CN104283327A - 无线传能系统及其谐波消除与功率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传能系统及其谐波消除与功率调节方法，无线传能系统中逆变器为第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)的输出端级联构成的级联型多电平逆变器；所述的第一全桥逆变器(H1)的输入端与直流电源一(E1)相连，第二全桥逆变器(H2)的输入端与直流电源二(E2)；直流电源一(E1)和直流电源二(E2)相互隔离且其输出电压幅值相等；所述的逆变器、电流传感器(IP)均和控制器相连的具体方式为：第一全桥逆变器(H1)的控制端、第二全桥逆变器(H2)的控制端和电流传感器(IP)的输出端均与控制器(KP)相连。该系统传输的电能功率大，系统的复杂度低，可靠性强，效率高。

Description

无线传能系统及其谐波消除与功率调节方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及无线传能系统及其谐波消除与功率调节方法。

背景技术

无线电能传输技术应用到轨道交通列车、电动汽车等移动设备供电时，克服了传统的有线电能传输技术容易碳积、产生接触火花、插接操作麻烦等缺陷。

现有的无线电能传输系统的主要构成及工作过程为：整流器将工频交流电变成直流，在控制器的控制下通过升降压直-直变换器变换成所需的电压，随后由高频逆变器将直流变成高频交流电，高频交流电流在发送线圈中流动产生高频磁场；为了使发送线圈中的高频交变磁场恒定和系统稳定工作，通常在发送线圈与逆变器间串接电流传感器，电流传感器将检测出的发送线圈的电流值送给发送端控制器，由控制器对升降压直-直变换器的输出电压进行控制实现发送线圈的电流值的反馈控制。接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变磁场，在接收线圈中感生出高频的交流电，接收线圈中的高频交流电经过整流器整流成直流电，再逆变为负载所需(通常为工频)交流电，从而完成电能的无线传输。其存在的问题是：1、通过升降压直-直变换器来调节逆变器输出电压的基波有效值，实现功率的调节；而升降压直-直变换器结构复杂，增加了系统的复杂度，降低了系统的可靠性和效率。2、受开关器件容量的限制，单个高频逆变器的功率有限，导致系统的输出功率难以满足大功率电能传输(如对交通设备进行电能无线传输)的要求。并且，高频逆变器通常为两电平单相全桥逆变器，其输出为正、负两电平交替(而非正弦波)的交流电压，谐波含量高，后续的谐振电路虽能消除大部分的高次谐波，但对低次谐波无法完全消除，易使发送端线圈电流畸变，影响系统的传输性能。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种无线电能传输系统，该系统传输的电能功率大，系统的复杂度低，可靠性强，效率高。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种无线电能传输系统，由接收端、发送端两部分组成；其中，接收端包括依次串接的接收端线圈、接收端补偿电容和负载；发送端包括依次串接的逆变器、电流传感器、发送端补偿电容和发送端线圈，逆变器、电流传感器均和控制器相连，其特征在于：

所述的逆变器为第一全桥逆变器的输出端与第二全桥逆变器的输出端级联构成的级联型多电平逆变器；且第一全桥逆变器的输入端与直流电源一相连，第二全桥逆变器的输入端与直流电源二相连；直流电源一和直流电源二相互隔离且其输出电压幅值相等；

所述的逆变器、电流传感器均和控制器相连的具体方式为：第一全桥逆变器的控制端、第二全桥逆变器的控制端和电流传感器的输出端均与控制器相连。

本发明的第二目的是提供一种使用上述的无线电能传输系统的谐波消除与功率调节方法，该方法能有效消除系统中的三次谐波，提高系统传输的电能质量，且可靠的保证发送端的电流值的恒定，从而实现不同负载下逆变器输出功率的自动调节。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的无线电能传输系统的谐波消除与功率调节方法，其步骤是：

A、控制器控制第一全桥逆变器及第二全桥逆变器的输出电压的当前弧度值控制器控制第一全桥逆变器与第二全桥逆变器输出的电压的当前相位差 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}=\frac{\mathrm{\π}}{3};$

B、控制器接收电流传感器测出的发送线圈的电流有效值I_P；如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，转C步；否则，转D步；

C、控制器进入脉宽调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，控制器调低第一全桥逆变器及第二全桥逆变器的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L减少一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值控制器则调高第一全桥逆变器及第二全桥逆变器的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L增加一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值 ${\mathrm{\θ}}_L=\frac{2\mathrm{\π}}{3},$ 则转D步；

D、控制器进入相位差调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，控制器调低第一全桥逆变器及第二全桥逆变器的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△减少一个调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差控制器则调高第一全桥逆变器及第二全桥逆变器的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△增加一个相位差调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}=\frac{\mathrm{\π}}{3},$ 则转C步。

