基于無線充電技術(shù)的船舶岸電系統(tǒng)研究

左萍萍，陸兆鈉，葉凱，王焱

（南通理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇南通，226000）

0 引言

大型船舶靠岸時，通常采用柴油與重油等高污染性燃料為船舶輔機提供動力從而發(fā)電，供給船員日常生活與船上設(shè)備使用。船舶岸電技術(shù)則在船舶靠岸時通過岸上供電系統(tǒng)為船舶供電，減少燃油發(fā)電產(chǎn)生的污染，保護港口的生態(tài)環(huán)境。但現(xiàn)有船舶岸電系統(tǒng)采用有線傳輸，需要人工連接，效率不高，并且插頭暴露在港口潮濕的環(huán)境中也存在安全隱患。無線充電技術(shù)可以有效解決人工連接與插頭裸露的問題，因此對于船舶岸電技術(shù)的升級具有重要研究意義。高吉林[1]研究無線充電技術(shù)時采用獨立式充電系統(tǒng)，提出了基于副邊PWM 整流補償控制方法，并對補償控制方法工作原理進行了分析并進行建模仿真，但方案中使用功率元器件多，系統(tǒng)成本較高。謝玉磊[2]設(shè)計了相互隔離的發(fā)送端和接收端的多負載無線恒流充電系統(tǒng)并且主要分析了系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)特性。高潔等人[3-4]對純電動船的充電方式進行了分析并設(shè)計了一套針對小型氣墊船的無線充電系統(tǒng)，但缺少實驗驗證環(huán)節(jié)。

本文將無線充電技術(shù)應(yīng)用到船舶岸電系統(tǒng)中進行研究，從發(fā)射模塊、接收模塊等方面并結(jié)合實際情況進行改進優(yōu)化，為船舶岸電系統(tǒng)的發(fā)展提供建議。

1 無線輸電技術(shù)原理及仿真分析

本文將發(fā)射模塊和接收模塊通過兩相線圈相連，實現(xiàn)對船舶的無線輸電功能。采用兩線圈結(jié)構(gòu)的電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)是依據(jù)無線充電技術(shù)的現(xiàn)狀以及船舶自身的特點，即借助一對線圈即電源線圈和負載線圈來輸送電能，構(gòu)成電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)。在發(fā)射模塊中選擇了SP耦合補償拓撲結(jié)構(gòu)、全橋拓撲結(jié)構(gòu)以及單相橋式整流電路保證了在一定范圍的距離內(nèi)，傳輸功率穩(wěn)定。在接受模塊中不僅有傳統(tǒng)的船載電池供電系統(tǒng)而且還根據(jù)船舶靠岸后需要保證正常生產(chǎn)生活的實際情況，設(shè)計了三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系

統(tǒng)主要由SVPWM信號模塊、三相與兩相轉(zhuǎn)換模塊、兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換模塊以及磁鏈和相位角計算模塊等構(gòu)成，通過矢量控制技術(shù)實現(xiàn)了對系統(tǒng)轉(zhuǎn)數(shù)的控制[5]。并且實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速根據(jù)實際情況智能調(diào)節(jié)的效果，這樣可減少系統(tǒng)能耗和降低系統(tǒng)功耗的效果，進一步節(jié)約成本。

1.1 發(fā)射模塊和整流電路模塊

電能傳輸過程中采用感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)姆桨?，電磁感?yīng)式無線電傳輸電路組合有多種結(jié)構(gòu)，其中SP拓撲結(jié)構(gòu)是較為適合的無線電能傳輸裝置，可以在確保高耦合傳輸功率的同時還能確保原邊諧振回路中的電流值穩(wěn)定在較小的數(shù)值內(nèi)。但SP線圈的輸入電壓不能太高且要求是一定頻率的交流電壓，因此需加入全橋拓撲結(jié)構(gòu)的高頻逆變電路可以解決該問題。并且該電路要比半橋逆變器的開關(guān)電流減小半數(shù)以上，更符合在大功率情況下使用條件，適合在船舶的無線輸電過程中采用。當變壓器轉(zhuǎn)換輸出交流電之后，還需要將電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，因此本文采用單相橋式整流電路[6]，可以保證穩(wěn)定供電。發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)

在MATLAB仿真中，搭建發(fā)射模塊和整流電路模塊，發(fā)射模塊簡單用電流源示意，無線輸電部分的線圈在仿真中用變壓器來替代。

1.2 接收模塊

(1)船舶負載電池

關(guān)于內(nèi)置在船舶的負載電池，參考目前市面上相關(guān)電池的種類及特點，結(jié)合船舶具體情況，選擇了三元鋰電池作為負載電池，因其在容量與安全性等方面都具有較好的優(yōu)點。

(2)三相異步電動機性能

根據(jù)矢量調(diào)速的原理可以得到，三相異步電機是通過改變坐標從而達到控制轉(zhuǎn)矩與磁鏈大小實現(xiàn)矢量控制，最后通過逆變電路實現(xiàn)輸出進而控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。本文中使用MATLAB軟件進行仿真，為了驅(qū)動逆變電路運行，搭建了SVPWM模塊產(chǎn)生PWM波形實現(xiàn)該功能，使三相異步電機運轉(zhuǎn)從而讀取數(shù)據(jù)，研究其特性。

(3)矢量坐標變換

矢量坐標變換為了獲得合適的磁鏈大小和轉(zhuǎn)矩需要對兩軸坐標系下的直流電流進行修正來實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制。

