū)動電路180°導(dǎo)通方式控制的情況下，逆變器輸出電壓uin的表達式為：
同理，可以求得逆變器輸出電流iin的3次諧波分量和5次諧波分量分別為
`
由圖2可以看出，在負(fù)載R較小時，逆變器輸出電流諧波畸變率較大，這將導(dǎo)致逆變器損耗較大，系統(tǒng)效率降低，同時也加劇了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。針對雙LCL型WPT系統(tǒng)在輕載時存在的此問題，本文提出了一種改進方法，如下將具體分析。
2 改進型雙LCL型WPT系統(tǒng)理論分析
在原系統(tǒng)C1所在支路增加LC濾波器，改進后的系統(tǒng)電路如圖3所示。
其中，Lf1與Cf1滿足如下關(guān)系式：
此時，在只考慮uin基波成份的情況下，逆變器輸出端后級系統(tǒng)總阻抗Zinf11為：
其中，Zr3和Zr5分別如式(12)、式(13)所示。
從圖4中可以看出，在負(fù)載R較小時，即系統(tǒng)輕載時，改進型系統(tǒng)的逆變器輸出電流諧波畸變率相較改進前系統(tǒng)下降明顯，說明改進型系統(tǒng)取得了較好的效果。
3 系統(tǒng)仿真及實驗
為了驗證上文理論分析的正確性，本文確定了如表1中所示的仿真以及實驗參數(shù)。
3.1 仿真分析
根據(jù)表1中的仿真參數(shù)以及圖1、圖3分別搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型。
當(dāng)選取負(fù)載電阻R為10 Ω時，原系統(tǒng)以及改進型系統(tǒng)的逆變器輸出電流分別如圖5(a)、5(b)所示。
從圖5中可以看出，改進后系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形相較于原系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形較為平滑，直觀上可以看出改進型系統(tǒng)取得了較好的效果。
對圖5中的所有波形分別進行傅里葉分析得到其諧波柱狀圖如圖6所示。
從圖6可以看出，相較原系統(tǒng)，改進型系統(tǒng)總諧波畸變率下降了70.27％，從數(shù)據(jù)上可以看出，改進型系統(tǒng)均可以取得較好的效果。
3.2 實驗分析
根據(jù)表1中的實驗參數(shù)以及圖1、圖3分別搭建實驗平臺。
當(dāng)選取負(fù)載電阻為10 Ω時，原系統(tǒng)以及改進型系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形分別如圖7（a）、7（b）所示。
從圖7可以看出，改進型系統(tǒng)的逆變器輸出電流實驗波形比原系統(tǒng)的逆變器輸出電流實驗波形要平滑，可以取得較好的效果，與前文理論分析以及仿真分析相吻合。
使用Fluke Norma 4000高精度功率分析儀對實驗平臺的效率進行測試，并將結(jié)果繪制成折線如圖8所示。
從圖8中可以看出，改進型WPT系統(tǒng)比原系統(tǒng)均具有較高的傳輸效率，而且在系統(tǒng)輕載時尤為明顯，說明改進型系統(tǒng)能提高系統(tǒng)整體效率，具有明顯的有益效果。
4 結(jié)論
在此對傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)存在的逆變器輸出電流在系統(tǒng)輕載時畸變較為嚴(yán)重的問題進行了理論分析，分析了導(dǎo)致此問題的根本原因，基于此提出了一種改進型方法，并分別從理論分析、仿真以及實驗驗證三個方面證明了兩種改進方法的有效性。改進方法能較好的解決傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)存在的問題，對于改善逆變器輸出電流波形、減小逆變器開關(guān)損耗從而提高系統(tǒng)效率均能取得較好的效果。
參考文獻
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作者信息:
楊克立1，程 輝2，聶 瀅3
（1.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州450007；2.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州450007；
3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410000）