针对无线电能传输WPT(wireless power transmission)系统耦合机构发生偏移时,输出电压波动的问题,提出1种基于恒压输出区间追踪的WPT系统抗偏移方法。首先,建立CLC-S型WPT系统的模型,分析该系统在谐振和非谐振状态下的互感与输出电压增...针对无线电能传输WPT(wireless power transmission)系统耦合机构发生偏移时,输出电压波动的问题,提出1种基于恒压输出区间追踪的WPT系统抗偏移方法。首先,建立CLC-S型WPT系统的模型,分析该系统在谐振和非谐振状态下的互感与输出电压增益之间的关系,由分析可知,系统工作在非谐振状态下的恒压输出区间内抗偏移能力更强;然后,设计电感补偿序列,提出恒压输出区间追踪控制策略,实现WPT系统输出电压恒定控制,提高系统的抗偏移能力;最后,搭建仿真模型和实验平台,仿真及实验结果均表明,采用恒压输出区间追踪控制策略,可以有效减小输出电压的波动,验证了系统在强互感干扰下的鲁棒性。相较于无恒压输出区间追踪的WPT系统,所提系统具有更好的输出电压动态调节能力。展开更多
The equivalent two-port network model of a middle range wireless power transfer(WPT) system was presented based on strongly coupled multiple resonators. The key parameters of the WPT system include self-inductance, re...The equivalent two-port network model of a middle range wireless power transfer(WPT) system was presented based on strongly coupled multiple resonators. The key parameters of the WPT system include self-inductance, resistance, parasitic capacitance, mutual inductance and S-parameters of coils & resonators were analyzed. The impedance matching method was used to optimize load power and transmission efficiency of the multi-resonator WPT system, and the impedance matching method was realized through adjusting the distances between the coils and resonators. Experiments show that the impedance matching method can effectively improve load power and transmission efficiency for middle range wireless power transfer systems with multiple resonators, at distances up to 3 times the coil radius with efficiency more than 70% and load power also close to 3.5 W.展开更多
针对单相矩阵式无线电能传输MC-WPT(matrix converter based wireless power transfer)系统网侧电流谐波含量大的问题,提出1种谐波抑制调制策略,可有效降低网侧电流低次谐波含量及总谐波失真度THD(total harmonic distortion)。分析谐...针对单相矩阵式无线电能传输MC-WPT(matrix converter based wireless power transfer)系统网侧电流谐波含量大的问题,提出1种谐波抑制调制策略,可有效降低网侧电流低次谐波含量及总谐波失真度THD(total harmonic distortion)。分析谐振槽电压电流特性,基于参数归一化方法得到2个基波分量的等效电路,进而推导出MC-WPT的数学模型。在此基础上,以消除低次谐波含量为目标,应用计算法得到接收侧H桥的优化调制波,使网侧电流低频成分仅有工频分量,从而降低网侧电流THD。最后搭建实验平台,验证所提谐波抑制调制策略的可行性与有效性。展开更多
传统双向E型无线电能传输(wireless power transfer,WPT)拓扑易进入硬开关状态,导致电能传输效率低。针对此,该文提出无线电能传输系统的改进E^(#)型拓扑及其移相控制策略。首先,构建软开关状态负载范围更宽的双向E^(#)型WPT电路拓扑数...传统双向E型无线电能传输(wireless power transfer,WPT)拓扑易进入硬开关状态,导致电能传输效率低。针对此,该文提出无线电能传输系统的改进E^(#)型拓扑及其移相控制策略。首先,构建软开关状态负载范围更宽的双向E^(#)型WPT电路拓扑数学模型,分析并提取电路实现软开关工作状态的关键变量与约束条件,理论上证明所提拓扑的有效性。然后,推导电路中线圈互感和负载阻抗等参数的解析关系式,并基于此提出可保证系统在负载时始终处于最佳工作状态的移相控制策略。该策略通过控制开关管的门极驱动信号相位,使谐振元件内部储存的能量提前或者滞后释放,从而将开关管修正回软开关状态。最后,通过仿真和实验验证所提双向E^(#)型WPT系统的有效性。实验结果表明,所提方法可保证在5~30Ω的负载范围内电路工作在软开关状态,该范围内的电能传输效率峰值达84.3%。展开更多
