基于無線充電技術(shù)的船舶岸電系統(tǒng)研究

左萍萍，陸兆鈉，葉凱，王焱

（南通理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇南通，226000）

0 引言

大型船舶靠岸時(shí)，通常采用柴油與重油等高污染性燃料為船舶輔機(jī)提供動(dòng)力從而發(fā)電，供給船員日常生活與船上設(shè)備使用。船舶岸電技術(shù)則在船舶靠岸時(shí)通過岸上供電系統(tǒng)為船舶供電，減少燃油發(fā)電產(chǎn)生的污染，保護(hù)港口的生態(tài)環(huán)境。但現(xiàn)有船舶岸電系統(tǒng)采用有線傳輸，需要人工連接，效率不高，并且插頭暴露在港口潮濕的環(huán)境中也存在安全隱患。無線充電技術(shù)可以有效解決人工連接與插頭裸露的問題，因此對(duì)于船舶岸電技術(shù)的升級(jí)具有重要研究意義。高吉林[1]研究無線充電技術(shù)時(shí)采用獨(dú)立式充電系統(tǒng)，提出了基于副邊PWM 整流補(bǔ)償控制方法，并對(duì)補(bǔ)償控制方法工作原理進(jìn)行了分析并進(jìn)行建模仿真，但方案中使用功率元器件多，系統(tǒng)成本較高。謝玉磊[2]設(shè)計(jì)了相互隔離的發(fā)送端和接收端的多負(fù)載無線恒流充電系統(tǒng)并且主要分析了系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)特性。高潔等人[3-4]對(duì)純電動(dòng)船的充電方式進(jìn)行了分析并設(shè)計(jì)了一套針對(duì)小型氣墊船的無線充電系統(tǒng)，但缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

本文將無線充電技術(shù)應(yīng)用到船舶岸電系統(tǒng)中進(jìn)行研究，從發(fā)射模塊、接收模塊等方面并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，為船舶岸電系統(tǒng)的發(fā)展提供建議。

1 無線輸電技術(shù)原理及仿真分析

本文將發(fā)射模塊和接收模塊通過兩相線圈相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的無線輸電功能。采用兩線圈結(jié)構(gòu)的電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)是依據(jù)無線充電技術(shù)的現(xiàn)狀以及船舶自身的特點(diǎn)，即借助一對(duì)線圈即電源線圈和負(fù)載線圈來輸送電能，構(gòu)成電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射模塊中選擇了SP耦合補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及單相橋式整流電路保證了在一定范圍的距離內(nèi)，傳輸功率穩(wěn)定。在接受模塊中不僅有傳統(tǒng)的船載電池供電系統(tǒng)而且還根據(jù)船舶靠岸后需要保證正常生產(chǎn)生活的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系

統(tǒng)主要由SVPWM信號(hào)模塊、三相與兩相轉(zhuǎn)換模塊、兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換模塊以及磁鏈和相位角計(jì)算模塊等構(gòu)成，通過矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)數(shù)的控制[5]。并且實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際情況智能調(diào)節(jié)的效果，這樣可減少系統(tǒng)能耗和降低系統(tǒng)功耗的效果，進(jìn)一步節(jié)約成本。

1.1 發(fā)射模塊和整流電路模塊

電能傳輸過程中采用感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)姆桨福姶鸥袘?yīng)式無線電傳輸電路組合有多種結(jié)構(gòu)，其中SP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是較為適合的無線電能傳輸裝置，可以在確保高耦合傳輸功率的同時(shí)還能確保原邊諧振回路中的電流值穩(wěn)定在較小的數(shù)值內(nèi)。但SP線圈的輸入電壓不能太高且要求是一定頻率的交流電壓，因此需加入全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高頻逆變電路可以解決該問題。并且該電路要比半橋逆變器的開關(guān)電流減小半數(shù)以上，更符合在大功率情況下使用條件，適合在船舶的無線輸電過程中采用。當(dāng)變壓器轉(zhuǎn)換輸出交流電之后，還需要將電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，因此本文采用單相橋式整流電路[6]，可以保證穩(wěn)定供電。發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

在MATLAB仿真中，搭建發(fā)射模塊和整流電路模塊，發(fā)射模塊簡單用電流源示意，無線輸電部分的線圈在仿真中用變壓器來替代。

1.2 接收模塊

(1)船舶負(fù)載電池

關(guān)于內(nèi)置在船舶的負(fù)載電池，參考目前市面上相關(guān)電池的種類及特點(diǎn)，結(jié)合船舶具體情況，選擇了三元鋰電池作為負(fù)載電池，因其在容量與安全性等方面都具有較好的優(yōu)點(diǎn)。

(2)三相異步電動(dòng)機(jī)性能

根據(jù)矢量調(diào)速的原理可以得到，三相異步電機(jī)是通過改變坐標(biāo)從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩與磁鏈大小實(shí)現(xiàn)矢量控制，最后通過逆變電路實(shí)現(xiàn)輸出進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。本文中使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，為了驅(qū)動(dòng)逆變電路運(yùn)行，搭建了SVPWM模塊產(chǎn)生PWM波形實(shí)現(xiàn)該功能，使三相異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而讀取數(shù)據(jù)，研究其特性。

(3)矢量坐標(biāo)變換

矢量坐標(biāo)變換為了獲得合適的磁鏈大小和轉(zhuǎn)矩需要對(duì)兩軸坐標(biāo)系下的直流電流進(jìn)行修正來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

