軍港磁諧振式無(wú)線供電動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)分析

林古輝，張?bào)汨?，孫 軍，蔡 進(jìn)，仇雪穎

（1. 海軍后勤部軍事設(shè)施建設(shè)局，北京 100000；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

關(guān)鍵字：軍港供電 無(wú)線電能傳輸 磁諧振式 動(dòng)態(tài)調(diào)諧

0 引言

軍港環(huán)境具有高溫濕、高鹽霧、易腐蝕等特點(diǎn)，并且存在為水下設(shè)備供電等特殊應(yīng)用場(chǎng)景。在此環(huán)境下，傳統(tǒng)的導(dǎo)線供電方式有易產(chǎn)生插拔漏電、供電可靠性和隱蔽性差、裝備機(jī)動(dòng)性和靈活性受限等缺點(diǎn)。隨著電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)船等電驅(qū)動(dòng)設(shè)備在軍港中的應(yīng)用日益廣泛，如何改進(jìn)軍港電力系統(tǒng)的供電方式以適應(yīng)用電需求的發(fā)展成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

在此背景下，應(yīng)用無(wú)線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電引起了廣泛關(guān)注，它能夠擺脫導(dǎo)線的物理限制，在確保裝備供電效率的同時(shí)極大地提高隱蔽性和機(jī)動(dòng)性，具有靈活性、可靠性、安全性上的優(yōu)勢(shì)，因而有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

綜合考慮技術(shù)特點(diǎn)和成熟度，磁諧振式無(wú)線電能傳輸（Magnetic Resonance Wireless Power Transfer，MR-WPT）在軍港無(wú)線供電應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)。本文首先建立系統(tǒng)的互感電路模型，著眼于傳輸效率分析了系統(tǒng)的特性。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了MR-WPT系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧方法。最后結(jié)合軍港供電的特點(diǎn)和要求指出了當(dāng)前無(wú)線電能傳輸技術(shù)亟待解決的一些問(wèn)題。

1 磁諧振WPT系統(tǒng)分析

典型的MR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示，主要包括工頻電源、發(fā)射端功率變換器、發(fā)射端補(bǔ)償電路、耦合機(jī)構(gòu)、接收端補(bǔ)償電路、接收端功率變換器和負(fù)載幾部分。發(fā)射端功率變換器將工頻交流電源變換成高頻交流電，經(jīng)補(bǔ)償電路后輸送至耦合機(jī)構(gòu)；輸入耦合機(jī)構(gòu)發(fā)射線圈的高頻交流電在空間中感應(yīng)出高頻磁場(chǎng)，引起接收線圈的磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射端到接收端的電能傳輸；接收線圈的感應(yīng)電流流經(jīng)補(bǔ)償電路后輸入接收端功率變換器，變換成負(fù)載需要的能量形式加以利用；發(fā)射、接收端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠起到降低線圈阻抗、減小系統(tǒng)無(wú)功功率的作用。

目前，MR-WPT系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要有耦合模模型、互感模型和狀態(tài)空間模型等。考慮到其原理上最為直接，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，下面基于電路理論建立最為典型的兩線圈、SS補(bǔ)償系統(tǒng)的互感模型。

基于電路理論建立的系統(tǒng)等效電路如下圖 2所示，圖中 Us為電源電壓，RL為負(fù)載電阻，L1、L2分別為發(fā)射、接收線圈的自感，M為互感，C1、C2分別為發(fā)射端、接收端的補(bǔ)償電容，R1、R2分別為發(fā)射、接收線圈的內(nèi)阻。

圖2 系統(tǒng)等效電路

發(fā)射線圈和接收線圈的自阻抗Z1、Z2分別為

根據(jù)基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff Voltage Laws，KVL），列寫(xiě)回路的電壓方程，有

進(jìn)而可計(jì)算發(fā)射線圈的輸入功率 P1和負(fù)載上的輸出功率P2分別為

2 磁諧振式WPT動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)

對(duì) MR-WPT系統(tǒng)特性的分析多是基于諧振條件，而在軍港應(yīng)用中，由于高溫濕、高鹽霧、易腐蝕的特殊環(huán)境條件和水下無(wú)線供電等特殊應(yīng)用場(chǎng)景的存在，極易出現(xiàn)元件參數(shù)隨溫度變化、環(huán)境因素干擾以及變換器控制算法振蕩等現(xiàn)象，致使系統(tǒng)偏離諧振狀態(tài)，造成傳輸效率下降。為解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)值得予以關(guān)注。

