LCC S型无线电能传输系统的特性分析*

为满足无线电能传输系统恒压供电的需求,提出了一种LCC-S型无线电能传输系统.利用互感耦合理论建立了LCC-S型无线电能传输系统数学模型,推导了系统的输入阻抗角、传输效率、输出功率和输出电压的表达式.对输入阻抗角的分析表明除了预设的谐振频率外还有其他谐振频率,分析了频率对该补偿网络输出功率和传输效率的影响.最后,通过仿真验证LCC-S型无线电能传输系统的恒压输出特性,结果表明LCC-S型无线电能传输系统的输出电压不随负载变化而改变.     

基于改进粒子群算法的无线充电系统参数优化

基于LCC-S型补偿拓扑的磁耦合谐振式无线充电（MCR-WPT）系统，建立其数学模型，从工作频率、补偿电感和负载阻抗三个方面分析其对系统传输性能的影响。针对目前高阶补偿拓扑的参数难以达到最优配置的问题，以提高系统的传输效率为优化目标，以输出功率为约束条件，建立其优化模型，对高阶非线性参数最优配置问题进行优化。为避免优化结果陷入局部最优，提出一种基于种群进化的混合粒子群优化（HPSO）算法，并基于LCC-S型无线电能传输（WTP）系统优化模型对传统的粒子群算法和改进的算法进行仿真对比。结果表明改进的粒子群算法可有效地避免优化结果陷入局部最优。最后，搭建了无线充电系统实验平台，对系统的工作频率特性和负载阻抗特性进行实验分析，实验结果与理论分析和仿真优化结果一致。     

基于LCL谐振变换器的电磁感应式非接触电能传输系统动态调压控制方法

为了解决电磁感应式非接触电能传输(ICPT)系统输出电压的可控动态调节问题,提出一种基于LCL谐振变换器的动态调压控制方法。发射端采用具有恒流输出特性的LCL谐振结构,使得流过发射端耦合线圈的电流呈现恒流特性。在接收端LCL谐振变换器输出侧并联一个用于调节电能输出的可控开关管,通过控制开关管的开关状态,实现电能的可控输出。当开关管关断时,接收端LCL谐振变换器输出电能给负载,输出电压上升;当开关管开通时,负载侧电能输出被切断,输出电压下降。通过检测输出电压,对可控开关管进行负反馈控制,可以动态调节电能输出功率,实现输出电压的动态调节。该方法只调节接收端,无需使用无线信道与发射端通信,电路结构及控制方法较为简单、易于实现,且适用于一个发射端对多个接收端无线供电。最后,搭建了2k W ICPT系统原理样机。通过实验验证了所提方法的可行性和正确性。     

一种移相控制的无线输电系统效率优化方法

为提升无线输电系统的效率,需使逆变电路尽可能工作在软开关状态以及工作频率尽可能靠近谐振点。基于上述原理,分析了逆变电路进入软开关状态的根本条件,并结合无线输电系统的无线传输效率特性得出了一种移相控制的无线输电系统效率优化方法。通过控制逆变电路的工作频率,使其工作在靠近无线输电系统谐振点的最大感抗点中,使电路在移相控制的控制方式下更加容易地进入软开关状态,从而减少开关损耗,提升了无线输电系统的工作效率。仿真结果表明了控制方法的正确性,最后采用一套650 W无线输电系统进行了试验验证,仿真以及试验结果均能使无线输电系统降低损耗2 W以上,表明该控制方法应用于无线输电系统能够提升系统效率。     

基于UCC3895的谐振式无线电能传输系统分析与设计

通过对谐振式无线电能传输系统原理结构的分析,针对无线电能传输系统中磁耦合结构固有的松耦合特性,导致磁耦合结构耦合系数小、漏感大、消耗大量的无功功率,提出了一种在传统谐振网络中加入阻抗匹配网络的更适合于实际工程应用的改进型谐振网络,并给出谐振网络参数的设计要点.最后搭建了基于UCC3895控制芯片的移相全桥无线电能传输系统的试验平台,对系统的提离特性、偏移特性以及负载特性等进行了测量与分析.结果表明,在一定的距离范围内该系统具有良好的电能传输效果.     

单管无线电能传输系统主电路参数的优化设计

常见的单管逆变电路只能在开关管开通或关断期间实现能量传输。本文提出了一种单管感应耦合式电能传输系统,该系统不仅可以实现零电压开通和零电压关断,而且在两种开关状态下都能传递能量。为了使该设计方案能够高效、稳定地传输能量,给出一种基于电压传输特性的主电路参数设计方法。在对主电路进行动态分析的基础上,对其谐振网路进行了等效变换,得出系统的电压增益函数。在优化原副边谐振频率的过程中得出了开关管实现ZVS的条件和系统实现最大电压增益的参数配置。完成了系统全局最优设计。最后通过仿真和实验验证了设计的正确性。     

动态载荷下WPT系统的特性分析与实验研究

针对无线电能传输系统中普通存在的载荷动态变化的问题,提出了一种LCC-S补偿网络结构.建立了系统的互感模型,推导了发射端、接收端的动态性能特性,分析了动态载荷工况下,系统的发射端电流、相位角、谐振频率、输出功率的效率的变化趋势.最后,搭建实验平台,采用可变电阻负载和电机负载,测试了电阻的不同阻值和电机的不同转速时的系统特性,验证了理论分析的正确性.在传输距离为5 cm且负载电阻为10 Ω～50 Ω时,实现2.3 A的发射端恒流输出.当负载电阻为30 Ω时,系统效率和传输功率分别为83.4％和16.8 W.     