The microwave wireless power transmission technologies for space solar power station are a crucial field in the international space sector,where various countries are competing in its development.This paper surveys th...The microwave wireless power transmission technologies for space solar power station are a crucial field in the international space sector,where various countries are competing in its development.This paper surveys the research experiments and development efforts related to space solar power stations and microwave wireless power transmission technologies worldwide.The objective is to assess the progress and current state of this technological foundation,determine the necessary focus for developing high-power microwave wireless power transmission technology,and provide clarity on the direction of future technology development in these areas.Finally,a distributed space solar power station plan that is immediately feasible is proposed.展开更多
在无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,偏移是不可避免的,偏移会引起系统参数的变化从而影响系统的传输性能。基于S-S和P-S补偿拓扑,提出一种具有抗偏移特性的双耦合SP-S补偿的紧凑型WPT系统。该系统采用两个同轴布置、...在无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,偏移是不可避免的,偏移会引起系统参数的变化从而影响系统的传输性能。基于S-S和P-S补偿拓扑,提出一种具有抗偏移特性的双耦合SP-S补偿的紧凑型WPT系统。该系统采用两个同轴布置、相互解耦的圆角方形线圈作为能量的发射线圈,其与单一方形接收线圈均有耦合,提升了X方向和Y方向的抗偏移容忍度。通过谐振参数配置使接收线圈在偏移的过程中,一个线圈回路的输出增加,另一个线圈回路输出减少,从而使系统输出随接收线圈位置偏移波动平缓。提出方形解耦线圈结构参数的设计方法,并分析发射端并联补偿电容对输出抗偏移性能的影响。最后,搭建实验平台验证该方法的有效性与系统的抗偏移能力。展开更多
为提升无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输性能,需在控制过程中实时获取负载与耦合系数等关键信息,而该信息的获取目前普遍采用无线通讯模块或增加额外通信线圈等方式,增加了系统复杂度,尤其面临复杂水下工况及高频电...为提升无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输性能,需在控制过程中实时获取负载与耦合系数等关键信息,而该信息的获取目前普遍采用无线通讯模块或增加额外通信线圈等方式,增加了系统复杂度,尤其面临复杂水下工况及高频电磁环境,在通讯过程中极易造成通讯异常而导致系统瘫痪。为此,文中提出一种新型基于无迹卡尔曼滤波的WPT系统互感及负载关键参数在线识别方法,该方法仅需采样原边侧电压瞬时值,即可实时获取互感与负载等关键参数信息。同时为提升辨识精度与收敛速度,采用离线式神经网络指导粒子群优化算法建立系统噪声协方差矩阵。实验结果表明,该算法具有模型简单、计算精度较高等特点,在变负载、变移相控制角及偏移情况下,所提出的在线辨识方法对负载与互感的最大识别误差分别为6.19%和1.7%,且2 ms左右即可完成负载的动态识别,具有一定的工程应用价值。展开更多
基于脉冲密度调制PDM(pulse density modulation)的双边协同控制使得无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统在耦合系数和负载阻抗变化的情况下能够保持最大效率传输,但是在系统启动及电池恒流恒压充电切换时会产生远高于额定值...基于脉冲密度调制PDM(pulse density modulation)的双边协同控制使得无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统在耦合系数和负载阻抗变化的情况下能够保持最大效率传输,但是在系统启动及电池恒流恒压充电切换时会产生远高于额定值的电流/电压超调。为了解决超调问题,保证电池充电稳定性,提出了一种抗饱和控制策略。首先,基于WPT系统的等效电路模型分析最大效率点跟踪的工作原理;然后,结合WPT系统两侧控制量的协同工作过程,解析系统启动及电池恒流恒压充电切换时的超调现象,给出恒流恒压控制器设计方法,将反计算抗饱和算法与控制器设计相结合,提出抗饱和控制策略;最后,搭建了仿真模型,验证所提出的抗饱和策略能够有效抑制控制器饱和导致的超调,减少系统到达稳态的时间,降低电流/电压的超调带来的元器件应力。展开更多
