一种无线供电系统及其输入均压、输出恒压协同控制方法

1.本发明涉及无线输电技术领域，更具体地，涉及一种无线供电系统及其输入均压、输出恒压协同控制方法。


背景技术：

2.无线电力传输是一种无需直接连接即可将电力从电源传输到电气负载的能量传输技术。典型的无线电能传输系统如图1所示。逆变器将直流供电转换成高频交流电，基于原副边线圈的耦合机制，进行能量的无线传输，再通过整流滤波将电能供给至负载，为了实现能量的高效传递，原副边线圈均会与谐振补偿网络相连接。
3.近年来，大功率无线电力传输因其方便、安全和可靠的特点，已被广泛应用于诸多领域，例如电动汽车和高速列车的无线充电。受限于半导体元件的额定电压和电流，单个无线供电系统的功率等级往往无法满足实际供电需求，因此通常通过使用多个逆变器或逆变桥并联的形式代替单个逆变器来实现高功率，从而降低每个电路组件上的功率应力，并且电力电子系统的集成化和模块化已经成为电力电子技术发展的一个必然趋势，在无线传能系统技术已经成熟的当下，多单元模块化的无线供电系统已经成为解决大功率供电应用场景的重要手段。
4.在大功率电能传输的应用中，高电压输入-高电压输出的直流变换无线供电系统在诸多领域得到了应用，例如铁路牵引供电、船舶岸电供电等领域。对于这些高输入电压-高输出电压的应用场合，输入侧通常直接从中高压直流配电网取电(电压等级均在千伏以上)：输入侧加载较高的直流母线电压的目的是在功率传输过程中产生较小的线路电流，从而大大降低了母线侧传输线缆的功率损耗，显著改善了系统整体效率。输入侧逆变器并联的形式可以大大提高系统的传输功率，但无法解决高电压输入对系统逆变器产生的巨大冲击，而高压大功率场合的igbt器件其开关特性相较于低压开关器件有很大的差异性，将严重影响传统无线传能系统的性能。


技术实现要素：

5.为了克服以上提及的现有技术中的至少一个技术缺陷，改良或优化现有技术，本发明提供了一种无线供电系统，包括若干个无线供电单元；
6.每个无线供电单元均分别包括各自的依次电连接的逆变器、互感器和整流器；
7.每个无线供电单元的电能输入侧通过各自的逆变器依次串联，每个无线供电单元的电能输出侧通过各自的整流器依次串联；
8.在每个无线供电单元中，逆变器将获取的直流电转换为交流电，经由互感器的互感作用无线传输，再经整流器的整流处理后输出供电。
9.进一步地，每个无线供电单元的逆变器的电性参数保持一致、整流器的电性参数保持一致、互感器的原边线圈的自感保持一致、互感器的副边线圈的自感保持一致。
10.进一步地，采用若干个无线供电单元中的任一个无线供电单元作为恒压控制单
元，通过对该恒压控制单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输出恒压控制；
11.对所述恒压控制单元之外的其他无线供电单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输入均压控制。
12.进一步地，所述的任一个无线供电单元具体可选择若干个无线供电单元中拥有最大互感值的互感器的无线供电单元。
13.第二方面，本发明提供了一种基于上述任一项所述的无线供电系统的输入均压、输出恒压协同控制方法，包括：
14.采用若干个无线供电单元中的任一个无线供电单元作为恒压控制单元，通过对该恒压控制单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输出恒压控制；
15.对所述恒压控制单元之外的其他无线供电单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输入均压控制。
16.进一步地，所述的任一个无线供电单元具体可选择若干个无线供电单元中拥有最大互感值的互感器的无线供电单元。
17.进一步地，所述采用若干个无线供电单元中的任一个无线供电单元作为恒压控制单元，通过对该恒压控制单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输出恒压控制具体包括：
