CN104573345A - 一种非接触式电能传输系统仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式电能传输系统的建模方法，包括以下步骤：建立非接触式电能传输系统的等效电路模型；对非接触电能传输系统施加约束关系；建立测量模块。所述方法解决了非接触电能传输相关研究缺少仿真实验手段的瓶颈问题。

Description

一种非接触式电能传输系统仿真建模方法

技术领域：

本发明涉及一种电能传输系统仿真建模方法，更具体涉及一种非接触式电能传输系统仿真建模方法。

背景技术：

电能的输送是电力系统中发电和用电的中间环节,目前比较成熟的输电方式有交流输电和传统的高压直流输电。相比目前的金属导线输电方式，无线输电技术以其节省输电走廊，能够实现电力传输的“无线”连接，符合未来电网智能化、网络化、移动化的发展方向，因此又被称为“电力蓝牙技术”。

非接触电能传输技术是指通过非接触的方式传输电能的方法，其应用领域非常广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。概括起来有以下几个方面：①应用于生物医学：用放置于体外的设备(利用变压器电磁耦合传输能量)对体内设备进行无接触供电。②应用于交通运输以及水下、井下：进行海底探测、建立海底空间站都需要应用这项技术。③应用于机器人的驱动：在关节处，使用旋转变压器，大大提高机器人的灵活性，使机器人的应用更加广泛。④应用于电池充电：可以是手机、电动牙刷、电动剃须刀等用的小型电池，也可以是用于电动汽车、起重机等的大功率电池。⑤其他，例如可以用于除尘器等。如能研发出大功率、远距离的非接触能量传输装置，将有可能引起能源领域一场变革。

目前对非接触式电能传输的研究还基本停留在理论分析和制作实物模型验证阶段，由于非接触式电能传输涉及电磁场、电场、电路、电力电子等方面，因此目前还缺少专门的仿真分析方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述方法解决了非接触电能传输相关研究缺少仿真实验手段的瓶颈问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，包括以下步骤：

(1)建立非接触式电能传输系统的等效电路模型；

(2)对非接触电能传输系统的施加约束关系；

(3)建立测量模块。

本发明提供的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述等效电路模型采用发射端LC并联和接收端LC并联方式。

本发明提供的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述等效电路模型包括并联的电源、电容C1、同并的互感线圈、电容C2和电阻R_L；所述互感线圈的两个线圈为L1和L2；线圈L1和线圈L2分别串联电阻R1和R2。

本发明提供的另一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述步骤(2)的约束关系包括电力系统传输效率与传输距离之间的关系和电力系统传输效率与传输频率之间的关系。

本发明提供的再一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，根据所述等效电路模型确定：

$\left[\begin{array}{c}{U}_S\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_1+\mathrm{j\ω}{L}_1& -\mathrm{j\ωM}\\ -\mathrm{j\ωM}& R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]$

若设U_S＝U_S∠0°，则上式中2×2矩阵行列式为：

$\mathrm{\Δ}=\left[\begin{array}{cc}{R}_1+\mathrm{j\ω}{L}_1& -\mathrm{j\ωM}\\ -\mathrm{j\ωM}& R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2}\end{array}\right]$

解出发射视在功率和接收视在功率绝对值分别为：

$S_i=\left|\frac{U_S^2(\mathrm{j\ω}{C}_1\mathrm{\Δ}+R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2})}{\mathrm{\Δ}}\right|$

$S_L=\frac{U_S^2{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{R}_L}{\left|{(1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2)}^2\right|\left|{\mathrm{\Δ}}^2\right|}$

传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{R}_L}{\left|{(1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2)}^2\right|\left|(\mathrm{j\ω}{C}_1\mathrm{\Δ}+R_2\mathrm{j\ω}{L}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2})\right|\left|{\mathrm{\Δ}}^2\right|}$

其中，其中，R₁、R₂为线圈损耗等效电阻，R_L为负载电阻，C₁、C₂为线圈原、副边电容，M为线圈互感，L₁、L₂为线圈原、副边电感，Δ为2×2矩阵行列式，ω为角频率，Us为交流电源。

本发明提供的又一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，当接收功率达到最大值，

$\frac{\∂S_L}{\∂R_L}=0$

此时，传输效率最大条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂C_1}=0\\ \frac{\∂\mathrm{\η}}{\∂C_2}=0\end{array}\right.$

设品质因素 $Q_1=\frac{\mathrm{\ω}{L}_1}{R_1},Q_2=\frac{\mathrm{\ω}{L}_2}{R_2},$ 耦合系数 $k=\frac{M}{\sqrt{L_1{L}_2}},$ 则根据实际情况 ${Q_2}^2=\frac{R_L}{R_2},$ 可近似求出 $C_1{L}_1=C_2{L}_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2};$

传输效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{4}{k}^2{Q}_1{Q}_2=\frac{M^2{\mathrm{\ω}}^2}{R_1{R}_2}$

其中，SL为负载的视在功率，η为传输效率。

本发明提供的又一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述步骤(3)中的测量模块测量所述模型中的电压和电流信息。

本发明提供的又一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述测量模块包括电压测量单元、电流测量单元、信号传输单元和测量值显示单元；

所述电压测量单元和电流测量单元用于测量仿真模型运行时的电压和电流信息；

所述信号传输单元用于传输电压和电流测量信息；

所述测量值显示单元用于显示测量信息，并都与一个相应的信号传输单元相连。

本发明提供的又一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述模型中的元件通过图形绘制进行视化；通过用点、线条和矩形完成元件的绘制，所述元件的属性可以根据需要设置。