谐振式无线电能传输系统软开关的实现与研究

针对目前无线电能传输(WPT)系统发射端逆变电路结构复杂,逆变器中滞后臂实现软开关困难等问题,将磁耦合谐振零电流开关(ZCS)全桥DC/DC变换器应用到WPT系统,实现开关管的软开关。该系统无需添加任何辅助电路即可实现发射端全桥逆变器的零电压零电流开关(ZVZCS)和接收端整流二极管的ZCS,结构简单,初次级电流应力小。设计了1 kW,200 kHz的WPT系统实验平台,仿真和实验结果表明由于软开关的实现,使系统有较好的传输性能,传输效率高达97.89%。     

基于整流性负载补偿的无线充电系统T型阻抗匹配网络设计方法的优化

无线充电系统的阻抗匹配对于提高系统的能量传输能力具有重要意义。针对现有纯阻性整流性负载分析方法的缺点与不足,提出一种基于整流性负载补偿的无线充电系统T型阻抗匹配网络的优化方法。首先,分析基于传统整流性负载分析方法的T型阻抗匹配网络。其次,分析整流性负载的非线性特征,得出其感性特征不能忽略的结论,并根据此结论研究补偿整流性负载的方法,对T型阻抗匹配网络的设计方法进行优化。最后,对提出的优化方法进行仿真和实验验证。仿真和实验结果表明,该优化方法能够将无线充电系统的能量传输效率提高近1%,输出功率从2.52k W增大至2.77k W。     

谐振型软开关逆变电路冲击起振研究

介绍了谐振型软开关逆变电路的原理,对谐振软开关逆变电路进行了建模,分析了其起振问题,得出在电路起振瞬间,谐振电容两端电压存在过零点时电路才能正常起振的结论。通过瞬间注入电流的方法解决了逆变电路的软开关起振问题,并理论计算出电流注入时间。最后通过仿真与实验验证了该方法的可行性。     

Modeling and analysis of magnetically coupled resonant wireless power transfer system with rectifier bridge LED load

The system of magnetically coupled resonant wireless power transfer (MCR‐WPT) for a rectifier bridge light‐emitting diode (LED) load is modeled, and its transmission characteristics for different LED arrays are analyzed and validated in this paper. On the basis of the derived equivalent steady‐state circuit model consisting of the high‐frequency alternating current source, the WPT networks and the rectifier bridge LED load, transmission efficiency and transmission distance related to the LED connection forms are obtained in theory. In our concerned scheme, the total power of LED arrays is chosen as its rated one so as to guarantee a rated current of each LED. More accurate system parameters are measuring, and some theoretical results for two feasible connection forms of LED arrays are validated in experiment. The theoretical and experimental results at the two working points are consistent approximately, which validates the feasibility of the derived equivalent circuit model of the concerned MCR‐WPT system. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

ZVS E类逆变器的磁谐振无线输电系统参数分析和设计

E类逆变器用作磁耦合谐振式无线输电MCR-WPT系统的激励源时,其等效负载由线圈参数和系统负载决定,由此导致E类逆变器的优化设计较为困难。为此,研究了两螺线管线圈间的互感算法,分析了互感随线圈间距变化的特性,并探讨了MCR-WPT系统两螺线管线圈的传输效率、输出功率及E类逆变器的等效负载与线圈间距的解析关系,给出E类逆变器实现零电压开关ZVS(zero voltage switch)的参数设计方法,仿真验证了互感算法和系统参数设计方法的精确性。实验结果表明,当线圈间距为26 cm时可实现ZVS,且系统效率达到86.3%,验证了理论和仿真分析的有效性和准确性。     

一种用于SS谐振无线电能传输系统变频移相控制下实现恒压和ZVS的参数设计方法

无线电能传输是一种方便灵活的电能传输方式。以串联-串联SS(series-series)谐振无线电能传输系统为研究对象,通过变频移相控制实现了后级的恒压输出与前级逆变器的零电压开通。首先基于无线电能传输系统的交流等效电路对系统特性进行分析,提出一种在采用变频移相控制下能够同时实现恒压与零电压开通的频率区间存在性判断方法。基于此判断方法,根据相角裕量与系统安全要求对谐振网络参数进行限定,保证了系统在当前设计参数下能够在相应工作指标下正常运行。最后搭建了一套250 W无线电能传输装置,对系统分析的正确性与参数设计的合理性进行验证。     

