一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法
【专利摘要】一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，属于电力工程领域。该方法根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路，初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段，在该频段范围内，测量发射特斯拉线圈在不同频率下的输入阻抗模，根据测量结果，以得到输入阻抗模极小值为目标，逐步减小测量频段带宽，当带宽精度满足要求时，即可确定单线电能传输系统的最佳工作频率。系统工作条件变化时，在原有最佳工作频率附近重新测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，按照上述减小测量频段带宽的方法，即可确定偏移后的最佳工作频率。这种方法可以快速准确地确定单线电能传输系统的最佳工作频率。
【专利说明】
一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法
技术领域
[0001] 本发明提出了一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，属于电力工 程领域。
【背景技术】
[0002] 单线电能传输系统，即只用一根导线连接发射装置和接收装置，在不构成回路的 情况下，实现电能的传输，当这根导线采用大地等自然介质代替时，即可以实现广义的"无 线"电能传输，它可以解决有线电能传输技术和无线电能传输技术目前无法解决，或解决起 来较为困难的问题，有望为海上孤岛和边远山区这样难以架设输电线路的地区供电。
[0003] 在单线电能传输系统中，负载获取功率的多少受工作频率影响显著，一般认为负 载可以获得最大功率时对应的工作频率为系统最佳工作频率。目前并没有相关文献可以详 细解释单线电能传输系统的工作原理，因此，很少有学者研究单线电能传输系统，也没有人 提出一种确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法。此外，就已经确定最佳工作频率的 系统而言，当系统的工作条件发生变化，如传输距离变化，或者与接收装置相连的负载改变 时，系统的最佳工作频率较变化前会发生一定偏移，若系统仍工作于变化前的频率，会使负 载无法获得最大功率。
[0004] 由此可见，为确定单线电能传输系统的最佳工作频率，解决系统工作条件改变造 成的最佳工作频率偏移问题，需要提出研究一种自动确定单线电能传输系统工作频率的方 法。
【发明内容】
[0005] 本发明的内容是，根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路，初步确定单线电能 传输系统最佳工作频率所在频段，在该频段范围内，测量发射特斯拉线圈在不同频率下的 输入阻抗模，根据测量结果，以得到输入阻抗模极小值为目标，逐步减小测量频段带宽，当 带宽精度满足要求时，即可确定单线电能传输系统的最佳工作频率。系统工作条件变化时， 在原有最佳工作频率附近重新测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，按照上述减小测量频段 带宽的方法，即可确定偏移后的最佳工作频率。这种方法可以快速准确地确定单线电能传 输系统的最佳工作频率。
[0006] 本发明采取的技术方案是：
[0007] 首先，初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段，具体方法为:根据发射 特斯拉线圈次级LC并联等效电路模型，计算得到LC并联电路的谐振频率f r，根据谐振频率 初步确定系统最佳工作频率所在频段为。
[0008]其次，以得到输入阻抗模极小值为目标，测量发射特斯拉线圈在频段 内不同频率下的输入阻抗模，初始测量步进值./== 0.02/，若测量过程中三个连续测量 频率fi-对应的输入阻抗模| Zi-i |、| Zi |、| Zi+11满足| Zd |多| Zi | < | Zi+11，则可以确 定最佳工作频率所在频段为[/;(2)，./;2)]，其中，，新频段带宽为 9广⑴ A,step。
[0009] 然后，测量步进值减小为原来的
，重复上述步骤，得到最佳工 作频率所在频段为继续按上述规律减小步进值，直到测量精度满足设计要求， 最终得到的频段为，系统的最佳工作频_
[0010] 最后，周期性地测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，测量周期
若连续三 次测量得到阻抗模的平均值相比之前偏差超过10%，说明系统最佳工作频率发生偏移，需 要重新确定系统最佳工作频率，初始频段由原最佳工作频率fc>p确定，测量步进值 /i^o.oos/#，余下步骤同上。
[0011] 本发明可以自动确定单线电能传输系统的最佳工作频率，解决系统工作条件改变 造成的最佳工作频率偏移问题。测量方法简单，根据发射特斯拉线圈输入阻抗模的大小即 可确定系统最佳工作频率，无需复杂的理论分析。
【附图说明】
[0012] 图1是单线电能传输系统框图。
[0013] 图2是发射特斯拉线圈等效电路模型。
[0014] 图3是DSP控制器程序流程图。 具体实施方案
[0015] 下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