本发明的方法中三次谐波电压消除的原理为：

两个全桥逆变器构成的级联型多电平逆变器的输出电压u_o由第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)的输出电压u_H1和u_H2叠加而成，则有下式(1)

u_o(t)＝u_H1(t)+u_H2(t)   (1)

第一全桥逆变器(H₁)与第二全桥逆变器(H₂)的输出电压u_Hi(t)(i＝1,2)在一个周期内的表达式为下式(2)

式中θ_L为第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的弧度值，θ_△为第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)输出的电压的相位差；E为直流电源一(E1)及直流电源二(E2)的电压幅值，k为谐波的次数；同时为了防止两个级联的逆变器输出电平互补而出现相互充放电的现象，必须满足θ_L+θ_△≤π。

将式(2)进行短时傅里叶变换，得到u_Hi(t)的第k次谐波的相量表达式(3)

根据式(1)、(2)和(3)，可得u_o(t)的第k次谐波电压表达式为

本发明在脉宽调节模式时，而在相位差调节模式时，弧度值θ_L始终等于两种模式中均满足θ_L+θ_△≤π,防止了两个级联的逆变器输出电平互补而出现相互充放电的现象。

在脉宽调节模式中，由于第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)输出的电压的相位差θ_△始终等于故其级联型多电平逆变器的输出电压的三次谐波为：

$\begin{array}{c}\frac{4\sqrt{2}E\·\cos (k{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}/2)\·\sin (k{\mathrm{\θ}}_L/2)}{\mathrm{k\π}}=\frac{4\sqrt{2}E\·\cos (3\·(\mathrm{\π}/3)/2)\·\sin (3{\mathrm{\θ}}_L/2)}{3\mathrm{\π}}\\ =\frac{4\sqrt{2}E\·0\·\sin (3{\mathrm{\θ}}_L/2)}{3\mathrm{\π}}=0\end{array}$

在相位差调节模式中，由于第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)输出的电压的弧度值θ_L始终等于故其级联型多电平逆变器的输出电压的三次谐波为：

$\begin{array}{c}\frac{4\sqrt{2}E\·\cos (k{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}/2)\·\sin (k{\mathrm{\θ}}_L/2)}{\mathrm{k\π}}=\frac{4\sqrt{2}E\·\cos (3{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}/2)\·\sin (3\·(2\mathrm{\π}/3)/2)}{3\mathrm{\π}}\\ =\frac{4\sqrt{2}E\·\cos (3{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}/2)\·0}{3\mathrm{\π}}=0\end{array}$

可见，本发明无论是在脉宽调节模式时，还是在相位差调节模式时，其级联型多电平逆变器的输出电压中三次谐波均为零，系统中含量最多的三次谐波得到有效抑制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、两个全桥逆变器级联，在同等功率需求的条件下，能够明显减小逆变器中开关器件的容量，降低了开关器件的成本，减少了开关器件的热损耗，提高了系统的效率和稳定性。同时在同等容量的开关器件下，能够有效的提高输出电压的等级，提高逆变器的输出功率，从而提高了发送端的发送功率等级，进而提高了无线电能传输系统的传输功率。

二、通过对级联型多电平逆变器输出电压的宽度和相位差进行控制，可以方便实现对发送端电流有效值的控制调节，从而实现不同负载下系统输出功率的自动调节。而不用升降压直-直变换器的直流电压输出来对逆变器的电流值进行控制，省掉了升降压直-直变换器环节，降低了系统的复杂程度，提高了系统的可靠性和效率。

三、本发明的谐波消除与功率调节方法，通过恒定最大相位差、调节脉宽的脉宽调节方法，实现发送端电流值在低区域的负反馈恒定控制；当脉宽达到最大值，发送端电流仍不能满足需求时，再进入相位差调节模式，实现发送端电流值在高区域的负反馈恒定控制；从而有效可靠的实现了发送端电流有效值的大功率范围的恒定控制，进而实现了不同负载下系统输出功率的自动调节。并且在功率自动调节的时候，通过精确设计的恒定相位差值(脉宽调节模式)或恒定脉宽值(相位差调节模式)，保证了在两种模式下，均能使逆变器的输出电压中含量最多的三次谐波均为零，使系统中的谐波得到更有效的抑制，明显提高无线传能系统的电能传输质量。

四、本发明的谐波消除与功率调节方法，不用动态实时求解高次超越方程，动态实时的只需比较运算和加减运算，其算法有效减少计算量，对控制器的要求低，实时性好，可靠性高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的电路结构示意图。

图2是本发明实施例中两个全桥逆变器的输出电压波形合成得到级联型多电平逆变器输出电压波形的原理示意图。图2中E为直流电源一(E1)和直流电源二(E2)的输出电压幅值。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种无线电能传输系统，由接收端、发送端两部分组成；其中，接收端包括依次串接的接收端线圈Ls、接收端补偿电容Cs和负载R_L；发送端包括依次串接的逆变器、电流传感器IP、发送端补偿电容Cp和发送端线圈Lp，逆变器、电流传感器IP均和控制器KP相连，其特征在于：

