LC移相補(bǔ)償在無線傳能系統(tǒng)性能提升中的應(yīng)用

程虹，王寧，代韜，趙貫超

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南曲靖655000；2.中鐵通信信號勘測設(shè)計院，北京100070）

0前言

無線電能傳輸技術(shù)（W ireless Power Transm ission，簡稱WPT）因其無電纜、無機(jī)械連接的優(yōu)點，避免了因機(jī)械摩擦、電火花引起的故障。無線功率傳輸最早在十九世紀(jì)初Tesla 進(jìn)行了實驗[1]，麻省理工學(xué)院Marin Solijacic的研究團(tuán)隊基于強(qiáng)耦合的共振能量傳輸系統(tǒng)從兩米外點亮了60W 的燈泡，且傳輸效率達(dá)到40%左右[2]。國內(nèi)中科院電工所武瑛教授、浙江大學(xué)馬皓教授、重慶大學(xué)孫躍教授等對非接觸供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償方法以及電路建模分析做了很多研究[3-5]；天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授在磁共振模式的無線電能傳輸技術(shù)上、空間電磁場的理論分析和優(yōu)化方面進(jìn)行了深入研究[6]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授、東南大學(xué)黃學(xué)良教授等在電動汽車以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究中取得了多項科研成果[7-8]；西安交通大學(xué)卓放教授在無線電能傳輸頻率分叉和可分離變壓器接收功率控制方面進(jìn)行研究[9]。無線傳能的效率及功率提升一直是近幾年科研工作者的主要目標(biāo)。王廣柱研究了雙重移相控制的回流功率優(yōu)化問題，并提到可以增加系統(tǒng)功率容量[10]；王輝提到了雙重移相控制在微網(wǎng)儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用，并得出了可以增加系統(tǒng)工作效率的結(jié)論[11]；趙彪通過理論分析和實驗比較了雙移相控制和單移相控制方法的優(yōu)劣[12]。利用移相控制在LC諧振式無線電能傳輸電路中提高傳輸效率值得研究，文中主要對LC 諧振式無線電能傳輸中逆變電源采用移相控制，以探討傳輸功率提升效果。

1 無線傳能電路中的移相控制基本原理

1.1移相控制基本原理

無線電能傳輸系統(tǒng)在接收線圈側(cè)采用主動控制開關(guān)代替整流二極管，而且接收線圈控制開關(guān)與發(fā)射線圈側(cè)的控制開關(guān)同頻率，保持控制開關(guān)間存在相位差，利用發(fā)射端和接收端的相位差進(jìn)行輸出功率調(diào)整和動態(tài)補(bǔ)償[13-14]，電路拓?fù)淙鐖D1所示。如圖，發(fā)射端側(cè)的開關(guān)Q1、Q2與串聯(lián)電容和電感組成半橋驅(qū)動電路，開關(guān)管并聯(lián)續(xù)流二極管D1、D 2和緩沖電容C3、C4，接收端側(cè)的開關(guān)Q3、Q4和續(xù)流二極管D 3、D4和緩沖電容C7、C8組成主控整流，與C9、C10構(gòu)成倍壓整流，C11為穩(wěn)壓電容。

圖1移相控制補(bǔ)償電路

1.2移相控制無線電能傳輸電路等效模型

根據(jù)無線電能傳輸電路的不同拓?fù)湫问?，可以將電路在移相控制時等效為電感模型和LC模型。

1）等效電感模型

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射線圈端等效為一電壓源U1=i2jωM，接收線圈端等效為一電壓源，U2=i1jωM若將線圈間的互感和漏感整體等效為一電感L電路原理圖如圖2，等效電路為圖3，其中發(fā)射線圈自感L_1、接收線圈自感L_2、線圈間漏感統(tǒng)一等效為一電感L_s。

兩等效電壓源頻率相同，相位不同，通過控制相位角即可實現(xiàn)控制能量的流動方向和無功功率的大小[16]。

圖2移相控制方式的原理圖

其中，Vin為電源輸入電壓，V0為負(fù)載端電壓，ip為電感Ls電流，V1為發(fā)射端上橋臂并聯(lián)電容電壓，V2為發(fā)射端下橋臂并聯(lián)電容電壓，V3為接收端上橋臂并聯(lián)電容電壓，V4為接收端下橋臂并聯(lián)電容電壓，將移相工作的一周期分為0,φ1、φ1,π、π,φ2、φ2，2π四個區(qū)間，相位差為Δφ=φ1。

圖3等效電感移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D

則在一個周期內(nèi)相位差與輸出功率如表1所示。

表1相位差與輸出功率

圖4 LC移相控制方式的原理圖

2）等效LC 模型

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，若采用LC諧振拓?fù)洌瑒t須考慮諧振電容在等效模型中的作用，由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感遠(yuǎn)大于其等效漏感，可以將等效漏感忽略，LC諧振拓?fù)涞乃神詈献儔浩鱐 等效模型簡化圖如圖4 所示，為簡化分析，發(fā)射端和接收端均采用相同結(jié)構(gòu)并使用同頻方波驅(qū)動，驅(qū)動頻率為ωs，LC移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐啡鐖D5所示。