①三相靜止向兩相靜止變換模塊仿真。建立三相電壓的3s/2s變換的仿真模型，輸入端連接需要變換的三相信號(hào)，在仿真中把這三相信號(hào)合并到一根線中，如圖2中的labc；輸出端輸出兩相靜止信號(hào)，并把這兩路信號(hào)合到一根線中去，如圖2中的lab。

圖2 三相靜止向兩相靜止變換仿真

②兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換模塊仿真。建立兩相電壓的2s/2r變換的仿真模型如圖3所示，輸入端連接需要變換的兩相信號(hào)，輸出端輸出兩相旋轉(zhuǎn)信號(hào)。

圖3 兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換仿真

③磁鏈和相位角計(jì)算模塊。磁鏈和相位角的計(jì)算公式分別如式（1）和式（2）所示。該模塊的仿真圖如圖4所示。

圖4 磁鏈與相位角計(jì)算模塊仿真

(4)三相異步電動(dòng)機(jī)的SVPWM仿真

根據(jù)SVPWM矢量控制原理，SVPWM調(diào)制技術(shù)可通過確定扇區(qū)號(hào)和相鄰電壓矢量的作用時(shí)間以及計(jì)算時(shí)間切換點(diǎn)和比較器裝載值來實(shí)現(xiàn)。因此為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)逆變電路的效果，在建立三相異步電動(dòng)機(jī)的SVPWM仿真模型時(shí)，先使用將生成兩相靜止坐標(biāo)系里的電壓信號(hào)，這是由三相電壓信號(hào)在3s/2s轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的。當(dāng)該信號(hào)進(jìn)入SVPWM模型中之后，便會(huì)生成6路的PWM波形，用于驅(qū)動(dòng)逆變電路的工作。

本文在MATLAB中分別構(gòu)建發(fā)射模塊、無線輸電及包含三相交流異步電機(jī)SVPWM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的接收模塊的系統(tǒng)框圖并連接組成無線充電系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。仿真整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)構(gòu)圖 （注:由于顯示比例，仿真局部細(xì)節(jié)未顯示）

1.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6是當(dāng)接收端為電池充電時(shí)，負(fù)載的電壓波形與時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出本文使用SP補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與單向橋式整流電路，可以有效穩(wěn)定的輸出電能，接收端負(fù)載電壓峰值約為5V并且保持穩(wěn)定，可以持續(xù)的為負(fù)載進(jìn)行充電，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖6 充電負(fù)載電壓波形

圖7

接收端三相異步電機(jī)仿真結(jié)果如圖7所示。其中圖7(a)(b)(c)分別是電動(dòng)機(jī)的三相電流，輸出轉(zhuǎn)矩和電子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。從圖7(a)中可以看出，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩較大，所以需要的啟動(dòng)電流也是較大的。在運(yùn)行過程中，負(fù)載與電流關(guān)系相匹配，也就是空載速度穩(wěn)定時(shí)，電流也穩(wěn)定并且數(shù)值相對(duì)較小，等到負(fù)載接入電路，電流則會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)并且數(shù)值增加。圖7(b)所示的電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，因?yàn)榭蛰d時(shí)不需要對(duì)外輸出，所以轉(zhuǎn)矩的數(shù)值接近于0，在0.1s時(shí)，加上30N.m負(fù)載運(yùn)行，那么三相異步電動(dòng)機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)矩也是在數(shù)值30N.m左右進(jìn)行波動(dòng)。圖7(c)為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，通過矢量調(diào)速模塊，在0.1s后便達(dá)到了800r/min，經(jīng)過1.5s后，轉(zhuǎn)速降到600r/min，可以根據(jù)實(shí)際情況智能調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足實(shí)際需求的同時(shí)可以減少能量消耗，進(jìn)行低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性，搭建了包含無線充電發(fā)射模塊的船舶岸電系統(tǒng)平臺(tái)和包含無線充電接收模塊的船舶模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測無線充電效率以及穩(wěn)定性并判斷訓(xùn)練模型是否能有效的進(jìn)行無線充電。

為了保證安全，實(shí)驗(yàn)中無線充電發(fā)射模塊的輸入電源電壓設(shè)定為DC9.0V，工作頻率范圍是100~205kHz，最大的輸入電流為2.0A，輸出最大功率為10W。考慮到設(shè)備安裝空間的需要，船舶模型選擇了按照1:275比例進(jìn)行制作使得船身整體比例合適。經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 距離與功率實(shí)測數(shù)據(jù)

圖8 距離功率曲線

從表1距離功率實(shí)測數(shù)據(jù)可看出在距離13mm時(shí)充電功率最大，距離越遠(yuǎn)輸出功率會(huì)出現(xiàn)小幅度下降，但是總體輸出的功率穩(wěn)定在10W左右。從圖8充電曲線圖可看出無線充電輸出效率是相對(duì)穩(wěn)定可靠的，證明搭建的船舶岸電系統(tǒng)是可以穩(wěn)定運(yùn)行并使用的。

3 結(jié)語

本文將無線充電技術(shù)應(yīng)用到船舶岸電系統(tǒng)中進(jìn)行研究，對(duì)無線充電的發(fā)射模塊與接收模塊進(jìn)行了改進(jìn)，在MATLAB中模擬仿真并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。改進(jìn)的無線充電發(fā)射模塊可提高系統(tǒng)傳輸能力且在無線充電過程中電壓和電流穩(wěn)定，改進(jìn)的無線充電接收模塊可實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的效果。該無線充電技術(shù)對(duì)船舶岸電系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的借鑒意義，但也存在一些不足之處，這有待進(jìn)一步研究。