基于组合补偿网络的抗偏移恒流输出无线电能传输系统研究

针对无线电能传输(WPT)系统线圈相对位置偏移引起传输效率降低、输出电流不稳定和发射线圈过电流问题,提出一种抗偏移恒流输出型WPT系统及其参数配置方法.该系统将LCC-LCC和串联-串联(S-S)补偿网络进行输入串联和输出串联,并采用QDQPs磁耦合结构.在此基础上,通过合理的参数配置,不仅实现了与负载无关的恒流输出,...     

基于双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统研究

为了简化磁耦合谐振式无线充电系统电路设计和控制的复杂性,提出一种双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统,只需对部分补偿元件进行投切操作,即可实现恒流和恒压充电。首先利用二端口网络对系统原边、副边建模得到双LCL数学模型,分析实现恒流或恒压输出的参数配置条件;然后根据恒流和恒压参数配置特点,设计变补偿参数的电路结构;再根据仿真方法得出的关键参数与系统传输特性之间的关系,合理设计参数配置,使得磁耦合谐振式无线充电系统无复杂电路环节而且控制简单,还可实现原边电流和频率恒定;最后搭建实验平台,验证设计的系统输出的电压或电流波动较小,可以满足恒压和恒流充电的要求。     

感应耦合能量传输系统中双边LCC谐振腔恒流和恒压模式的研究

感应耦合能量传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统中补偿网络能够改善系统特性,目前针对谐振补偿网络的输出电流和电压特性没有一种简单易行的分析模型。首先分析了LC电路、??型电路和T型电路实现与负载无关的恒流或恒压输出的谐振条件,并针对高阶无源谐振网络提出一种建模方法,通过将谐振网络等效成2阶LC网络和多级3阶???型电路或多级3阶T型电路的串联,研究其恒流或恒压输出的物理机理。ICPT系统中双边LCC谐振腔实质上是一个9阶谐振网络,基于所提建模方法,分析双边LCC谐振腔输出电流和电压特性。此外,提出仅切换一次系统工作频率便可以实现系统先恒流再恒压输出的方法,且恒流和恒压模式下系统工作频率均满足SAEJ2954标准要求,分别能实现谐振腔输入电压、电流之间的零相角和原边逆变器MOSFETs的零电压开通。搭建3.3kW电动汽车感应耦合能量传输系统的Matlab仿真平台和实验样机,验证理论分析的正确性和可行性。恒流和恒压模式下实验样机谐振腔的效率分别为92.1%和89.7%。     

电动汽车无线充电混合补偿拓扑电路分析

无线电能传输补偿方式直接影响输出电流、电压的增益特性,提出一种混合补偿拓扑电路,解决负载动态变化时输出电流、电压不稳定的问题,可应用于电动汽车恒流恒压无线充电电路。对拓扑电路原副边线圈建立等效松耦合变压器T模型,分析得出等效负载动态变化时可以实现恒流恒压输出的特性。构建仿真模型和试验台架,仿真验证电路分析的正确性。实验验证了在串/并补偿拓扑下副边稳流输出且原边逆变电流滞后电压,在串/串并补偿拓扑下副边稳压输出且原边逆变电流与电压同相。     

基于混合补偿网络和双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统研究

感应式无线电能传输(inductive wireless power transfer, IPT)不可避免地受到磁耦合机构偏移的影响。在磁耦合机构发生偏移时,为了使无线电能传输系统仍能具有一定的恒流输出能力,提出一种基于双层正交线圈的抗偏移恒流无线电能传输系统。首先,将LCC-LCC 和LC-LC补偿网络进行输入串联和输出串联,组成双边LCC-LC串联混合补偿网络,并研究其传输特性。其次,设计了一种与满足混合补偿网络要求的双层正交DD(double-layer quadrature DD, DQDD)磁耦合机构,该机构在x、y方向发生偏移时,能实现线圈间的解耦。接着,提出一种系统参数配置方法,通过参数配置可以在磁耦合机构发生一定的偏移时,实现输出电流在开环状态下保持稳定。最后,通过搭建实验平台,验证了以上理论分析的正确性和可行性。     

用于感应式非接触励磁系统的CLC补偿拓扑研究

在感应式非接触电能传输(ICPT)系统中,为了解决负载变化影响电路输出电流以及输入阻抗角的问题,提出一种新型的T型结构的CLC补偿拓扑,并将其与串联补偿组合形成CLC-串联型补偿结构.依据基尔霍夫定律分析了CLC补偿同时实现全负载变化范围内的输出恒流特性和零输入相位角(ZPA)特性的约束条件;推导出了针对上述约束条件的谐振网络参数设计方法;分析了系统的频率稳定性,并求出了使系统频率稳定的负载边界条件;定量地讨论了使逆变桥开关管实现零电压开关(ZVS)的谐振参数调整方法.仿真和实验结果验证了CLC补偿电路具有恒流特性和ZPA特性;当负载电阻值小于使系统稳定的负载边界值时,系统可以保持频率稳定;单独调节补偿电容容值C1可以实现逆变器开关管的ZVS.     