18.采用若干个无线供电单元中的任一个无线供电单元作为恒压控制单元，采集无线供电系统的输出电压，经过模数转换后形成离散输入信号并传送到dsp单元进行处理；
19.将离散输入信号与预设的参考电压信号作差形成误差信号作为dsp单元中h∞控制器的输入量，在dsp单元内执行h∞控制器运算，计算出h∞控制器的输出信号，并经过换算以获取上述的任一个无线供电单元的逆变器的移相角；
20.基于上述获取的移相角产生多路移相脉冲信号驱动上述的任一个无线供电单元的逆变器完成移相控制，以实现对所述无线供电系统的输出恒压控制。
21.进一步地，所述对所述恒压控制单元之外的其他无线供电单元的逆变器的移相控制来进行对所述无线供电系统的输入均压控制具体包括：
22.基于经过换算以获取的上述的任一个无线供电单元的逆变器的移相角，依据各无线供电单元的互感器的互感值计算出其余无线供电单元的逆变器的移相角，以实现对所述无线供电系统的输入均压控制。
23.进一步地，在开环条件下，各无线供电单元的输入电压比值以及输出电压比值均等于各无线供电单元的互感器的互感值比值，且无线供电系统的输出电压反比于各无线供电单元的互感器的互感值之和；具体的表达式包括：
[0024][0025][0026]
[0027]
其中，u
out
为无线供电系统的输出电压，u
in
为无线供电系统的输入电压，r
l
为无线供电系统的等效负载，ω为无线供电系统的工作频率，mn为编号为n的无线供电单元的互感器的互感值。
[0028]
进一步地，实现对所述无线供电系统的输入均压控制的约束方程具体包括：
[0029][0030]
其中，αn为编号为n的无线供电单元的逆变器的移相角。
[0031]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0032]
(1)本发明通过输入侧串联逆变器以及输出侧串联整流器的电路结构设计，从而减轻了单个无线供电单元的电压电流应力，避免了高电压输入对无线供电系统的逆变器产生的巨大冲击，同时，还可以使无线供电系统能够适应大功率高电压负载的供电需求。
[0033]
(2)本发明提出的一种基于s-s型(串联-串联)补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统输入均压及输出恒压协同控制方法，该方法首先以s-s型无线供电系统为研究对象，分析其输入输出特性，并基于单个单元的电路特性推导出多单元无线供电系统的输出电压表达式，分析由互感变化引起的电压不均衡机理。其次，基于多单元无线供电系统的输出电压表达式以及由互感变化造成的电压不均衡机理，提出了一种用单个单元逆变器的移相控制进行输出恒压控制并利用其余单元逆变器的移相控制进行输入均压控制的协同控制策略。
[0034]
(3)为提高系统鲁棒性，采用h∞控制器实现输出恒压闭环控制并依据当前各单元的实时互感值完成多单元供电系统输入均压协同控制，实现了稳定可靠的大功率高电压无线供电系统的设计目的。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为现有技术提供的无线电能传输系统的工作原理图；
[0037]
图2为本发明实施例提供的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统的工作原理图；
[0038]
图3为本发明实施例提供的多单元无线供电系统输入均压及输出恒压控制流程图；
[0039]
图4为本发明实施例提供的多单元无线供电系统输入均压及输出恒压控制框图；
[0040]
图5为本发明实施例提供的无线供电单元的电路结构图；
[0041]
图6为本发明实施例提供的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统的电路结构图；
[0042]
图7为本发明实施例提供的开环系统各无线供电单元的输入电压仿真波形图；
[0043]
图8为本发明实施例提供的闭环系统各无线供电单元的输入电压仿真波形图；
[0044]
图9为本发明实施例提供的闭环系统的输出电压仿真波形图。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0046]
