一种无线电能传输系统的可视化分析方法
【技术领域】
[0001]本发明设及电能的无线传输问题，即用非导线接触方式为电气设备提供电力，属 于电力工程技术领域。
【背景技术】 阳〇〇引无线电能传输（简称WPT)技术是一种不使用导线连接来传输电能的技术。由于2007年MIT学者取得的重要研究进展，W及人们对其美好应用前景的期待，目前掀起了WPT 技术新的研究热潮。借助WPT技术，人们可W不使用导线连接来传输电能，有望解决特殊场 合下，用电设备与电源的连接问题。例如，为电动车和便携式电子设备充电、为移动运输设 备提供电力、为无线传感器补充电能等。另外，在水下、潮湿、密闭容器内、易燃易爆、核能等 环境下使用WPT技术，可W解决供电难问题，避免插拔导线带来的危险。
[0003] 在对WPT技术开展研究的过程中，人们总是关屯、一些重要的技术参量，例如稳态 时的输入电流、输入功率、输出电流、输出电压、输出功率，W及传输效率等。目前的研究方 法主要是仿真和实验。所谓仿真，就是根据人为建立的电网络模型或电磁场模型，利用商用 仿真软件进行辅助计算，得到上述参量的数值解或变化波形，但不宜看出各参量之间的联 动关系。而真实的实验研究存在损坏器件的危险，实验代价较大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是，提供一种分析WPT系统主要技术参量的可视化方法。该方法借 助一张复平面的几何图形，能够直观地同时看出各稳态技术参量与某参数变动时的对应关 系，也可从图中定量测算出运些参量的量值。
[0005] 为达到上述目的，本发明采取W下技术方案：
[0006] (1)将无线电能传输系统的发射电源内阻抗、发射回路阻抗补偿网络、能量禪合单 元和接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络。再将运些二端口网络的级联等 效成网络N。
[0007] (2)用二端口网络的传输参数计算输入阻抗Zi。。再用Z2S表示输入端口短路时，从 输出端口看进去的复阻抗；用4表示输出端口开路时，输入端口的电流；用/,、表示输出端 口短路时，输入端口的电流。利用上述各种表示，WPT系统输入端口的实际电流可表示为，
[0008]
[0009] 从复变函数角度看，上式是个保圆映射，即為。、戈。和的端点在同一个圆周上， 称为圆图。圆屯、坐标和半径由WPT系统结构、参数，W及等效负载阻抗来决定。
[0010] (3)在圆图基础上，利用各参量之间所遵循的物理和数学关系，将WPT系统的主要 参量，用复平面上几何线段的长度或角度来表示，如图5所示，称为WPT系统稳态参量轨迹 图，简称轨迹图。
[0011] 由于采用了W上技术方案，本发明能够达到W下有益效果：
[0012] (1)本发明实现了WPT系统主要参量的可视化分析。也就是说，可W通过复平面中 几何线段的长度或角度来读取WPT系统主要参量值，包括参量的大小和参量的福角。
[0013] (2)本发明实现了WPT系统主要参量相互之间变化趋势的联动观察，可W直观观 察各个参量的联动关系；通过WPT系统参量轨迹图中几何线段的伸缩和旋转，可W动态地 看出负载或其他参数变动时，WPT系统主要参量大小和福角的变化趋势。
[0014] (3)能够从轨迹图上读取的主要参量包括：接收端口空载时发射端口电流、接收 端短路时发射端口电流、接收端口有载时发射端口电流和接收端口电流、负载阻抗的模、发 射端口有功功率、发射端口无功功率、接收端口有功功率、传输效率。
【附图说明】 阳01引图1是WPT系统一般组成。
[0016] 图2是用于WPT系统能量禪合单元示例。（a)静止禪合；化）运动禪合。
[0017] 图3是用于WPT系统的阻抗补偿网络示例。 阳01引 图4是WPT系统的二端口网络等效电路。
[0019] 图5是WPT系统稳态参量轨迹图示例。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合上述方案和附图，对本发明进行详细描述。
[0021] 无线电能传输系统的一般组成如图1所示，其中的能量禪合单元示例如图2所示， 阻抗补偿网络示例如图3所示。将无线电能传输系统的发射电源内阻抗、发射回路阻抗补 偿网络、能量禪合单元和接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络。
[0022] 再将运些二端口网络的级联等效成网络N，如图4所示。其中烏表示发射电源的 电动势相量；瓦表示负载复阻抗；Z1。表示等效输入复阻抗；表示输入端口电流相量；/: 表示输出端口电流相量。
[0023] 用二端口网络的传输参数计算输入阻抗的表达式是，
[0024]
(1)
[0025] 其中，T。、Τ?2、了21和T22表示二端口网络传输参数矩阵元素。