所述的逆变器为第一全桥逆变器H1的输出端与第二全桥逆变器H2的输出端级联串联构成的级联型多电平逆变器；且第一全桥逆变器H1的输入端与直流电源一E1相连，第二全桥逆变器H2的输入端与直流电源二E2相连；直流电源一E1和直流电源二E2相互隔离且其输出电压幅值相等；

所述的逆变器、电流传感器IP均和控制器KP相连的具体方式为：第一全桥逆变器H1的控制端、第二全桥逆变器H2的控制端和电流传感器IP的输出端均与控制器KP相连。

图2及图1示出，一种使用本例的无线电能传输系统的谐波消除与功率调节方法，其步骤是：

A、控制器KP控制第一全桥逆变器H1及第二全桥逆变器H2的输出电压的当前弧度值控制器KP控制第一全桥逆变器H1与第二全桥逆变器H2输出的电压的当前相位差

B、控制器KP接收电流传感器IP测出的发送线圈Lp的电流有效值I_P；如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，转C步；否则，转D步；

电流有效值的控制值I_c根据取电设备的取电要求而定；通常功率越大的取电设备其对应的电流有效值的控制值I_c越大，但不宜超出发送线圈的额定电流有效值。

C、控制器进入脉宽调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，控制器KP调低第一全桥逆变器H1及第二全桥逆变器H2的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L减少一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值控制器KP则调高第一全桥逆变器H1及第二全桥逆变器H2的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L增加一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值 ${\mathrm{\θ}}_L=\frac{2\mathrm{\π}}{3},$ 则转D步；

弧度调节量△θ_L通常取0.001π-0.01π；调节量△θ_L取值越大，调节速度越快，但调节精度越低；相反，调节量△θ_L取值越小，调节速度越慢，但调节精度越高。

D、控制器进入相位差调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，控制器KP调低第一全桥逆变器H1及第二全桥逆变器H2的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△减少一个调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差控制器KP则调高第一全桥逆变器H1及第二全桥逆变器H2的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△增加一个相位差调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}=\frac{\mathrm{\π}}{3},$ 则转C步。

相位差调节量dθ_△通常取0.001π-0.01π；调节量dθ_△取值越大，调节速度越快，但调节精度越低；相反，调节量dθ_△取值越小，调节速度越慢，但调节精度越高。

Claims (2)

1.一种无线电能传输系统，由接收端、发送端两部分组成；其中，接收端包括依次串接的接收端线圈(Ls)、接收端补偿电容(Cs)和负载(R_L)；发送端包括依次串接的逆变器、电流传感器(IP)、发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)，逆变器、电流传感器(IP)均和控制器(KP)相连，其特征在于：

所述的逆变器为第一全桥逆变器(H1)的输出端与第二全桥逆变器(H2)的输出端级联构成的级联型多电平逆变器；且第一全桥逆变器(H1)的输入端与直流电源一(E1)相连，第二全桥逆变器(H2)的输入端与直流电源二(E2)相连；直流电源一(E1)和直流电源二(E2)相互隔离且其输出电压幅值相等；

所述的逆变器、电流传感器(IP)均和控制器相连的具体方式为：第一全桥逆变器(H1)的控制端、第二全桥逆变器(H2)的控制端和电流传感器(IP)的输出端均与控制器(KP)相连。

2.一种使用权利要求1所述的无线电能传输系统的谐波消除与功率调节方法，其步骤是：

A、控制器(KP)控制第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的当前弧度值控制器(KP)控制第一全桥逆变器(H1)与第二全桥逆变器(H2)输出的电压的当前相位差

B、控制器(KP)接收电流传感器(IP)测出的发送线圈(Lp)的电流有效值I_P；如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，转C步；否则，转D步；

C、控制器进入脉宽调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，控制器(KP)调低第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L减少一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值控制器(KP)则调高第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的下一时刻弧度值θ'_L，使下一时刻弧度值θ'_L等于当前弧度值θ_L增加一个弧度调节量△θ_L；

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，且当前弧度值 ${\mathrm{\θ}}_L=\frac{2\mathrm{\π}}{3},$ 则转D步；

D、控制器进入相位差调节模式：

如果当前的电流有效值I_P值小于设定的电流有效值I_c，控制器(KP)调低第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△减少一个调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差控制器(KP)则调高第一全桥逆变器(H1)及第二全桥逆变器(H2)的输出电压的下一时刻相位差θ'_△，使下一时刻相位差θ'_△等于当前相位差θ_△增加一个相位差调节量dθ_△；

如果当前的电流有效值I_P值大于设定的电流有效值I_c，且当前相位差 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\Δ}}=\frac{\mathrm{\π}}{3},$ 则转C步。