本技术的术语“包括”或“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备并没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0047]
现有技术中，输入侧逆变器采用并联的形式可以大大提高无线电能传输系统的传输功率，但无法解决高电压输入对系统逆变器产生的巨大冲击，而高压大功率场合的igbt器件其开关特性相较于低压开关器件有很大的差异性，将严重影响传统无线电能传输系统的性能。因此，本发明的无线供电系统的输入侧逆变器采用了串联的形式进行分压处理，减轻了单个无线供电单元的电压电流应力。而相较于输入侧的高电压输入降低线路损耗的目的，输出侧的高电压主要是为了匹配负载本身的供电需求。例如，在船舶岸电供电系统中，海运船舶的船载受电系统的电压等级高达6.6kv，其所需的功率更是达到兆瓦级。因此，为了适应此类大功率高电压负载的供电需求，本发明的无线供电系统在输出侧仍然采用整流器串联的形式向负载供电。即为了实现高效大功率、高电压的无线电能传输并降低电力电子器件的电压电流应力，本发明的一个实施例设计了如图2所示的输入串联-输出串联-多单元的无线供电系统。
[0048]
为保证上述的无线供电系统的对称性从而实现各无线供电单元的均压输入，在单元设计过程中各单元的分压电容c
di
(分压电容用于稳压)、逆变器(逆变器包括若干个可控开关管，本实施例中的每个逆变器均包括4个可控开关管)、补偿网络、发射线圈参数l
pi
、接受线圈(发射线圈和接受线圈共同构成了传输互感器)参数l
si
、整流器(整流器包括若干个整流器开关管，本实施例中的每个整流器均包括4个整流器开关管)以及输出滤波电容(滤波电容用于滤波)c
fi
均保持一致(其中i＝1、2、3
…
n，n为无线供电系统中串联的无线供电单元的总个数)。各无线供电单元的传输互感器的互感值mi由于与线圈位置相关，在实际应用中受环境干扰较大，因而无法完全一致。由于互感值mi的差异破坏了多单元系统的结构对称性，会使得系统各单元输入侧的分压以及输出侧的电压产生差异而造成各单元电力电子器件的电压电流应力不同，进而使得系统在工作过程中个别单元会承受较大的输入输出电压，会对逆变器和整流器等电力电子器件造成损害，从而会大大降低无线供电系统整体的可靠性。
[0049]
为实现直流恒压输入-直流恒压输出的高电压大功率无线供电系统并提高系统的整体可靠性，本发明还提出了一种基于s-s型(串联-串联)补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统的输入均压及输出恒压协同控制方法。该方法首先以s-s型无线电能传输系统为研究对象，分析其输入输出特性，并基于单个单元的电路特性推导出多单元无线供电系统的输出电压表达式，分析由互感变化引起的电压不均衡机理。其次，基于多单元
无线供电系统输出电压表达式以及由互感变化造成的电压不均衡机理，提出了一种用单个单元逆变器移相控制进行输出恒压控制并利用其余单元逆变器移相控制进行输入均压控制的协同控制策略。最后，为提高无线供电系统的鲁棒性，采用了h∞控制器实现输出恒压闭环控制并依据当前各无线供电单元的传输互感器的实时互感值完成多单元供电系统均压协同控制，实现了稳定可靠的大功率高电压无线供电系统的设计目的。
[0050]
在基于s-s型(串联-串联)补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统的输入均压及输出恒压协同控制方法的一个实施例的控制策略的设计过程中，首先需要依据当前各无线供电单元的互感值进行判定，选取当前互感值最大的无线供电单元作为恒压控制单元，其余无线供电单元则进行均压协同控制，相应控制流程图如图3所示，更具体的控制框图如图4所示，可描述为：a).输出恒压控制，在n个无线供电单元输入串联-输出串联的无线供电系统中(串联数量n可依据实际的分压要求、输出要求等自行选择)，假定系统利用第i个串联的无线供电单元进行输出恒压控制(n≥i≥1)，将无线供电系统的输出电压通过电压传感器采集并经过模数转换后，形成离散输入信号y(k)传送到dsp单元进行处理，将输入信号与提前设定好的参考电压信号v
