基于組合式逆變器的無線電能傳輸系統(tǒng)功率提升技術(shù)研究.pdf

1、無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)技術(shù)是通過空氣間隙以非接觸的方式對用電設(shè)備進(jìn)行供電的電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)相對傳統(tǒng)導(dǎo)體接觸的供電方式來說有著革命性的突破，無需直接接觸就可以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，有效地解決了導(dǎo)體直接接觸帶來的一系列問題（如接觸網(wǎng)、第三軌等機(jī)械滑動摩擦帶來的問題）。該技術(shù)具有安全、可靠、靈活等傳統(tǒng)電能傳輸方式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。然而在軌道交通非接觸供電等大功率應(yīng)用中，由于受到構(gòu)成高頻逆變器的開關(guān)器

2、件容量與成本的限制，傳統(tǒng)的WPT系統(tǒng)往往較難滿足大功率能量傳輸?shù)男枨?。存在能量傳輸通道較為單一以及線圈體積較為龐大的弊端，難以實(shí)現(xiàn)WPT系統(tǒng)高安全性、高靈活性以及高可靠性的大功率能量傳輸目標(biāo)。
　　為此，本文以提高WPT系統(tǒng)傳輸能量為目標(biāo)，以多逆變器與多線圈組合的方式為切入點(diǎn)，開展對級聯(lián)多電平逆變器、并聯(lián)逆變器以及多能量傳輸?shù)裙β侍嵘夹g(shù)的研究，著重解決上述功率提升技術(shù)在應(yīng)用時帶來的一系列問題。
　　論文的主要工作可歸納為:

3、
　　(1)針對電力開關(guān)器件的電壓應(yīng)力較大問題，提出了基于階梯波移相合成方法的級聯(lián)型多電平逆變器的WPT系統(tǒng)。以兩單元五電平級聯(lián)型逆變器為例，詳細(xì)分析了其工作原理和功率自平衡特性。求得輸出電壓的各次諧波相量，建立諧波消除方程，可通過選擇合適的開關(guān)角，消除輸出電壓特定次諧波。最后進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的方法能夠有效消除特定次諧波（以消除3次諧波為例），各個級聯(lián)逆變器輸出功率相等，并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。
　　(2)

4、針對電力開關(guān)器件的電流應(yīng)力較大問題，提出了基于逆變器并聯(lián)的WPT系統(tǒng)。分析了器件以及諧振元件參數(shù)容差對逆變單元之間環(huán)流的影響?？紤]WPT系統(tǒng)的逆變單元輸出電流具有高頻、易受干擾難以鎖相的特點(diǎn)，提出了一種基于無鎖相環(huán)的虛擬有功、無功電流分解的控制方法。所提控制方法不僅能有效消除環(huán)流，還能增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。
　　(3)針對傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)能量傳輸通道單一化的問題，提出了采用多個發(fā)射線圈取代

5、單個發(fā)射線圈的方法，通過增加WPT系統(tǒng)能量發(fā)射通道的數(shù)量，可以有效縮小線圈體積，降低磁芯重量;在此基礎(chǔ)上考慮多發(fā)射線圈間互感的影響，提出一種電容補(bǔ)償方法，不但能使逆變器工作在諧振狀態(tài)，而且能分配各個逆變器的輸出功率;同時提出一種最優(yōu)負(fù)載跟蹤方法，實(shí)時地跟蹤系統(tǒng)的最優(yōu)效率點(diǎn)，使得WPT系統(tǒng)在大功率傳輸時能維持較高的傳輸效率。
　　(4)基于上述提出的多發(fā)射WPT系統(tǒng)，考慮諧振元器件以及電壓的容差，研究了諧振元器件參數(shù)以及電壓的容差對

6、各發(fā)射線圈電流的影響機(jī)理，提出了一種均流控制方法。從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出該控制方法能使線圈電流得到有效均分，顯著提升系統(tǒng)傳輸功率、效率以及可靠性。
　　(5)針對軌道交通應(yīng)用中，拾取線圈安裝空間受限的問題，提出一種多發(fā)射-多拾取的WPT系統(tǒng)。借助有限元數(shù)值仿真分析軟件，設(shè)計(jì)分析了雙發(fā)射-雙拾取的線圈以及解耦變壓器結(jié)構(gòu)。分析了發(fā)射線圈間的互感以及拾取線圈間的互感對系統(tǒng)能量傳遞的影響，提出一種采用解耦變壓器降低同側(cè)互感影響的方法

7、，該方法不僅能提高系統(tǒng)整體效率，而且可以降低逆變器的無功功率。最后，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　基于逆變器多種組合方式，本文形成了從“多逆變器、單發(fā)射線圈與單拾取線圈”，到“多逆變器、多發(fā)射線圈與單拾取線圈”，再到“多逆變器、多發(fā)射線圈與多拾取線圈”逐步深入的功率提升策略體系，切實(shí)解決了應(yīng)用過程中出現(xiàn)的諧波、環(huán)流、功率不平衡、線圈面積過大等問題。為上述多種功率提升技術(shù)在大功率WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供一定的理論基礎(chǔ)以及實(shí)驗(yàn)依據(jù)