圖5 LC移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D

其電路模型為：

其中，發(fā)射端和接收端等效阻抗為：

諧振頻率定義為：

接收線圈端的復(fù)功率為：

a.當(dāng)ωs<ωx，電路呈容性，接收線圈端的有功功率為：

當(dāng)移相角φ<0時，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)時，傳送有功功率為最大值為：

b.當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，有ωs=ωx，電路呈阻性，接收線圈端的有功功率為：

由于系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，cosφ≈1，上式可化簡為：

當(dāng)VCi>VC0時，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)移相角φ=0時，傳送有功功率為最大值為：

c.當(dāng)ωs>ωx，電路呈感性，接收線圈端的有功功率為：

當(dāng)移相角φ>0時，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)時，傳送有功功率為最大值。

當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率確定后，可以依照系統(tǒng)工作狀態(tài)計算出需要補(bǔ)償?shù)囊葡嘟?，對無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行輸出功率控制。

2系統(tǒng)仿真分析

2.1電路仿真

在MATLAB/Simulink 仿真平臺搭建半橋移相控制電路仿真模型，采用等效LC模型分析，電路參數(shù)如表2所示，發(fā)射端電路參數(shù)與接收端電路參數(shù)相同，采用PI 控制調(diào)相角度，達(dá)到輸出電壓幅值穩(wěn)定。

表2 LC諧振移相電路仿真參數(shù)

對于不同的目標(biāo)電壓值，仿真結(jié)果如圖6所示。其中紅色波形為接收端目標(biāo)電壓值，黑色波形為發(fā)射端電壓值。系統(tǒng)諧振頻率為55 kHz，當(dāng)工作頻率為40 kHz 時，電路呈容性，當(dāng)移相角φ>0時，發(fā)射端向接收端傳送功率，在移相角為0至π/2的區(qū)間內(nèi)，傳送功率隨相位差的增大而增大，當(dāng)φ=π/2時，接收端電壓為最大值100 V。

2.2磁場仿真

對移相控制電路的線圈間磁場進(jìn)行仿真，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定后，改變移相角度從0，系統(tǒng)從容性區(qū)過渡到感性區(qū)，由于接收線圈端直連接負(fù)載，在忽略電容儲能的條件下，屬于能量消耗而無能量儲備，設(shè)定系統(tǒng)能量的傳輸從發(fā)射線圈端流向接收線圈端，無能量反向流動，對系統(tǒng)改變移相角度從0進(jìn)行線圈間磁場仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6移相控制的仿真結(jié)果

圖7移相角變化時磁場流線圖

從圖中可看出，線圈間的耦合磁場強(qiáng)度隨移相角的遞增而增加，線圈的磁感應(yīng)電流也會隨之增加，傳遞能量增強(qiáng)，可以從空間磁場的角度理解為：在移相角從0到π/2區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)在接收線圈端產(chǎn)生容性電流，增加了線圈間的耦合系數(shù)，在容性電流的作用下，接收線圈產(chǎn)生了拉伸耦合磁場的作用，圖中的線圈中心部分的磁場流線密度有相對明顯的變化，耦合磁場的增強(qiáng)會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸能量提高、傳輸距離的增加、電源的利用率提高。

3實驗分析

為驗證移相控制在無線電能傳輸中的作用，在實際中搭建了移相控制實驗臺。實驗裝置由直流電源、移相控制器、發(fā)射線圈、接收線圈、整流控制器、滑動變阻器負(fù)載構(gòu)成。移相控制試驗參數(shù)如表3所示。

表3移相控制試驗參數(shù)

調(diào)整頻率使系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)，改變發(fā)射端和接收端的相位角，試驗波形如圖8所示，其中示波器通道1 為發(fā)射端半橋驅(qū)動電壓波形，示波器通道2為發(fā)射端線圈電流波形，示波器通道3為接收端半橋驅(qū)動電壓波形，示波器通道4為接收端線圈電流波形。

實驗結(jié)果分析：經(jīng)測試，系統(tǒng)諧振工作點頻率為28.8 kHz，當(dāng)系統(tǒng)工作在28.4 kHz 時，電路呈感性，當(dāng)改變發(fā)射端半橋驅(qū)動和接收端半橋驅(qū)動的相位時，接收端功率發(fā)生改變，當(dāng)在區(qū)間（0-π/2）時，增加移相角度，接收端功率增加，當(dāng)移相角度為π/2 時，接收端功率達(dá)到最大，在區(qū)間（π/2-π）時，增加移相角度，接收端功率減小，當(dāng)移相角度為π 時，接收端功率降為最低，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語

由于無線電能傳輸?shù)膬?yōu)點較多，特別是在特殊的應(yīng)用場合，因而無線電能傳輸很有研究意義，但由于無線電能傳輸?shù)膫鬏斝始肮β实南拗疲蛊浒l(fā)展緩慢。本文從電源側(cè)研究提高無線電能傳輸功率的方法，采用雙移相控制方式，通過改變移相角來提高無線電能傳輸功率，并通過仿真和實驗驗證了其可行性。由仿真和實驗的結(jié)論可知，當(dāng)移相角在（0-π/2）變化時，傳輸功率逐漸增大，在π/2 時達(dá)到最大值；當(dāng)移相角在（π/2-π）時，傳輸功率逐漸減小。因而在無線電能傳輸應(yīng)用中可以利用移相控制方式增加傳輸功率。