基于单管电路的恒流恒压无线充电系统研究

针对目前单管逆变无线电能传输(IPT)系统无法通过开关频率的切换实现由恒流输出(CCO)到恒压输出(CVO)转换的问题.该文提出一种用于单管电路(SSC)的P-CLCL补偿网络.所提P-CLCL高阶恒流恒压补偿网络可使单管电路在开关频率为fCC时输出恒流,在开关频率为fCV时输出恒压,解耦了输出与负载的关系.该文还利用互感等效模型对系统进行建模,并分析该补偿网络在恒流输出及恒压输出时需要满足的电路参数条件;利用傅里叶分解详细给出一套适用于单管电路的等效不对称输入电压源波形的分析方法;在综合考虑零电压开通(ZVS)的实现、软开关裕度、开关管耐压大小的情况下,利用"Mathcad"画图的方法给出一套一次侧补偿电容的设计流程.最后,搭建一台25.2W的P-CLCL实验样机,通过仿真和样机的开闭环实验验证了理论分析的正确性.     

一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的研究

在传统的无线电能传输(WPT)系统中,系统发射线圈上的电流随负载变化会引起传输功率和效率的变化。针对该问题,采用集成式LCC补偿拓扑。采用二端口网络分析法对系统进行建模和分析,得出不同负载情况下系统的输出电流和输入电压的增益、输入阻抗实部、系统效率的曲线。为向系统参数的选择提供参考,通过分析负载和耦合系数对谐振元件电压、电流应力的影响,提出了谐振元件参数选取的方法。最后,搭建了集成式LCC补偿拓扑的WPT系统样机,实验结果证明了理论分析的正确性。     

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。     

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。     

基于S-LCL补偿的磁场感应式电能传输系统研究

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)是电力电子领域当下的热点研究方向之一。在许多应用场合,需要无线电能传输系统具备不受松耦合变压器线圈自感所限制,且与负载无关的恒定电流输出能力。文章提出一种基于S-LCL补偿的磁场感应式无线充电系统及其补偿参数的整定方法。通过对系统补偿参数的合理设置,系统能够在近似零相位角(zero phase angle, ZPA）运行下实现电流的恒定输出。通过调整补偿参数的大小,功率MOSFET能够实现零电压开关(zero-voltage switching, ZVS)。为验证理论分析的正确性,文章搭建了实验样机,其输入直流电压为50V,输出直流电流为4A,电能最大传输效率达92.8%。     

基于补偿网络电流分析的恒压恒流无线充电系统

为了避免民用飞机机载设备与电源插拔过程中带来电火花的危险,并提高设备充电的便利性,本文采用无线充电方式为其进行供电。在恒压恒流无线充电系统中,补偿网络支路电流大小不仅决定功率器件成本,也与系统损耗直接相关。因此,对补偿网络电流优化,是实现高效无线电能传输的重要途径。本文首先分析了低阶网络的回路电流关系,得到了回路电流最小的条件,进一步推广到高阶网络,获得最优补偿网络电流一般性方法。其次,在分析原副边完全对称补偿网络具有实现恒压或恒流的基础上,得到一系列恒压恒流拓扑,并结合最优补偿网络电流方法对拓扑进行参数设计,同时采用原边电流检测方法进行恒压恒流切换,避免了原副边之间的通信。最后,通过仿真和实验验证电流优化方法和负载无关实现方法,结果表明,所述拓扑具有很好的恒压恒流输出特性,同时电流优化方法能大幅度减小回路电流应力,从而提高系统传输效率。     

基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器

为适应锂电池的先恒流后恒压充电曲线,感应式无线电池充电器应提供其所需的输出,同时在整个充电过程中还应具备阻性输入阻抗,以降低器件应力、减少无功环流.针对4种基本补偿拓扑无法同时实现以上要求,而高阶补偿网络必须依赖更多器件实现上述需求的问题,系统地推导了具备阻性输入阻抗和恒定输出特性的基于极简三电容补偿的单级式无线电池充电器的设计自由度,分析其补偿参数与工作频率的约束条件.同时,对三电容补偿的串/串并(S/SP)和串/并串(S/PS)结构的输出特性进行分析和对比,分析补偿元件参数对输入阻抗角和输出增益的影响,以指导软开关设计.最后,搭建一台输出为48 V/2 A的单级式无线电池充电器以证明以上设计的可行性.     