ref
(k)作差形成误差信号e(k)作为h∞控制器的输入量，在dsp单元内执行h∞控制器运算，计算出控制器输出信号u(k)并经过换算计算出第i个无线供电单元的逆变器移相角αi(k)，基于计算出的移相角αi(k)产生四路移相脉冲信号驱动无线供电单元i的逆变器完成移相控制，达到稳定输出电压的目的；b).将输出恒压闭环控制流程计算获得的移向角αi(k)送入系统均压协同控制流程中，依据当前系统各单元的互感值计算出其余单元的移相角，从而实现对无线供电系统的输入侧均压控制。
[0051]
无线供电单元的电路结构图如图5所示，为提高系统的整体传输效率，系统参数需满足如下谐振关系：
[0052][0053][0054]
其中，ω0为系统的谐振角频率，其与谐振频率f0的关系为ω0＝2πf0。u
dc
、i
in
与uo、i
out
分别为系统的输入电压电流以及输出电压电流。l
p
与ls分别为原副边线圈的自感，m为耦合线圈(即传输互感器)的互感系数(即互感值)。c
p
与cs分别为原边与副边的串联补偿电容，i
p
与is分别为原副边线圈电流，u
p
与us分别为逆变器输出电压与整流器输入电压,r
l
为无线供电系统的等效负载。
[0055]
根据基尔霍夫定律及傅里叶分解等数学工具，可以列出对应的电压电流方程为：
[0056][0057]
其中，u
p
与us分别为u
p
与us的有效值,ω为系统工作频率。在谐振条件下，基于公式
(1)和(2)可以分别获得系统输出电压u
out
,原边线圈电流有效值i
p
与副边线圈电流有效值is的表达式如下所示：
[0058][0059][0060][0061]
获得了单个无线供电单元的特性表达式后，对图6所示的s-s型补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统进行分析，其中u
dci
与u
oi
分别表示第i个无线供电单元的输入电压与输出电压，其他物理量与前述相同，通过下标i区分不同无线供电单元之间的物理量，为保证拓扑对称性，各无线供电单元的电路设计参数均保持一致，即各单元c
di
,c
pi
,c
si
,c
fi
,l
pi
以及l
si
取值均相同。
[0062]
当系统稳定后，由式(4)可知，第i个无线供电单元的线圈电流有效值及输出电压可表示如下：
[0063][0064]
其中r
leqi
为第i个无线供电单元的等效负载。由于无线供电系统在输入及输出端均采用串联连接方式，所以系统满足以下关系式：
[0065][0066][0067]ip1
＝i
p2
＝
…
＝i
pn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0068]is1
＝i
s2
＝
…
＝i
sn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0069]
联立式(5)-式(9)求解可获得无线供电系统的输出电压表达式以及各无线供电单元的输入输出电压关系式，如下所示：
[0070]
[0071]
由式(10)可知，在开环条件下，各无线供电单元的输入电压比值、各无线供电单元的输出电压比值均等于各无线供电单元的互感比值，且无线供电系统的输出电压反比于各无线供电单元的互感值之和。因此，在实际的应用过程中需要依据实际的分压需求及功率需求，合理地选择无线供电单元的串联个数。而由各单元输入输出电压与互感的关系可以看出，在系统互感不一致的情况下，系统各单元输入输出电压会出现不均衡问题，会大大降低系统可靠性。
[0072]
当各无线供电单元的逆变器采用移相控制后，各无线供电单元的逆变器输出电压的有效值可表示为：
[0073][0074]
其中u
pi
为第i个无线供电单元的逆变器输出电压的有效值，αi则对应于相应的逆变器移相角。与式(3)的第一行式子相比，可等效认为该无线供电单元实际的直流输入电压发生了变化，即：
[0075][0076]
其中u
eqi
