單端補償的新型無線電能傳輸系統研究

陳 月，沈錦飛

（江南大學，江蘇無錫214122）

0 引言

近年來，諧振式無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）越來越受到關注，因為它省掉用電設備錯綜復雜的電線連接，給人們生活帶來很大的方便［1］。最廣泛的諧振式WPT系統由兩個線圈組成：能量的發射端和能量的接收端。在發射和接受線圈兩端分別串聯或者并聯上一個電容器，補償系統無功功率，并與線圈等效電感發生諧振，通過電磁場連接兩個耦合線圈能實現電能傳輸的高效性［2］。本文提出單端補償WPT系統，系統只有發射線圈兩端串有補償電容，而接受端諧振電路的主要作用有：（1）補償接收端的無功功率；（2）通過移相控制調節輸出功率；（3）實施動態調諧以保證系統的傳輸效率。本文對系統的等效電路模型進行了理論分析，PSpice仿真和5 kW實驗樣機的結果都驗證了理論分析的正確性和控制方案的可行性。

1 新型WPT系統的提出

如圖1所示，H橋逆變器作為AC源，VT1～VT4是逆變器的開關管，Cp是發射端并聯補償電容，Rp和Rs是線圈Lp和Ls的寄生電阻，Cs是接收端補償電容并聯在線圈Ls兩端，二極管不控整流器平行接在Cs兩端，線圈Lp和Ls是通過互感M發生磁耦合。

圖1 兩種串并式WPT系統

本文提出的新型WPT系統，補償電容Cp仍然串聯在發射端，與傳統SP補償系統不同的是舍去了接收端的補償電容，如圖1（b）所示，且接受線圈Ls直接與全橋可控整流器相連，MOSFET管VT5-8是逆變器的開關管。該系統中，直流電容Co有兩個作用：（1）濾波作用；（2）對接收端無功功率進行補償，相當于并聯補償電容。當輸入電壓Up和輸出電壓Us的頻率與系統的本征頻率相等時系統發生諧振，此時系統工作在最佳狀態。記Up和Us的相位差為φ，通過移相控制調節該WPT系統的輸出功率。

2 新型WPT系統的特性分析

2.1 輸出功率分析

系統穩定時，逆變器輸出電壓近似正弦波。寄生電阻很小，為計算方便，忽略不計，等效電路如圖2所示。Up是逆變器端電壓，是角頻率ω的方波，ip是發射線圈中的正弦電流，Us是PWM整流器端電壓，is是接受線圈中的諧振電流，Up、Us之間相位差為φ。

圖2 傳輸系統的等效電路

根據網孔電流法：

其中L＝Lp＝Ls，諧振角頻率ωo為：

當ω＝ωo時系統發生諧振。根據公式（1）可得發射回路和接受回路的諧振電流Ip和Is分別為：

假設輸出電壓只有基波分量而沒有高次諧波，則逆變器及整流器端電壓正弦分量Upsin、Ussin分別為：

根據公式（3）、（4）、（5）可得傳輸功率Ps為：

整個系統的傳輸效率為：

如果接收端連接的是電阻性負載則電壓源Us上消耗的功率為

2.2 控制策略

在一個輸入端和接收端都有電壓源的雙向WPT系統中，通過改變相位角φ，既能改變輸出功率的大小，還能調節功率流向［3，4］。本文中只有接收端有電壓源Udc，因此，電能只能從發射端流向負載，通過對發射端逆變器和接收端整流器觸發脈沖的控制，來調節逆變器端電壓和整流器端電壓的相位差從而控制輸出功率。

簡單的控制過程如圖3所示。前五條波形是發射端逆變器開關管VT1-4的觸發信號和輸入電壓波形與正弦分量，后五條是接收端可控整流器開關管VT5-8的觸發信號及輸出電壓和正弦分量。由圖3可知，VT1-4的延遲時間決定著Up的相位，通過改變VT1、4促發脈沖的延遲時間差t來改變輸入電壓Us的相位，而VT5-8的延遲時間決定Up的相位，改變VT5、8觸發脈沖的延遲時間差t來改變輸出電壓Us的相位，實際上滿足t／T＝φ／2π。

圖3 開關管的觸發信號及相關電壓波形

開關管的延遲時間和相位的關系如表1。

表1 延遲時間與相位

因此，可以通過改變延遲時間t來改變Us和Up的相位差，調節輸出電流is的幅值。理想狀態下當輸入端與輸出端相位差恒定在90°時，輸出功率最大。

3 仿真分析與實驗驗證

基于上述理論，應用電力電子專用仿真軟件包Pspice，分別對φ＝30°、φ＝60°、φ＝90°時的 WPT系統進行仿真，仿真參數見表2，仿真結果如圖4。

表2 仿真參數

圖4 仿真波形

Us超前Up0°到180°之間時，電能從發射端傳輸到接受端，忽略寄生電阻，φ＝90°時輸出功率最大［5］。忽略寄生電阻的功率損耗、開關管的開關損耗和電容器的ESR，WPT系統的傳輸效率應為100%，也就是說輸入功率電阻負載接收的實際功率等于Pp，但實際操作不可能達到絕對理想的狀態。由仿真結果知，系統諧振時，輸出電流近似于正弦波，其頻率為系統的開關頻率66.7 k Hz，當φ＝90°、30°時副邊諧振電流峰值is分別為25 A、27 A，而當φ＝60°時is的峰值高達29 A，輸出功率最大達5 k W。

本文建立了5 kW的實驗樣機，由上文可知當移相角為60°時輸出電流幅值最大，輸出功率最大為5 kW。輸出電壓Us和輸出電流is的波形如圖5所示。

圖5 實驗波形

4 結 論

與常規系統相比，本文提出的有源諧振式無線電能傳輸系統，用可控整流器取代了常規系統的二極管整流橋，且系統中只有一個補償電容，從而降低了接受回路失諧的可能性。此外，可以通過對發射端的逆變器和接收端的可控整流器的相移控制調節輸出功率。本文給出了傳輸系統的等效電路，考慮寄生電阻對系統的影響分別對相角為90°、60°、30°的系統進行仿真分析，得知在60°時系統的傳輸功率最大化。相移控制策略可以用來減小寄生電阻對系統造成的負面影響，保證系統可以實現功率最大限度的傳輸。5 kW試驗樣機的建立驗證了理論分析的正確性和移相控制的可行性。

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