①三相靜止向兩相靜止變換模塊仿真。建立三相電壓的3s/2s變換的仿真模型，輸入端連接需要變換的三相信號，在仿真中把這三相信號合并到一根線中，如圖2中的labc；輸出端輸出兩相靜止信號，并把這兩路信號合到一根線中去，如圖2中的lab。

圖2 三相靜止向兩相靜止變換仿真

②兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換模塊仿真。建立兩相電壓的2s/2r變換的仿真模型如圖3所示，輸入端連接需要變換的兩相信號，輸出端輸出兩相旋轉(zhuǎn)信號。

圖3 兩相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)變換仿真

③磁鏈和相位角計算模塊。磁鏈和相位角的計算公式分別如式（1）和式（2）所示。該模塊的仿真圖如圖4所示。

圖4 磁鏈與相位角計算模塊仿真

(4)三相異步電動機的SVPWM仿真

根據(jù)SVPWM矢量控制原理，SVPWM調(diào)制技術(shù)可通過確定扇區(qū)號和相鄰電壓矢量的作用時間以及計算時間切換點和比較器裝載值來實現(xiàn)。因此為了實現(xiàn)驅(qū)動逆變電路的效果，在建立三相異步電動機的SVPWM仿真模型時，先使用將生成兩相靜止坐標系里的電壓信號，這是由三相電壓信號在3s/2s轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的。當該信號進入SVPWM模型中之后，便會生成6路的PWM波形，用于驅(qū)動逆變電路的工作。

本文在MATLAB中分別構(gòu)建發(fā)射模塊、無線輸電及包含三相交流異步電機SVPWM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的接收模塊的系統(tǒng)框圖并連接組成無線充電系統(tǒng)進行模擬仿真。仿真整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)構(gòu)圖 （注:由于顯示比例，仿真局部細節(jié)未顯示）

1.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6是當接收端為電池充電時，負載的電壓波形與時間的關(guān)系曲線，可以看出本文使用SP補償拓撲結(jié)構(gòu)、全橋拓撲結(jié)構(gòu)與單向橋式整流電路，可以有效穩(wěn)定的輸出電能，接收端負載電壓峰值約為5V并且保持穩(wěn)定，可以持續(xù)的為負載進行充電，滿足實際應(yīng)用需求。

圖6 充電負載電壓波形

圖7

接收端三相異步電機仿真結(jié)果如圖7所示。其中圖7(a)(b)(c)分別是電動機的三相電流，輸出轉(zhuǎn)矩和電子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。從圖7(a)中可以看出，當電機啟動的時候，因為轉(zhuǎn)矩較大，所以需要的啟動電流也是較大的。在運行過程中，負載與電流關(guān)系相匹配，也就是空載速度穩(wěn)定時，電流也穩(wěn)定并且數(shù)值相對較小，等到負載接入電路，電流則會產(chǎn)生波動并且數(shù)值增加。圖7(b)所示的電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，因為空載時不需要對外輸出，所以轉(zhuǎn)矩的數(shù)值接近于0，在0.1s時，加上30N.m負載運行，那么三相異步電動機此時的轉(zhuǎn)矩也是在數(shù)值30N.m左右進行波動。圖7(c)為電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，通過矢量調(diào)速模塊，在0.1s后便達到了800r/min，經(jīng)過1.5s后，轉(zhuǎn)速降到600r/min，可以根據(jù)實際情況智能調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足實際需求的同時可以減少能量消耗，進行低功耗運轉(zhuǎn)，達到節(jié)能減排的效果。

2 實驗驗證

為進一步驗證模型的有效性，搭建了包含無線充電發(fā)射模塊的船舶岸電系統(tǒng)平臺和包含無線充電接收模塊的船舶模型進行實驗，檢測無線充電效率以及穩(wěn)定性并判斷訓(xùn)練模型是否能有效的進行無線充電。

為了保證安全，實驗中無線充電發(fā)射模塊的輸入電源電壓設(shè)定為DC9.0V，工作頻率范圍是100~205kHz，最大的輸入電流為2.0A，輸出最大功率為10W?？紤]到設(shè)備安裝空間的需要，船舶模型選擇了按照1:275比例進行制作使得船身整體比例合適。經(jīng)過多次反復(fù)實驗測試，將實驗結(jié)果數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 距離與功率實測數(shù)據(jù)

圖8 距離功率曲線

從表1距離功率實測數(shù)據(jù)可看出在距離13mm時充電功率最大，距離越遠輸出功率會出現(xiàn)小幅度下降，但是總體輸出的功率穩(wěn)定在10W左右。從圖8充電曲線圖可看出無線充電輸出效率是相對穩(wěn)定可靠的，證明搭建的船舶岸電系統(tǒng)是可以穩(wěn)定運行并使用的。

3 結(jié)語

本文將無線充電技術(shù)應(yīng)用到船舶岸電系統(tǒng)中進行研究，對無線充電的發(fā)射模塊與接收模塊進行了改進，在MATLAB中模擬仿真并通過實驗進一步驗證。改進的無線充電發(fā)射模塊可提高系統(tǒng)傳輸能力且在無線充電過程中電壓和電流穩(wěn)定，改進的無線充電接收模塊可實現(xiàn)智能控制，達到降低系統(tǒng)功耗的效果。該無線充電技術(shù)對船舶岸電系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的借鑒意義，但也存在一些不足之處，這有待進一步研究。