動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)能夠維持系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，顯著提高系統(tǒng)傳輸效率和穩(wěn)定性，因此近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。綜合公式（5）和（6），不難發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)諧振的參數(shù)可以歸結(jié)為兩類(lèi)：（1）L1/ L2、C1/ C2、和RL等系統(tǒng)自身參數(shù)；（2）角頻率，即系統(tǒng)的工作頻率f ( f =2πω)。據(jù)此，動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)也可以從原理上分為頻率跟蹤和阻抗匹配兩類(lèi)，將二者相結(jié)合的復(fù)合控制也有相關(guān)研究。

2.1 頻率跟蹤

頻率跟蹤技術(shù)，又稱(chēng)調(diào)頻調(diào)諧技術(shù)，是指出現(xiàn)失諧或頻率分裂現(xiàn)象后，通過(guò)改變系統(tǒng)工作頻率從而使系統(tǒng)在新的工作點(diǎn)重新穩(wěn)定諧振。其優(yōu)點(diǎn)在于較容易實(shí)現(xiàn)，調(diào)諧迅速；缺點(diǎn)是調(diào)諧范圍有限，且無(wú)法到達(dá)理論上的最佳工作點(diǎn)。根據(jù)追蹤方式的不同，大致可分為三種技術(shù)路線：基于鎖相環(huán)、基于電路狀態(tài)和利用智能算法。

2.1.1 基于鎖相環(huán)的頻率跟蹤

鎖相環(huán)是一個(gè)能夠使輸出信號(hào)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)頻率和相位的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)如下圖3所示，核心部分主要包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過(guò)不同的技術(shù)手段構(gòu)造鎖相環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

圖3 鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[1]提出一種基于自適應(yīng) PI控制的可變模全數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，其中的自適應(yīng)控制器能夠根據(jù)頻率偏差的大小對(duì)環(huán)路濾波器的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，兼顧調(diào)節(jié)精度和速度。

2.1.2 基于電路狀態(tài)的頻率跟蹤

基于電路狀態(tài)的頻率跟蹤方式屬于間接控制，大多先通過(guò)推導(dǎo)將頻率漂移與電路中的一個(gè)或者幾個(gè)易測(cè)的物理量建立聯(lián)系，通過(guò)觀測(cè)這些易測(cè)得的物理量評(píng)估頻率調(diào)整的方向和大小，進(jìn)而進(jìn)行頻率跟蹤。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于最小電流比值的發(fā)射端頻率跟蹤方法，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)射線圈電流有效值與直流源輸出電流平均值，在控制器中計(jì)算電流比值并根據(jù)最小電流比原則，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率。

2.1.3 利用智能算法實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤

MR-WPT系統(tǒng)總存在大量非線性環(huán)節(jié)，屬于典型的非線性系統(tǒng)，建立其控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型比較困難。運(yùn)用一些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法能夠避開(kāi)建模環(huán)節(jié)，直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)到較好的效果。

文獻(xiàn)[3]就是利用爬山算法實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)諧，通過(guò)Δf和Δη的方向綜合判斷失諧后系統(tǒng)的工作點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[4]則使用了K最近鄰機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)推測(cè)線圈間的耦合系數(shù)，從而避免了海水環(huán)境下的雙端通信；并根據(jù)耦合系數(shù)計(jì)算最佳工作點(diǎn)，利用自適應(yīng)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 阻抗匹配

基于阻抗匹配思想的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)都是在失諧后對(duì)電路原本的結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以求達(dá)到諧振效果。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠從原理上達(dá)到最佳工作點(diǎn)，局限在于調(diào)諧速度相對(duì)較慢，且部分方法調(diào)諧范圍有限。根據(jù)調(diào)節(jié)的部位不同，該技術(shù)可以分為耦合器調(diào)整、負(fù)載調(diào)制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)葞追N方式。