计及系统性能提升的谐振式无线充电开关器件死区优化

针对双边LCC谐振式无线充电的逆变器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)死区时间设置影响传输功率及效率的问题,提出了一种适用于其拓扑结构的死区优化设计方法。首先建立了双边LCC谐振式无线充电系统的数学描述,并简述其运行模态,推导出次级侧补偿电容与输入感性阻抗的量化规律。然后据此提出了一种死区时间优化设计方法,以实现与无线充电系统特性密切相关的逆变器软开关。最后,搭建了一套实验平台,实验结果表明,此优化设计方法可确保逆变器运行完全实现软开关,提高了无线电能传输功率及效率。     

双频段磁耦合谐振式无线电能传输系统特性分析及实验验证

双频段无线电能传输系统可以提供两个不同频率的传输通道以实现电能和信号的同步传输。根据单一谐振频率的电能传输线圈的阻抗特性提出了双频段无线电能传输线圈的设计思路,并设计了双频段磁耦合谐振式无线电能传输系统,系统接收端采用陷波电路分离信号和电能。构建部分元等效电路对线圈阻抗特性、系统电能传输能力和传输效率进行计算,由此得出系统可同步传输信号并且不影响其电能传输效率。最后,设计了和理论计算系统参数一致的实验装置进行实验验证,结果与理论分析具有较好的一致性,验证了设计方法的有效性。     

考虑小干扰稳定的海上风电经不控整流直流送出系统 控制器参数优化设计

风机并网逆变器及送电系统的稳定性是大规模海上风力发电系统稳定运行的重要保证。提出一种考虑小干扰稳定的海上风电系统控制器参数优化设计方法。首先,利用谐波线性化原理推导了直驱风机并网逆变器、送端采用不控整流器的高压直流(diode-rectifier based HVDC, DR-HVDC)输电系统的序阻抗模型。然后,分析了风场经DR-HVDC并网互联系统的特点,讨论了稳定判据的适用性。进而,从控制器的角度,确定直驱风机并网逆变器控制系统的控制带宽和阻尼比的取值范围。并在此基础上,从系统的角度,综合考虑互联系统的右半平面零极点和控制参数等对阻抗比值的作用。最后,给出直驱风机并网逆变器的控制系统参数优化设计流程。基于Matlab/Simulink 建立海上风电经DR-HVDC直流送出系统的时域仿真模型。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。     

基于SS型磁耦合谐振无线电能传输频带序列划分

磁耦合谐振无线电能传输(MCR-WPT)具有传递功率较大、距离适中、传递效率高等优点。针对MCR-WPT中频率资源划分尚未统一的问题,基于两线圈串联-串联(SS)模型的WPT系统,用电路模型分析WPT系统的运行特性,提出了WPT谐振频率范围划分的距离原则。使不同传递距离范围对应不同谐振频率序列,并结合改进几何均值原则对划分结果进行修正,得到修正后的谐振频率序列推荐值。同时,为增强WPT对负载变化的适应性,将谐振频率点拓展为工作频段,提出基于负载特性的工作频段确定方法。再将谐振频率序列和工作频段结合,实现了基于SS型MCR-WPT系统的频带序列划分。最后搭建实验平台验证频带序列划分结果的合理性。     

采用新型负载恒流供电复合谐振网络的无线电能传输系统

针对传统LC谐振拓扑无线电能传输(WPT)系统在负载动态变化时,无法实现负载恒流供电及系统工作频率失谐问题,提出一种新型一次侧LCL、二次侧LCC复合谐振网络无线电能传输系统。首先,在基波条件下,依据漏感模型建立了磁路机构等效电路,得到了谐振频率和输出电流表达式;然后,通过系统参数优化设计,进一步推导出了复合谐振网络中实现负载恒流供电以及系统谐振工作频率稳定的条件。仿真结果表明,基于参数优化设计的新型复合谐振网络无线电能传输系统,能够实现负载无线恒流供电,并且系统工作频率稳定。实验结果验证了理论分析和仿真分析的正确性和有效性。     

A DC‐side damping control method for power converters to suppress resonance in DC power network

This paper describes a damping control method of power converters for suppression of resonance in DC power network. The resonance occurs when a resonant frequency of the DC distribution line coincides with the frequency of the harmonic or interharmonic components generated by the power converters. For detailed investigation, a combined system which consists of a pulse‐width modulated (PWM) rectifier and a PWM inverter is treated as the simplest example. To suppress the resonance, a DC‐side damping control method is proposed and its implementation and design method are discussed in detail. Then, the proposed damping control method is applied to the combined system of a PWM rectifier and a PWM inverter. Experimental results verify the validity and practicability of the proposed damping control method. © 2012 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.