为第i个无线供电单元加入移相控制后的等效直流输入电压，其值为将等效直流输入电压代入式(10)的第三行式子可得：
[0077][0078]
为实现互感不一致条件下的输入均压控制，将u
dc1
＝u
dc2
＝
…
＝u
dcn
代入式(13)可得：
[0079][0080]
即在满足式(14)的条件下，多单元系统则能实现输入均压。并且在功率守恒的条件下，第i与第j个无线供电单元的传输功率可分别表示为pi＝u
dciiini
＝u
oiioi
，pj＝u
dcjiinj
＝u
ojioj
。将功率相除并基于串联拓扑电流相等的特性可得：
[0081][0082]
由式(15)可知，在输入电压保持均衡时，输出电压会因系统的串联特性自动均衡。至此，只需要保证各单元逆变器移相角满足式(14)所示的比例关系即可保证系统实现均压，从而可大大提高系统的可靠性。由此可知，当多单元系统采用第i个单元进行恒压控制时，其余单元移相角可表示为：
[0083]
且j≠i
ꢀꢀꢀ
(16)
[0084]
由于三角函数为保证αj在不同互感条件下均有解，需满足mi≥mj，因此需选取当前互感值最大的无线供电单元进行恒压控制(实际上，互感值最大的选取标准主要是由于移相控制只能在原有电压的基础上降压，若采用变压器或其他具有升降压功能的dc-dc装置进行电压变化，则不需一定选取互感值最大的无线供电单元进行恒压控制)。此外，在选择恒压控制器时为提高整体系统的鲁棒性选用h∞控制器进行稳压控制，最终形成了如图4所示的基于s-s型补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统输入均压及输出恒压协同控制策略。
[0085]
接下来，以两个无线供电单元如上述的串联形式组成的无线供电系统为例，进行协同控制策略的仿真验证，系统参数如表1所示。
[0086][0087]
表1输入串联-输出串联-2单元无线供电系统的仿真参数表
[0088]
未加控制的开环系统各单元输入电压如图7所示，由图7可以看出，在未加控制前，由于互感不一致使得各单元输入在启动阶段发生多次振荡，并且最终各单元稳态输入值产生明显差异，即系统产生电压不均衡现象，使得单元2输入电压远大于单元1，对单元2半导体器件产生了较强的电压电流应力，大大降低了系统的整体可靠性。
[0089]
加入输入均压及输出恒压控制后，两个单元组成的系统的直流输入电压与系统输出电压的仿真波形图如图8和图9所示。由图8和图9可以看出，加入闭环控制后，各无线供电单元的输入电压在启动阶段的短暂不平衡后均快速收敛至250v左右，此时由于互感不一致带来的电压不均衡问题得到了解决，并且系统的输出电压稳定在300v，验证了本发明提出的输入均压及输出恒压协同控制的有效性。
[0090]
本发明通过输入侧串联逆变器以及输出侧串联整流器的电路结构设计，从而减轻了单个无线供电单元的电压电流应力，避免了高电压输入对无线供电系统的逆变器产生的巨大冲击，同时，还可以使无线供电系统能够适应大功率高电压负载的供电需求。本发明提出的一种方法用于解决基于s-s型补偿网络的输入串联-输出串联-多单元无线供电系统在互感不一致条件下出现的输入输出电压不均衡问题以及整体系统的输出恒压控制问题，可实现系统在互感不一致条件下的输入均压与恒定输出的协同控制。通过对基本单元及整体系统的特性分析，获得了系统各单元输入输出电压不均衡与互感不一致的关系，用于进行系统协同控制的设计。通过将互感值最大的无线供电单元作为恒压控制单元，基于移相控制并利用h∞控制器实现电压闭环，稳定系统的输出；其他的无线供电单元进行均压协同控
制：依据各单元输入输出的电压比值与各单元互感比值的定量关系，基于移相控制实现了系统各单元的均压协同控制，大大提高了多单元无线供电系统的可靠性。
[0091]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
[0092]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0093]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。