2.2.1 耦合器調(diào)整

該方式作用于耦合機(jī)構(gòu)，即通過(guò)調(diào)整發(fā)射線圈和接收線圈的尺寸、距離等物理因素改變線圈之間的互感，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的效果。采用該方法的系統(tǒng)普遍存在調(diào)整非線性、范圍有限的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)了反射率S21(d)、互感M(d)，通過(guò)計(jì)算說(shuō)明只要消除 M(d)函數(shù)的極點(diǎn)就可以抑制頻率分裂現(xiàn)象，進(jìn)而通過(guò)“大發(fā)射、小接收”的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)線圈實(shí)現(xiàn)這一目的；文獻(xiàn)[6]則是設(shè)計(jì)了一套帶有四個(gè)不同尺寸的激勵(lì)線圈的四線圈WPT系統(tǒng)，通過(guò)不同尺寸線圈的接力式導(dǎo)通和調(diào)諧實(shí)現(xiàn)較大范圍的阻抗匹配。

2.2.2 負(fù)載調(diào)制

該方法作用于負(fù)載，其基本原理是通過(guò)特定的負(fù)載調(diào)制電路改變負(fù)載折算到發(fā)射端的反射阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這種調(diào)諧方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是引入的調(diào)制環(huán)節(jié)會(huì)在一定程度上降低系統(tǒng)效率。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)開(kāi)關(guān)控制負(fù)載周期性地與諧振電路分離，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)等效負(fù)載阻抗的目的，并且針對(duì)并聯(lián)和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)那闆r分別予以考慮；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種具有電壓閉環(huán)控制的 DC/DC負(fù)載調(diào)制電路，并通過(guò)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大效率追蹤，使等效負(fù)載始終為最優(yōu)負(fù)載值。

2.2.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

該方法作用于系統(tǒng)的補(bǔ)償電路，其基本原理是根據(jù)電路參數(shù)的變化實(shí)時(shí)改變補(bǔ)償電路的組成或結(jié)構(gòu)從而改變補(bǔ)償參數(shù)，使其滿(mǎn)足阻抗匹配的條件，有可調(diào)電感、可調(diào)電容和特殊補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等多種實(shí)現(xiàn)方法。

文獻(xiàn)[9]介紹了回轉(zhuǎn)器這種非互易元件并且將之作為可調(diào)電感引入電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)器的開(kāi)關(guān)控制改變其等效電感以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；文獻(xiàn)[10]計(jì)算了負(fù)載輸出功率與輸入阻抗的定量關(guān)系，指出輸入阻抗是影響負(fù)載接收功率的決定因素，并且利用固定電感和可調(diào)電容共同組成反 Γ型補(bǔ)償拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)阻抗匹配；文獻(xiàn)[11]將熱力學(xué)中熵的概念引入MR-WPT系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功率流的分解將整個(gè)系統(tǒng)視為四個(gè)電源的疊加與互動(dòng)，在此基礎(chǔ)上在發(fā)射端使用共軛補(bǔ)償線圈構(gòu)成虛擬三線圈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2.3 復(fù)合控制

所謂復(fù)合控制就是將頻率跟蹤和阻抗匹配的調(diào)諧方法綜合應(yīng)用到同一套系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)單一調(diào)諧方案難以做到的調(diào)諧范圍和響應(yīng)速度，但是控制較為復(fù)雜。

文獻(xiàn)[12]建立系統(tǒng)諧振頻率和阻抗角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將動(dòng)態(tài)補(bǔ)償大范圍粗調(diào)和頻率跟蹤小范圍精確控制相結(jié)合，減少了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)諧匹配電容個(gè)數(shù)，同時(shí)降低了頻率跟蹤系統(tǒng)PI鎖相環(huán)參數(shù)整定的難度；文獻(xiàn)[13]用頻率跟蹤調(diào)諧接收線圈用以提高效率，利用阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧發(fā)射線圈用以提高系統(tǒng)功率，并確定了“先跟蹤后補(bǔ)償”的原則，確保了系統(tǒng)的功效一致性。

3 軍港應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題

雖然無(wú)線電能傳輸技術(shù)在軍港建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，但是目前絕大多數(shù)研究?jī)H僅立足于日常應(yīng)用場(chǎng)景，缺少相關(guān)的針對(duì)性探索。本章從MR-WPT系統(tǒng)本身特性出發(fā)，結(jié)合軍港應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)條件和需求，指出目前無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究亟待解決的幾個(gè)問(wèn)題。

