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基于谐波移相闭环控制的无线电能传输技术

基于谐波的移相控制利用谐波进行功率传递,是无线电能传输中一种新型功率控制方法,可以克服传统移相控制在轻载工况下效率低的问题。

该文建立考虑谐波的感应耦合无线电能传输(ICPT)系统数学模型,分析不同开关频率和移相角下的输出功率变化特性,研究考虑逆变器死区影响下的谐波切换方法,最后提出了一种采用电流平均值进行谐波电流检测的方法,研究并实现了基于谐波移相控制的一次电流闭环控制策略。

仿真和实验均验证了基于谐波移相闭环控制的有效性,既能有效提高轻载下无线电能传输的效率,又具有较好的控制特性。

近年来,无线电能传输技术获得了国内外研究人员的广泛关注,成为电工技术领域的研究热点[1-3]。感应耦合无线电能传输(Inductively Coupled Power Transfer, ICPT)技术,基于电磁感应原理,实现用电设备与供电设备之间在静止或者运动状态下非物理接触的电能传输,克服了传统接触式供电存在触电危险、接触不良、供电不够灵活、环境适应能力差等诸多缺点,具有高可靠性、灵活性和良好的环境适应性等显著特点,在运动供电以及恶劣环境场合更具优势。

无线电能传输技术已经在电动汽车充电[4]、物流AGV小车[5]、轨道交通[6]、水下供电[7]等众多场合获得推广应用。

在无线电能传输的基本模型、传输特性及功率控制方面,国内外在基础理论和应用方面都开展了研究并形成一定基础[8-11]。图1所示为感应耦合无线电能传输的典型电路。直流电源经全桥逆变(由IGBT S1~S4和续流二极管VD1~VD4构成)形成高频电压Uinv给非接触变压器的一次侧Lp,而在二次侧Ls感应出电压经不控整流(由二极管VD5~VD8构成)后得到直流电压URL,再供给负载电阻RL。M为无接触变压器的互感。Rp、Rs分别为一次和二次绕组的内阻。

图1  典型的ICPT电路拓扑结构
基于谐波移相闭环控制的无线电能传输技术

典型功率调节方法有调幅(通过外加斩波电路改变直流母线电压幅值)、调频(改变逆变桥输出频率)、移相控制、脉冲注入等方法。基于移相控制,文献[12]提出了通过模糊控制算法控制系统输出电压的方法。文献[13]基于Buck斩波控制实现输出恒流控制。文献[14]通过不同频率点的组合控制实现输出电能的控制。文献[15]研究了能量注入控制方法,优点是可以实现软开关。

这些方法中,采用移相控制调节功率方法具有电路简单、开关频率固定、输出功率连续可调的优点,是一种常用的控制方法。然而,在移相角较大时,软开关实现越来越困难,系统效率下降。

移相控制(Phase-Shifted Control, PSC)逆变输出电压中含有丰富的谐波,降低开关频率使k次谐波工作在谐振状态传递能量,采用移相实现功率调节,称为基于谐波的移相控制(Harmonic based Phase-Shifted Control, HPSC)功率调节方法[16]。

不同于传统移相控制,基于谐波的移相控制除了调节移相角还要改变开关频率,增大了控制难度。本文研究了基于谐波的移相控制特性、谐波切换方法,以及基于该方法的一次电流闭环控制策略。

图12  移动式无接触供电实验平台
基于谐波移相闭环控制的无线电能传输技术

结论
基于谐波的移相控制,利用输出电压中的谐波含量参与谐振,进行无线能量传输,可提高无线电能传输轻载下的效率。

本文建立了考虑谐波的无线电能传输系统模型,通过一次侧谐波电流的平均值检测实现了基于谐波的移相闭环控制,实现了该功率调节方法的闭环控制。通过和传统移相控制进行对比实验,基于谐波的移相控制在轻载下(负载率11%以下)效率提高了6.83%~19.94%。验证了所提控制方法在轻载下效率提升以及良好的控制特性。
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