本发明提供的又一优选的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，所述模型在自定义模块中进行建立；所述自定义模块用于交直流变换、传输效率计算、无线电能发送端视在功率计算和无线电能接收端视在功率计算。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的方法基于现有技术，提出一种非接触电能传输系统仿真建模方法；

2、本发明的方法解决了非接触电能传输相关研究缺少仿真实验手段的瓶颈问题；

3、本发明的方法为非接触式电能传输系统研究打下了一定的基础，对于该领域的研究具有重要的意义；

4、本发明的方法应用范围广，适合众多领域；

5、本发明的方法符合未来电网智能化、网络化、移动化的发展方向。

附图说明

图1为本发明的非接触式电能无线传输模式原理图；

图2为本发明的传输功率与频率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-2所示，本例的发明提供一种非接触式电能传输系统仿真建模方法；所述方法在以图形为基础的电力系统模块中进行建模；如PSCAD；

所述PSCAD建模具体包括以下步骤：

在PSCAD仿真软件的自定义模块中建立非接触式电能传输系统的等效电路模型；

在自定义模块中对非接触电能传输系统的施加约束关系，包括：传输距离、频率；

在仿真软件中建立测量模块。

图形绘制就是元件模型的可视化过程，在图形子窗口中使用点、线条、矩形等图形可以完成元件的绘制，各种图元的属性可以根据需要设置。

元件模型的输入参数定义在参数子窗口中进行，通过添加多个类完成模块的参数定义。

Script定义是模块定义的核心部分，决定用户定义模块的功能。所述用户定义模块实现交直流变换、传输效率计算、无线电能发送端视在功率计算和无线电能接收端视在功率计算等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立非接触式电能传输系统的等效电路模型；

(2)对非接触电能传输系统施加约束关系；

(3)建立测量模块。

2.如权利要求1所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述等效电路模型采用发射端LC并联和接收端LC并联方式。

3.如权利要求2所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述等效电路模型包括并联的电源、电容C1、同并的互感线圈、电容C2和电阻R_L；所述互感线圈的两个线圈为L1和L2；线圈L1和线圈L2分别串联电阻R1和R2。

4.如权利要求3所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述步骤(2)的约束关系包括电力系统传输效率与传输距离之间的关系和电力系统传输效率与传输频率之间的关系。

5.如权利要求4所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：根据所述等效电路模型确定：

$\left[\begin{array}{c}{U}_S\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_1+j{\mathrm{\ωL}}_1& -\mathrm{j\ωM}\\ -\mathrm{j\ωM}& R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_1\end{array}\right]$

若设U_S＝U_S∠0°，则上式中2×2矩阵行列式为：

$\mathrm{\Δ}=\left[\begin{array}{cc}{R}_1+j{\mathrm{\ωL}}_1& -\mathrm{j\ωM}\\ -\mathrm{j\ωM}& R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2}\end{array}\right]$

解出发射视在功率和接收视在功率绝对值分别为：

$S_i=\left|\frac{U_S^2({\mathrm{j\ωC}}_1\mathrm{\Δ}+R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{R_L}{1+{\mathrm{j\ωR}}_L{C}_2})}{\mathrm{\Δ}}\right|$

$S_L=\frac{U_S^2{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{R}_L}{\left|{(1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2)}^2\right|\left|{\mathrm{\Δ}}^2\right|}$

传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{R}_L}{\left|{(1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2)}^2\right||({\mathrm{j\ωC}}_1\mathrm{\Δ}+R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{R_L}{1+\mathrm{j\ω}{R}_L{C}_2})/\mathrm{\Δ}|\left|{\mathrm{\Δ}}^2\right|}$

其中，R₁、R₂为线圈损耗等效电阻，R_L为负载电阻，C₁、C₂为线圈原、副边电容，M为线圈互感，L₁、L₂为线圈原、副边电感，Δ为2×2矩阵行列式，ω为角频率，Us为交流电源。

6.如权利要求5所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：当接收功率达到最大值，

$\frac{{\∂S}_L}{{\∂R}_L}=0$

此时，传输效率最大条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\η}}{{\∂C}_1}=0\\ \frac{\∂\mathrm{\η}}{{\∂C}_2}=0\end{array}\right.$

设品质因素 $Q_1=\frac{{\mathrm{\ωL}}_1}{R_1},$ $Q_2=\frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{R_2},$ 耦合系数 $k=\frac{M}{\sqrt{L_1{L}_2}},$ 则根据实际情况 ${Q_2}^2=\frac{R_L}{R_2},$ 可近似求出 $C_1{L}_1=C_2{L}_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2};$

传输效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{4}{k}^2{Q}_1{Q}_2=\frac{M^2{\mathrm{\ω}}^2}{R_1{R}_2}$

其中，S_L为负载的视在功率，η为传输效率。

7.如权利要求1所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中的测量模块测量所述模型中的电压和电流信息。

8.如权利要求7所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述测量模块包括电压测量单元、电流测量单元、信号传输单元和测量值显示单元；

所述电压测量单元和电流测量单元用于测量仿真模型运行时的电压和电流信息；

所述信号传输单元用于传输电压和电流测量信息；

所述测量值显示单元用于显示测量信息，并都与一个相应的信号传输单元相连。

9.如权利要求3所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述模型中的元件通过图形绘制进行视化；通过用点、线条和矩形完成元件的绘制，所述元件的属性可以根据需要设置。

10.如权利要求1所述的一种非接触式电能传输系统仿真建模方法，其特征在于：所述模型在自定义模块中进行建立；所述自定义模块用于交直流变换、传输效率计算、无线电能发送端视在功率计算和无线电能接收端视在功率计算。