無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應(yīng)用.pdf

1、感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)技術(shù)是一種新興的基于電磁感應(yīng)原理，綜合利用電力電子技術(shù)、磁場(chǎng)耦合技術(shù)及控制理論，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備以非電氣接觸方式從電網(wǎng)獲取電能的技術(shù)，具有安全、便捷、易維護(hù)、可靠性高及環(huán)境親和力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　在ICPT系統(tǒng)中，由于原副邊的松耦合特性，通常采用諧振的方式提高能量的傳輸效率與等級(jí)。根據(jù)負(fù)載的不同需求，無(wú)功補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)湫问蕉喾N多樣，相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)功率與頻率控制策略也千差萬(wàn)別。如果采用傳統(tǒng)的建模方式，系統(tǒng)電氣

2、參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)的任何一點(diǎn)微小的變化都可能造成系統(tǒng)模型產(chǎn)生很大的改變，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)又要列出高階微分方程或高次阻抗變換方程進(jìn)行模型重構(gòu)，建模過(guò)程十分繁瑣。ICPT系統(tǒng)是一種典型的多參數(shù)、強(qiáng)粘連的高頻高階非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)各功能模塊的控制行為必須高度統(tǒng)一于系統(tǒng)整體的控制模式，傳統(tǒng)電路拓?fù)浣⒌南到y(tǒng)模型和所設(shè)計(jì)的控制模式只能適應(yīng)某一種特定無(wú)功補(bǔ)償拓?fù)涞腎CPT系統(tǒng)，缺乏一般性，因此造成系統(tǒng)各功能模塊之間兼容度差，可移植性低，極大的限制了該技術(shù)產(chǎn)業(yè)

3、化的推廣。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了旨在解決感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)一般性建模與控制問(wèn)題的ICPT系統(tǒng)能量建模方法與相應(yīng)的反射阻抗計(jì)算、頻率穩(wěn)定性控制、輸出功率調(diào)節(jié)等控制策略?并將所提出的建模方法與控制模式，應(yīng)用到實(shí)際 ICPT系統(tǒng)的分析與研究中。
　　本文主要圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究工作：
　　(1)針對(duì)ICPT系統(tǒng)傳統(tǒng)建模方法嚴(yán)重依賴(lài)明確的無(wú)功補(bǔ)償電路拓?fù)渑c系統(tǒng)的工作狀態(tài)的缺陷，在分析了ICPT系統(tǒng)各關(guān)鍵組成部分建

4、模與控制需求的基礎(chǔ)上，提出了基于能量守恒定律的ICPT系統(tǒng)能量建模的方法；應(yīng)用該方法將ICPT系統(tǒng)按功能模塊劃分為若干關(guān)鍵能量流節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量流動(dòng)的方向與損耗的分析，建立了各節(jié)點(diǎn)的能量流輸入輸出方程，分別得到了ICPT系統(tǒng)電能變換部分、無(wú)功補(bǔ)償部分和電磁耦合機(jī)構(gòu)的能量模型，進(jìn)而得到ICPT系統(tǒng)總體能量模型。根據(jù)系統(tǒng)各關(guān)鍵組成部分能量的損耗與流動(dòng)情況作出了ICPT系統(tǒng)能量結(jié)構(gòu)框圖，并對(duì)其進(jìn)行了分析。
　　(2)從能量的角

5、度出發(fā)，針對(duì)ICPT系統(tǒng)由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞N類(lèi)繁多、負(fù)載性質(zhì)與大小不確定等造成的系統(tǒng)階數(shù)高、建模過(guò)程復(fù)雜和負(fù)載計(jì)算困難等問(wèn)題，建立了基于等效負(fù)載理論的ICPT系統(tǒng)能量模型。通過(guò)對(duì)以TS型為代表的混聯(lián)補(bǔ)償型ICPT系統(tǒng)輸出特性的分析，提出了一種適用于拾取端電路拓?fù)洳淮_定的ICPT系統(tǒng)的反射阻抗計(jì)算策略，給出了計(jì)算公式與控制流程。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　(3)針對(duì)ICPT系統(tǒng)負(fù)載的變化會(huì)使系統(tǒng)諧振頻率漂移導(dǎo)致能量傳輸能

6、力下降的問(wèn)題，根據(jù)ICPT系統(tǒng)能量模型，提出了一種適用于任何無(wú)功補(bǔ)償拓?fù)涞幕谀芰苛鞣较虻腎CPT系統(tǒng)諧振狀態(tài)判據(jù)，并根據(jù)這一判據(jù)提出了一種基于能量模型的ICPT系統(tǒng)自調(diào)諧控制策略。最后以TS型ICPT系統(tǒng)為例，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　(4)針對(duì)ICPT系統(tǒng)電路拓?fù)浞倍嘣斐傻慕＠щy和由于原副邊電氣隔離造成的檢測(cè)困難等問(wèn)題，分別提出了能量注入式ICPT系統(tǒng)輸出功率控制策略和基于負(fù)載需求的拾取端周期性能量注入式輸

7、出功率控制策略。兩種控制模式都根據(jù)能量流的輸入輸出關(guān)系建立系統(tǒng)模型和控制策略。提出了功率調(diào)節(jié)比的概念，并給出了計(jì)算公式。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性。
　　本文的創(chuàng)新性貢獻(xiàn)在于：
　　(1)針對(duì)ICPT系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償電路拓?fù)湫问椒倍?，系統(tǒng)建模與求解困難的問(wèn)題，提出了ICPT系統(tǒng)關(guān)鍵能量流節(jié)點(diǎn)的概念，根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量流輸入輸出關(guān)系，提出了一種適用于拾取端電路拓?fù)洳淮_定的ICPT系統(tǒng)能量建模方法。與傳統(tǒng)的非線性建模

8、方法相比，該建模方法極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的建模過(guò)程，并可推廣到電力電子電能變換系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)建模中。
　　(2)針對(duì)ICPT系統(tǒng)高階非線性和電氣隔離特性所帶來(lái)的負(fù)載計(jì)算與檢測(cè)困難的問(wèn)題，提出了一種適用于拾取端電路拓?fù)洳淮_定的ICPT系統(tǒng)反射阻抗計(jì)算方法，并給出了相應(yīng)的控制流程與計(jì)算公式。
　　(3)針對(duì)ICPT系統(tǒng)負(fù)載的不確定性會(huì)造成系統(tǒng)諧振頻率漂移，導(dǎo)致能量傳輸能力與效率下降的問(wèn)題，基于ICPT系統(tǒng)能量流動(dòng)的方向，提出了一種可適用