3.1 耦合器對(duì)接問(wèn)題

MR-WPT系統(tǒng)本質(zhì)上是通過(guò)發(fā)射線圈與接收線圈之間的電磁耦合進(jìn)行能量傳輸，耦合機(jī)構(gòu)是發(fā)生能量交換的核心部分，線圈之間的空間位置關(guān)系對(duì)能量傳輸?shù)墓β?、效率有至關(guān)重要的影響。目前，耦合機(jī)構(gòu)相關(guān)方向的研究大多關(guān)注通過(guò)對(duì)線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、應(yīng)用新型材料等方式來(lái)提高耦合機(jī)構(gòu)的抗偏移性，對(duì)耦合機(jī)構(gòu)對(duì)接方式本身的研究存在欠缺。但在現(xiàn)代化軍港建設(shè)，尤其是水下移動(dòng)裝備無(wú)線供電的應(yīng)用場(chǎng)景中，由于存在洋流、潮汐等外力作用和可視性因素，傳統(tǒng)的人工對(duì)接方式操作起來(lái)存在一定困難。在此背景下，如何進(jìn)行耦合機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)接是亟待解決的問(wèn)題之一。

3.2 海水環(huán)境下WPT系統(tǒng)模型的修正

系統(tǒng)模型是對(duì) WPT系統(tǒng)機(jī)理的概括凝練，建立準(zhǔn)確、合理的系統(tǒng)模型是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制和深度優(yōu)化的基礎(chǔ)。目前，研究較為充分的WPT系統(tǒng)模型主要有互感電路模型、耦合模模型和狀態(tài)空間模型等，并且這些模型中默認(rèn)磁場(chǎng)傳輸介質(zhì)大多為空氣，對(duì)于在軍港應(yīng)用中極為重要的水下 WPT系統(tǒng)關(guān)注較少[14]。由于海水有著高電導(dǎo)率等不同于空氣的電磁特性，WPT系統(tǒng)在海水環(huán)境中的耦合特性和能量流與空氣環(huán)境存在差異，因此有必要對(duì)海水環(huán)境下的 WPT系統(tǒng)模型進(jìn)行修正。

3.3 大功率WPT系統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)

隨著裝備電氣化程度日漸提高和 WPT技術(shù)研究不斷深入，高效率、大功率的 WPT系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)[15]。高功率等級(jí)必然伴隨著高電壓、大電流，會(huì)導(dǎo)致參數(shù)提取出現(xiàn)噪聲和器件特性發(fā)生變化；高頻化也是提高系統(tǒng)功率的技術(shù)手段之一，但是高頻化容易放大器件寄生參數(shù)的影響；SiC、GaN等新型寬禁帶半導(dǎo)體功率器件在大功率 WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，但是其特性表現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步探索。所有這些因素都會(huì)給大功率 WPT系統(tǒng)的調(diào)諧帶來(lái)新的問(wèn)題，值得投入精力進(jìn)行研究。

4 總結(jié)

本文從軍港供電環(huán)境和供電需求的特殊性出發(fā)，闡述了磁諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于軍港供電的優(yōu)勢(shì)。基于電路理論建立了系統(tǒng)的互感模型，分析了影響其傳輸效率兩類(lèi)因素。接著在說(shuō)明動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)對(duì)于軍港無(wú)線供電重要性之后，系統(tǒng)整理了動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)的三種技術(shù)路線：

1）調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作頻率的頻率跟蹤技術(shù)，包括基于鎖相環(huán)、基于電路狀態(tài)和利用智能算法三種實(shí)現(xiàn)方式；

2）直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的阻抗匹配技術(shù)，包括耦合器調(diào)整、負(fù)載調(diào)制和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償三種實(shí)現(xiàn)方式；

3）將頻率跟蹤和阻抗匹配相結(jié)合的復(fù)合控制技術(shù)。

最后從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了耦合器對(duì)接、海水環(huán)境下 WPT系統(tǒng)模型修正、大功率WPT系統(tǒng)調(diào)諧以及無(wú)線供電對(duì)原有供電系統(tǒng)的影響等幾個(gè)亟待解決的問(wèn)題。