[0026] 因此，输入电流与等效负载阻抗瓦的关系为，
[00別
(2)
[00測再用Ζ2苯示输入端口短路时，从输出端口看进去的等效复阻抗，即 [0029]
(3)
[0030] 用4隶示输出端日开路时，输入端日的电流，即 齡3U
(斗）
[0032]用表示输出端口短路时，输入端口的电流，即[00刘
（5)
[0034] 利用上述各种表示，输入端口的实际电流为，
[0035]
W
[0036] 根据复变函数映射原理，4、: 4和马的端点必在同一个圆周上，如图5所示。
[0037] 设负载的阻抗角化不变，改变负载阻抗的模|zj，做出ii随|Zj的变化轨迹，如图 5中的实线圆弧所示。
[0038] 如4
根据平面几何原理，圆的半径按下式计算，
[0039]
(7) W40] 圆屯、坐标可W利用S点确定一个圆的原理，根据jj。和4的端点坐标来确定。
[0041] 定义电流实际大小与轨迹图上几何长度的比例尺为，
[0042]
(8)
[0043] 符号上面的横线表示轨迹图上的几何长度，单位是毫米。例如，巧表示电流相量為 在轨迹图上的几何长度；而/',、/:表示相量4与ii端点连线的几何长度。本发明中，除了哨 是由定义给出外，其余比例尺都是根据参量的解析表达式推导出来的。
[0044]W下给出主要参量在WPT轨迹图上的读取方法，参见图5。 W45] (1)空载电流和短路电流的读取
[0046] 接收端空载即开路时，发射端电流为，
[0047]
(穿） W48] Ii。表示电流相量4的有效值，单位安培。上面不含逗点的电流符号I和电压符号 U，都表示有效值。 W例 （9)式说明，用比例尺W/乘W轨迹图上的几何长度^，便得到有效值电流Ii。。W 下带有比例尺的表达式，都表示此含义。
[0050]接收端短路时，发射端电流为， 阳 〇5U
( 10)
[0052] 似输出电流有效值I2的读取 阳05引
（11)
[0054] 其中比例尺， 阳 05 引
C.12).
[0056] (3)输出电压U2的读取
[0057]
(巧） 阳化引其中比例尺，
[0059]
(14) W60] (4)负载阻抗|Zj的读取 阳 06U
(15) 阳0创其中比例尺，
[0063]
UC)；
[0064] (5)发射端有功功率Pi的读取 阳0化]
(17)
[0066] 其中比例尺，
[0067]
( 18)
[0068] (6)接收端有功功率P2的读取
[0069]
(19)
[0070] 其中比例尺，
[0071]
(20)
[0072] (7)传输效率η的读取
[007；3]
(21:)
[0074] 其中比例尺， 阳0巧]
(22)。
【主权项】
1. 一种无线电能传输系统的可视化分析方法，其特征在于W下步骤， (1) 将无线电能传输系统的发射电源内阻抗、发射回路阻抗补偿网络、能量禪合单元和 接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络，再将运些二端口网络的级联等效成 网络N; (2) 用二端口网络的传输参数计算输入阻抗Zm;再用Z2.表示输入端口短路时，从输出 端口看进去的复阻抗；用/l。.表示输出端口开路时，输入端口的电流；用^1,表示输出端口短 路时，输入端口的电流；利用上述各种表示，WPT系统输入端口的实际电流表示为从复变函数角度看，上式是个保圆映射，即/i。、和Λ的端点在同一个圆周上，称为 圆图；圆屯、坐标和半径由WPT系统结构、参数W及等效负载阻抗决定； (3) 在圆图基础上，利用各参量之间所遵循的物理和数学关系，将WPT系统的主要参 量，用复平面上几何线段的长度或角度来表示，称为WPT系统稳态参量轨迹图；读取参量大 小的方法是轨迹图上相应线段几何长度乘W相应的比例尺。
【专利摘要】本发明提供了一种无线电能传输系统的可视化分析方法，属于电力工程领域。本发明的方法将WPT系统抽象成二端口网络模型；根据输出端口开路时的输入电流、输出端口短路时的输入电流，以及输出端口带正常负载时的输入电流的相量值，在复平面上绘出圆图；根据WPT系统稳态参量的解析表达式，在同一平面上绘制代表这些稳态参量的线段，得到WPT系统参量轨迹图；将线段的几何长度与相应的比例尺相乘，便得到对应参量的实际大小。不仅能够直观读出主要参量的大小和辐角，更重要的是，可以通过线段长度和角度的变化，直观动态地观察出各参量之间的联动变化规律。
【IPC分类】G01R31/00
【公开号】CN105403798
【申请号】CN201510991087
【发明人】周宇翔, 陈希有, 李冠林, 孙学斌, 牟宪民
【申请人】中电投吉林核电有限公司, 大连理工大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月25日