SS型Buck-WPT(Buck-wireless power transfer)系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变...SS型Buck-WPT(Buck-wireless power transfer)系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变系统对快速性的较高要求。例如,系统在启动时会存在较强震荡和较大超调,系统负载改变时稳定状态会发生改变且存在明显抖动,系统极限空载时原边谐振电流会增大,且该电流值远超出安全工作范围。本文提出了一种基于可控电感的SS型Buck-WPT系统。首先,分析了电感值可调的方法并在COMSOL中建立仿真模型验证其电感值可控的特性。其次,对SS型Buck-WPT系统进行数学建模,将SS型WPT系统作为Buck电路的特殊负载,推导SS型Buck-WPT系统状态空间方程。研究其三维空间内相轨迹的降维描述方法,将该系统用二维相轨迹描述系统运行过程。然后,通过分析启动阶段相轨迹运行规律,改进前级Buck电路。将传统Buck电路中的电感换成可控电感,运用其电感值可调的控制系统开通阶段的运行轨迹,使系统在1个开关周期内无超调快速进入稳态。当系统负载改变时,系统的输出电压会改变,且是不断抖动来回反复的过程,利用PI算法对系统进行恒流控制。通过可控电感控制系统相轨迹,使副边输出能无抖动快速进入稳态,保证输出电压不变。针对SS型谐振网络的Buck-WPT系统中出现空载大电流的问题,提出了将可控电感串联接入原边谐振网络的方法。实时检测原边谐振电流值,该值超过正常工作范围,感值就快速增大,减小原边谐振电流,达到空载时维持原边谐振电流安全值以下。最后,验证上述方法在优化SS型Buck-WPT系统动态特性的有效性,在Simulink中搭建仿真电路。该方法能减小工作条件改变时带来的系统抖动,且在不改变系统响应速度前提下减小超调,优化系统动态性能,增强系统抗负载扰动力,提高系统带负载能力有明显效果。展开更多
三线圈结构能够有效提升无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统传输距离.S/S/S拓扑因简单实用而广泛应用于三线圈WPT系统,但传统的完全补偿方法令各线圈自感与补偿电容形成串联谐振,受线圈耦合及负载条件影响,系统无法在不同...三线圈结构能够有效提升无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统传输距离.S/S/S拓扑因简单实用而广泛应用于三线圈WPT系统,但传统的完全补偿方法令各线圈自感与补偿电容形成串联谐振,受线圈耦合及负载条件影响,系统无法在不同工况下均达到最佳传输效率.针对这一问题,提出一种非完全补偿的S/S/S拓扑参数配置方法 .首先,通过对传统补偿方法分析,阐明了完全补偿时系统效率不佳的原因.然后,以线圈传导损耗最小为目标,采用非线性规划方法对中继和接收线圈补偿参数进行优化,同时匹配发射线圈最佳补偿参数以减小功率器件开关损耗.最后,通过仿真分析得到采用非完全补偿方法时的系统特性,揭示系统效率提升的内在机理,并以输出功率为1 kW的三线圈WPT系统为例开展实验研究.结果表明:与完全补偿方法相比,采用所提非完全补偿方法的系统AC-AC效率提高5.183%、输入电压降低85.3%;与中继线圈切换方法相比,AC-AC效率提高4.214%;所提方法能够实现逆变器功率器件的软开关和系统最优效率,增强三线圈WPT系统的实用性.展开更多
文摘针对无线电能传输WPT(wireless power transmission)系统耦合机构发生偏移时,输出电压波动的问题,提出1种基于恒压输出区间追踪的WPT系统抗偏移方法。首先,建立CLC-S型WPT系统的模型,分析该系统在谐振和非谐振状态下的互感与输出电压增益之间的关系,由分析可知,系统工作在非谐振状态下的恒压输出区间内抗偏移能力更强;然后,设计电感补偿序列,提出恒压输出区间追踪控制策略,实现WPT系统输出电压恒定控制,提高系统的抗偏移能力;最后,搭建仿真模型和实验平台,仿真及实验结果均表明,采用恒压输出区间追踪控制策略,可以有效减小输出电压的波动,验证了系统在强互感干扰下的鲁棒性。相较于无恒压输出区间追踪的WPT系统,所提系统具有更好的输出电压动态调节能力。
基金Project(61104088)supported by the National Natural Science Foundation of ChinaProject(12C0741)supported by Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department,China
文摘The equivalent two-port network model of a middle range wireless power transfer(WPT) system was presented based on strongly coupled multiple resonators. The key parameters of the WPT system include self-inductance, resistance, parasitic capacitance, mutual inductance and S-parameters of coils & resonators were analyzed. The impedance matching method was used to optimize load power and transmission efficiency of the multi-resonator WPT system, and the impedance matching method was realized through adjusting the distances between the coils and resonators. Experiments show that the impedance matching method can effectively improve load power and transmission efficiency for middle range wireless power transfer systems with multiple resonators, at distances up to 3 times the coil radius with efficiency more than 70% and load power also close to 3.5 W.
