论文专利

Papers&Patents

你现在的位置:首页 > 论文专利 > 硕博学位论文

磁耦合无线电能传输系统负载与互感参数识别技术研究

Research on Load and Mutual Inductance Identification for Magnetic Coupling Wireless Power Transfer Systems

【作 者】陈龙

【摘 要】

磁耦合无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer, MC-WPT)技术是一种以交变磁场作为能量传输介质,并综合电力电子技术、谐振补偿与控制等技术,实现无直接电气接触的电能传输技术。随着该技术理论体系的逐渐成熟及其关键技术的深入研究,MC-WPT技术受到了越来越广泛的关注,该技术的实用化进程同时也得到了大力的推动。在MC-WPT技术的部分应用中,系统能量发射端与能量接收端之间的相对位置固定,此时可将互感视为固定参数,而系统负载可能将会发生改变。对于一些其它MC-WPT技术的实际应用,系统能量发射端与能量接收端间的相对位置也可能发生变化,此时系统负载与互感均有可能发生改变。上述参数的变化均将对系统性能产生较大的影响,为了建立高效、可靠、稳定的MC-WPT系统,应在负载以及互感参数发生变化后对系统实施相应控制,而系统负载与互感参数的识别问题正是其中的关键研究技术难题。因此,本文围绕MC-WPT系统负载与互感参数识别问题展开了相关研究,主要针对采用不同补偿形式的MC-WPT系统提出了相应的识别方法,其中包括了四种MC-WPT系统的基本补偿拓扑:串联-串联(Series-Series, S/S)补偿拓扑、串联-并联(Series-Parallel, S/P)补偿拓扑、并联-串联(Parallel-Series, P/S)补偿拓扑以及并联-并联(Parallel-Parallel, P/P)补偿拓扑,并且对每种识别方法的可行性以及有效性分别进行了仿真以及实验验证。本文中所提出的识别方法均无需增加额外电路元件以及相应控制,因此不会增加系统成本以及体积。

具体而言,本文主要做了以下研究工作:

1.    P/SMC-WPT系统为研究对象,基于最小二乘法提出了一种负载参数识别方法。根据电路拓扑结构建立了系统微分方程组,随后通过数学变换从中推导出所需采样的状态变量之间离散关系的数学描述,从而构建得到了MC-WPT系统过程参数向量以及数据矩阵,进而基于最小二乘算法给出了负载识别算法。建立了相应的仿真模型,对该识别算法进行了相关验证,并且给出了识别算法运行次数和识别结果误差率之间的一般性规律,为识别算法运行次数的选取提供了有效依据,并且通过搭建相应的实验装置对该识别方法的可行性以及有效性进行了验证。

2.    S/SMC-WPT系统为研究对象,基于遗传算法提出了一种负载与互感参数的识别方法。对所采用的遗传优化算法各步骤实现方法进行了相应地描述,在考虑到系统高次谐波影响的条件下建立了系统稳态电路模型,进而得到系统电路参数及状态变量间关系的数学描述。通过仿真计算给出了原边谐振电流检测值与考虑前n次谐波情况下得到的计算值之间误差的一般性规律,进而为确定n的取值提供了可靠依据。在上述研究基础之上引入遗传优化算法将系统的参数识别问题转化为寻优问题,从而给出了系统负载以及互感参数的识别方法。仿真验证中给出了遗传算法前20代中各代种群的适应度最优值以及平均值,对该算法的快速收敛性进行了验证。建立了系统的仿真模型并搭建了实验装置来验证了所提出的负载以及互感参数识别方法的可行性以及有效性。

3.    针对S/PMC-WPT系统提出了一种负载与互感参数的识别方法。根据系统稳态特性,基于基波近似原理建立频域模型,进而推导出待识别变量的解析表达式。基于上述表达式对待识别变量进行求解,并获得了两组解集。为了从这两组解中筛选得到实际的识别结果,首先定义变量归一化角频率,随后在该变量处于三种不同取值区间的情况下对两组解的值域进行了详细分析,给出了一套实际识别结果的确定方案。进一步建立了相应的仿真模型,基于该模型对系统正常运行时归一化角频率的变化区间进行了分析,并在系统负载与互感参数不同设定值的情况下进行了多次仿真验证。通过搭建实验装置对该识别方法的可行性以及有效性进行了验证。

针对副边为并联补偿的MC-WPT系统提出了一种负载与互感参数识别方法。将针对S/P型MC-WPT系统提出的识别方法进行拓展,使其适用于原边为三种常用补偿形式(即串联补偿、并联补偿以及LCL混合补偿),副边为并联补偿形式的MC-WPT系统。针对不同原边补偿形式的MC-WPT系统分别建立了各自的交流阻抗模型,在此基础之上获得了待识别参数的两组数学描述。为了剔除其中的非合理解,首先在系统正常运行条件下对三种系统的归一化角频率的变化范围进行了确定,随后在此基础上对各个系统得到的识别结果的取值区间进行分析。对于识别结果均为正数的情况,基于两组识别结果分别计算系统逆变输出变量的高次谐波,进而计算逆变输出变量高次谐波检测值与计算值之间的均方差值,给出了一般性的非合理解剔除方法从而完成了系统负载与互感参数识别。建立了系统的仿真模型并搭建了相应的实验装置,在不同负载电阻值以及互感值的情况下验证了所提出的负载以及互感参数识别方法的可行性以及有效性。

【关键词】无线电能传输,磁场耦合,负载识别,互感识别

【下 载】 (浏览288次)