無線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應用.pdf

1、感應耦合電能傳輸(ICPT)技術是一種新興的基于電磁感應原理，綜合利用電力電子技術、磁場耦合技術及控制理論，實現(xiàn)用電設備以非電氣接觸方式從電網(wǎng)獲取電能的技術，具有安全、便捷、易維護、可靠性高及環(huán)境親和力強等優(yōu)點。
　　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。根據(jù)負載的不同需求，無功補償網(wǎng)絡的電路拓撲形式多種多樣，相對應的系統(tǒng)功率與頻率控制策略也千差萬別。如果采用傳統(tǒng)的建模方式，系統(tǒng)電氣

2、參數(shù)與運行狀態(tài)的任何一點微小的變化都可能造成系統(tǒng)模型產(chǎn)生很大的改變，對設計者來說又要列出高階微分方程或高次阻抗變換方程進行模型重構，建模過程十分繁瑣。ICPT系統(tǒng)是一種典型的多參數(shù)、強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)電路拓撲建立的系統(tǒng)模型和所設計的控制模式只能適應某一種特定無功補償拓撲的ICPT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產(chǎn)業(yè)

3、化的推廣。
　　針對上述問題，本文提出了旨在解決感應耦合電能傳輸系統(tǒng)一般性建模與控制問題的ICPT系統(tǒng)能量建模方法與相應的反射阻抗計算、頻率穩(wěn)定性控制、輸出功率調節(jié)等控制策略?并將所提出的建模方法與控制模式，應用到實際 ICPT系統(tǒng)的分析與研究中。
　　本文主要圍繞以下幾個方面展開研究工作：
　　(1)針對ICPT系統(tǒng)傳統(tǒng)建模方法嚴重依賴明確的無功補償電路拓撲與系統(tǒng)的工作狀態(tài)的缺陷，在分析了ICPT系統(tǒng)各關鍵組成部分建

4、模與控制需求的基礎上，提出了基于能量守恒定律的ICPT系統(tǒng)能量建模的方法；應用該方法將ICPT系統(tǒng)按功能模塊劃分為若干關鍵能量流節(jié)點，通過對各關鍵節(jié)點能量流動的方向與損耗的分析，建立了各節(jié)點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、無功補償部分和電磁耦合機構的能量模型，進而得到ICPT系統(tǒng)總體能量模型。根據(jù)系統(tǒng)各關鍵組成部分能量的損耗與流動情況作出了ICPT系統(tǒng)能量結構框圖，并對其進行了分析。
　　(2)從能量的角

5、度出發(fā)，針對ICPT系統(tǒng)由于補償網(wǎng)絡拓撲種類繁多、負載性質與大小不確定等造成的系統(tǒng)階數(shù)高、建模過程復雜和負載計算困難等問題，建立了基于等效負載理論的ICPT系統(tǒng)能量模型。通過對以TS型為代表的混聯(lián)補償型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撲不確定的ICPT系統(tǒng)的反射阻抗計算策略，給出了計算公式與控制流程。最后通過仿真驗證了理論分析的正確性。
　　(3)針對ICPT系統(tǒng)負載的變化會使系統(tǒng)諧振頻率漂移導致能量傳輸能

6、力下降的問題，根據(jù)ICPT系統(tǒng)能量模型，提出了一種適用于任何無功補償拓撲的基于能量流方向的ICPT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)自調諧控制策略。最后以TS型ICPT系統(tǒng)為例，通過仿真與實驗驗證了理論分析的正確性。
　　(4)針對ICPT系統(tǒng)電路拓撲繁多造成的建模困難和由于原副邊電氣隔離造成的檢測困難等問題，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系建立系統(tǒng)模型和控制策略。提出了功率調節(jié)比的概念，并給出了計算公式。最后通過仿真和實驗證明了理論分析的正確性。
　　本文的創(chuàng)新性貢獻在于：
　　(1)針對ICPT系統(tǒng)無功補償電路拓撲形式繁多，系統(tǒng)建模與求解困難的問題，提出了ICPT系統(tǒng)關鍵能量流節(jié)點的概念，根據(jù)各關鍵節(jié)點的能量流輸入輸出關系，提出了一種適用于拾取端電路拓撲不確定的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化了系統(tǒng)的建模過程，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ICPT系統(tǒng)高階非線性和電氣隔離特性所帶來的負載計算與檢測困難的問題，提出了一種適用于拾取端電路拓撲不確定的ICPT系統(tǒng)反射阻抗計算方法，并給出了相應的控制流程與計算公式。
　　(3)針對ICPT系統(tǒng)負載的不確定性會造成系統(tǒng)諧振頻率漂移，導致能量傳輸能力與效率下降的問題，基于ICPT系統(tǒng)能量流動的方向，提出了一種可適用