文摘针对单相矩阵式无线电能传输MC-WPT(matrix converter based wireless power transfer)系统网侧电流谐波含量大的问题,提出1种谐波抑制调制策略,可有效降低网侧电流低次谐波含量及总谐波失真度THD(total harmonic distortion)。分析谐振槽电压电流特性,基于参数归一化方法得到2个基波分量的等效电路,进而推导出MC-WPT的数学模型。在此基础上,以消除低次谐波含量为目标,应用计算法得到接收侧H桥的优化调制波,使网侧电流低频成分仅有工频分量,从而降低网侧电流THD。最后搭建实验平台,验证所提谐波抑制调制策略的可行性与有效性。
文摘传统双向E型无线电能传输(wireless power transfer,WPT)拓扑易进入硬开关状态,导致电能传输效率低。针对此,该文提出无线电能传输系统的改进E^(#)型拓扑及其移相控制策略。首先,构建软开关状态负载范围更宽的双向E^(#)型WPT电路拓扑数学模型,分析并提取电路实现软开关工作状态的关键变量与约束条件,理论上证明所提拓扑的有效性。然后,推导电路中线圈互感和负载阻抗等参数的解析关系式,并基于此提出可保证系统在负载时始终处于最佳工作状态的移相控制策略。该策略通过控制开关管的门极驱动信号相位,使谐振元件内部储存的能量提前或者滞后释放,从而将开关管修正回软开关状态。最后,通过仿真和实验验证所提双向E^(#)型WPT系统的有效性。实验结果表明,所提方法可保证在5~30Ω的负载范围内电路工作在软开关状态,该范围内的电能传输效率峰值达84.3%。
基金Entrusted Fund of National Institute of Information and Communications Technology(NICT),Japan(JPJ012368C02401)。
文摘The microwave wireless power transmission technologies for space solar power station are a crucial field in the international space sector,where various countries are competing in its development.This paper surveys the research experiments and development efforts related to space solar power stations and microwave wireless power transmission technologies worldwide.The objective is to assess the progress and current state of this technological foundation,determine the necessary focus for developing high-power microwave wireless power transmission technology,and provide clarity on the direction of future technology development in these areas.Finally,a distributed space solar power station plan that is immediately feasible is proposed.
文摘在无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统中,偏移是不可避免的,偏移会引起系统参数的变化从而影响系统的传输性能。基于S-S和P-S补偿拓扑,提出一种具有抗偏移特性的双耦合SP-S补偿的紧凑型WPT系统。该系统采用两个同轴布置、相互解耦的圆角方形线圈作为能量的发射线圈,其与单一方形接收线圈均有耦合,提升了X方向和Y方向的抗偏移容忍度。通过谐振参数配置使接收线圈在偏移的过程中,一个线圈回路的输出增加,另一个线圈回路输出减少,从而使系统输出随接收线圈位置偏移波动平缓。提出方形解耦线圈结构参数的设计方法,并分析发射端并联补偿电容对输出抗偏移性能的影响。最后,搭建实验平台验证该方法的有效性与系统的抗偏移能力。