基于级联式整流电源的恒流均压控制方法

针对电磁探测的大功率电磁场激发需要,本文采用输入并联输出串联的级联式整流电源,提高输出电压等级,保证激发功率。为了满足电磁探测过程中输出电流的稳定性,提出了基于双闭环的恒流均压控制算法。分析了级联式直流电源恒流均压输出的原理,建立了电源的数学模型,设计了电压电流环的控制器,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型并通过控制器参数优化从而降低误差。级联式直流电源由于上下两部分可能存在器件参数不同的情况,这就导致在恒流控制下两级电源输出电压不同,在动态情况下的偏差会更大从而引起器件不均压而损坏,因此在考虑控制恒流输出的同时需要加入控制均压输出。通过对输出电流电压进行采样,经控制器转换为相应的脉冲触发对应的开关器件从而实现恒流均压输出。仿真结果显示输出电流控制在2 A,电流变化在5%以下。     

基于可调增益恒流源补偿网络的磁场耦合无线电能传输LED驱动电路

对于磁场耦合无线电能传输(WPT)系统,由于松耦合变压器漏感较大,补偿技术是实现其能量高效传输的关键。在半导体(LED)照明应用中,WPT LED驱动电路应直接输出LED所需的驱动电流,还应避免无功功率环流,减小器件应力,实现功率器件软开关。针对现有补偿网络的输出电流增益依赖变压器参数,而松耦合变压器存在设计受限的缺点,本文采用二端口网络理论,提出一族恒流源补偿网络,通过调节补偿参数灵活调节输出电流增益,增加变压器设计自由度。最后采用同一电路结构和变压器,分别实现了0.5A、1A和1.5A输出的WPT LED驱动电路,实验结果验证了理论分析的正确性。此外,还对所提出的可调增益补偿网络的特性进行了详细分析。     

ICPT系统原边恒压控制及参数遗传优化

针对感应电能传输系统原边串联–副边并联的拓扑结构,发现利用传统原边电流恒定的控制方式在负载变化时不易实现输出稳压,因此提出一种简单的基于原边电压恒定来实现输出稳压的方法,研究了其适用的约束条件。针对ICPT系统多参数多约束的特点,引入遗传算法对系统的参数进行优化设计,利用动态函数改进适应度函数定标及变异算子提高算法性能。仿真和实验结果表明:输出电压在大范围负载切换中具有良好的稳定性,原边电流能够根据负载需求自适应变化;系统实现了低成本、低开关损耗设计,且参数均达到设计要求。证明了原边恒压控制及参数遗传优化的有效性。     

基于恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统

感应式电能传输技术IPT(inductive power transfer)应用到电动汽车中具有许多独特的优点。由于IPT变换器输出特性复杂,与变压器参数、补偿参数、工作频率和负载均有关,而电池在整个充电过程中负载变化范围宽,故IPT变换器难以直接提供负载电池所需的充电电流或电压。针对此问题,根据4种基本的IPT补偿结构的输入和输出特性,找到可同时实现输入纯阻性和输出恒流或恒压的拓扑结构及工作条件,从而解耦负载对输出的影响,消除无功功率。但单个拓扑无法满足电池先恒流后恒压的充电特性,因此进一步提出了一类复合拓扑结构,采用最少的器件实现恒流拓扑和恒压拓扑的切换,电路简单可靠,传输效率高。     

基于序分量法的D-STATCOM直接功率控制策略研究

将基于序分量法的P-DPC引入到配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)的控制研究中,来解决传统预测直接功率控制策略只可控制补偿负荷无功功率的问题。将电网电压不对称因素考虑在内,利用瞬时对称分量法对各个采集电气量进行序分解,构建正、负序等效电路。无功和三相不平衡负荷补偿时,根据序网络等效电路分别推得正、负序功率预测模型。基于正序功率预测模型的P-DPC算法控制D-STATCOM补偿负荷无功,而基于负序功率预测模型的D-DPC算法控制补偿负荷所需负序电流。两种算法相互牵制,严格控制了D-STATCOM的输出电流,消除了装置在电网电压不对称时可能产生的过流威胁,实现了负荷无功和平衡化补偿。仿真结果表明,不论电网电压对称与否,该控制策略都能良好地补偿负荷的无功和负序电流,确保电源侧三相电流平衡且单位功率因数运行。     

风力发电系统网侧逆变器双闭环控制策略研究

针对风力发电系统经过并网逆变器与外部电网连接时,系统向电网输送的电能必须满足电网的电压和频率要求。在分析系统变流器的数学模型基础上,对网侧逆变器提出了一种基于无功电压调节的电压电流双闭环控制策略,通过调节无功实现系统母线电压幅值稳定,也实现了系统有功无功解耦控制,且输出电流谐波含量少,使系统向电网输送稳定、恒频率的电能。经过仿真分析,在负载变化情况下系统可实现稳定控制及具有良好的电流鲁棒性,有效验证该控制策略的可行性和准确性,对风力发电并网技术研究具有一定的实用价值。