[0016] 如图1是单线电能传输系统框图，包括工频电源、整流电路、逆变电路、电压电流传 感器、有效值转换电路、DSP控制器、驱动电路、发射特斯拉线圈、接收特斯拉线圈和负载。工 频电源为系统提供能量。整流电路、逆变电路为发射特斯拉线圈提供高频交流电。发射、接 收特斯拉线圈是两个结构类似的特斯拉线圈，具有相同的谐振频率，二者之间采用单根导 线连接。电压电流传感器用于测量发射特斯拉线圈的输入电压和输入电流，其输出的交流 电压信号经有效值转换电路变为两个直流电压信号，分别代表输入电压有效值和输入电流 有效值。DSP控制器的AD模块采集这两个直流电压信号并做除法运算，即可得到发射特斯拉 线圈的输入阻抗模。DSP控制器输出的PWM信号经驱动电路放大后控制逆变电路的工作频 率。
[0017] 图2是发射特斯拉线圈等效电路模型，其中LP为发射特斯拉线圈的初级线圈等效 电感，初级线圈两端与逆变电路的输出连接。Ls为次级线圈等效电感，已知次级线圈的设计 参数:平面螺旋状线圈结构、线圈匝数为N、线圈内直径为Di、用于绕制线圈的导线直径为w、 每匝线圈间的匝间距为s，则等效电感Ls计算公式为 (1) 〇Cs为发射特斯拉线圈顶端导体球的等效电容，其计算公
式为
[0020] Cs = 43ie〇R (2)
[0021] 其中R为导体球的半径。
[0022] 由等效电路模型可知，特斯拉线圈次级的等效电路是LC并联电路，其谐振频率为
(3)
[0024] 谐振频率fr与单线电能传输系统的最佳工作频率的偏差一般不会超过0.3fr，因 此，根据f r可以初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段为，其中， /f) =0.7/:，/f = 1.3/r。
[0025] 图3是DSP控制器的程序流程图。首先，根据特斯拉线圈的次级等效电路，可以初步 确定系统最佳工作频率所在频段为[./；⑴，/丨 1^。
[0026] 其次，以得到输入阻抗模极小值为目标，测量系统在频段内不同频率 下发射特斯拉线圈的输入阻抗模，初始测量步进值/jg = 〇.〇2尤。按照给定的步进值，在测 量频段内改变DSP控制器输出PWM信号的频率，每输出一个特定频率的PWM信号后，读取三次 发射特斯拉线圈输入电压、电流有效值，分别取平均值并做除法后即可得到发射特斯拉线 圈的输入阻抗模，设三个连续测量频率fV(满足_/：:二尤! +/以，儿! =/ +/=) 对应的输入阻抗模分别为I Zi-11、I Zi I、I Zi+11，若三个输入阻抗模满足条件I Zi-11彡I Zi I < I 21+1|，则可以确定最佳工作频率所在频段为[/'1(2)，/丨 2)]，其中，/丨2) = _/；_1，/；<12)二/；+1，新 频段带宽为2/s=。
[0027] 然后，测量步进值减小为原来的
重复上述步骤，得到最佳工 作频率所在频段为|~/(3), ，继续减小步进值，直到测量精度满足设计要求，最终得到的 频段为.，系统的最佳工作频率.
[0028] 最后，由于单线电能传输系统的某些工作条件改变(如传输距离改变或负载突变)会使 最佳工作频率发生偏移，为保证这种情况发生时系统可以工作在新的最佳工作频率下，需要周 期性地测量发射特斯拉线圈输入阻抗模，测量周期
，若连续三次测量得到阻抗模的 平均值较之前偏差超过10%，说明系统最佳工作频率发生偏移，需要重新确定，初始频段的 确定与之前不同，因为已知变化发生前系统的最佳工作频率f〇P，所以使用f〇P确定初始频段 而非使用f r。如前所述，工作条件变化会使最佳工作频率发生偏移，这种偏移一般不会超过 0.05^，因此，确定初始测量频段为[/；(1)，/；:1)]，其中，/ 1<1)=0.95/。11，/1；"=1.05/。 11,测量 步进值/:：： = ().()()5/:>p，余下步骤同上。
【主权项】
1. 一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，其特征在于， (1) 初步确定最佳工作频率所在频段与测量步进值 根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路模型，由式（1)计算发射特斯拉线圈的谐振 频率(1) 式中，Ls为次级线圈等效电感，CS为发射特斯拉线圈顶端导体球的等效电容;利用fr初 步确定系统最佳工作频率所在频段为]，其中(2) 缩小测量频段与测量步进值以确定最佳工作频率 以得到输入阻抗模极小值为目标，测量系统在频段内不同频率下发射特斯 拉线圈的输入阻抗模，初始测量步进值^;按照给定的步进值，测量发射特斯拉 线圈的输入阻抗模，设三个连续测量频率fi-I、fi、fi+1对应的输入阻抗模分别为I Zi-i |、| Zi |、 z1+11，若三个输入阻抗模满足条件|z;_j gzpl 4丨，则确定最佳工作频率所在频段为 ^ , 新频段带宽为2/s^;测量步进值减小为原来K，重复上述步骤，得到最佳工作频率所在 频段为u Iu ^继续减小步进值，直到测量精度满足设计要求，最终得到的频段为，系统的最佳工作频率(3) 判断最佳工作频率是否发生偏移，若偏移，自动确定新最佳工作频率周期性地测量 发射特斯拉线圈输入阻抗模，测量周期，若连续三次测量得到阻抗模的平均值相比 之前偏差超过10%，说明系统最佳工作频率发生偏移，需要重新确定； 初始频段的确定使用匕^角定初始频段而非使用fr，初始测量频段为其中，,，测量步进值，余下的步骤（2)和（3)与前 述相同。
【文档编号】H02J3/00GK105958477SQ201610317912
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】张泽然, 陈希有, 杨杰, 陈建辉
【申请人】大连理工大学