文摘为提升无线电能传输(wireless power transfer,WPT)系统传输性能,需在控制过程中实时获取负载与耦合系数等关键信息,而该信息的获取目前普遍采用无线通讯模块或增加额外通信线圈等方式,增加了系统复杂度,尤其面临复杂水下工况及高频电磁环境,在通讯过程中极易造成通讯异常而导致系统瘫痪。为此,文中提出一种新型基于无迹卡尔曼滤波的WPT系统互感及负载关键参数在线识别方法,该方法仅需采样原边侧电压瞬时值,即可实时获取互感与负载等关键参数信息。同时为提升辨识精度与收敛速度,采用离线式神经网络指导粒子群优化算法建立系统噪声协方差矩阵。实验结果表明,该算法具有模型简单、计算精度较高等特点,在变负载、变移相控制角及偏移情况下,所提出的在线辨识方法对负载与互感的最大识别误差分别为6.19%和1.7%,且2 ms左右即可完成负载的动态识别,具有一定的工程应用价值。
文摘基于脉冲密度调制PDM(pulse density modulation)的双边协同控制使得无线电能传输WPT(wireless power transfer)系统在耦合系数和负载阻抗变化的情况下能够保持最大效率传输,但是在系统启动及电池恒流恒压充电切换时会产生远高于额定值的电流/电压超调。为了解决超调问题,保证电池充电稳定性,提出了一种抗饱和控制策略。首先,基于WPT系统的等效电路模型分析最大效率点跟踪的工作原理;然后,结合WPT系统两侧控制量的协同工作过程,解析系统启动及电池恒流恒压充电切换时的超调现象,给出恒流恒压控制器设计方法,将反计算抗饱和算法与控制器设计相结合,提出抗饱和控制策略;最后,搭建了仿真模型,验证所提出的抗饱和策略能够有效抑制控制器饱和导致的超调,减少系统到达稳态的时间,降低电流/电压的超调带来的元器件应力。
文摘SS型Buck-WPT(Buck-wireless power transfer)系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变系统对快速性的较高要求。例如,系统在启动时会存在较强震荡和较大超调,系统负载改变时稳定状态会发生改变且存在明显抖动,系统极限空载时原边谐振电流会增大,且该电流值远超出安全工作范围。本文提出了一种基于可控电感的SS型Buck-WPT系统。首先,分析了电感值可调的方法并在COMSOL中建立仿真模型验证其电感值可控的特性。其次,对SS型Buck-WPT系统进行数学建模,将SS型WPT系统作为Buck电路的特殊负载,推导SS型Buck-WPT系统状态空间方程。研究其三维空间内相轨迹的降维描述方法,将该系统用二维相轨迹描述系统运行过程。然后,通过分析启动阶段相轨迹运行规律,改进前级Buck电路。将传统Buck电路中的电感换成可控电感,运用其电感值可调的控制系统开通阶段的运行轨迹,使系统在1个开关周期内无超调快速进入稳态。当系统负载改变时,系统的输出电压会改变,且是不断抖动来回反复的过程,利用PI算法对系统进行恒流控制。通过可控电感控制系统相轨迹,使副边输出能无抖动快速进入稳态,保证输出电压不变。针对SS型谐振网络的Buck-WPT系统中出现空载大电流的问题,提出了将可控电感串联接入原边谐振网络的方法。实时检测原边谐振电流值,该值超过正常工作范围,感值就快速增大,减小原边谐振电流,达到空载时维持原边谐振电流安全值以下。最后,验证上述方法在优化SS型Buck-WPT系统动态特性的有效性,在Simulink中搭建仿真电路。该方法能减小工作条件改变时带来的系统抖动,且在不改变系统响应速度前提下减小超调,优化系统动态性能,增强系统抗负载扰动力,提高系统带负载能力有明显效果。
文摘三线圈结构能够有效提升无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统传输距离.S/S/S拓扑因简单实用而广泛应用于三线圈WPT系统,但传统的完全补偿方法令各线圈自感与补偿电容形成串联谐振,受线圈耦合及负载条件影响,系统无法在不同工况下均达到最佳传输效率.针对这一问题,提出一种非完全补偿的S/S/S拓扑参数配置方法 .首先,通过对传统补偿方法分析,阐明了完全补偿时系统效率不佳的原因.然后,以线圈传导损耗最小为目标,采用非线性规划方法对中继和接收线圈补偿参数进行优化,同时匹配发射线圈最佳补偿参数以减小功率器件开关损耗.最后,通过仿真分析得到采用非完全补偿方法时的系统特性,揭示系统效率提升的内在机理,并以输出功率为1 kW的三线圈WPT系统为例开展实验研究.结果表明:与完全补偿方法相比,采用所提非完全补偿方法的系统AC-AC效率提高5.183%、输入电压降低85.3%;与中继线圈切换方法相比,AC-AC效率提高4.214%;所提方法能够实现逆变器功率器件的软开关和系统最优效率,增强三线圈WPT系统的实用性.
