CN104702113A - 基于频率跟踪的无线输电系统zvs软开关实现装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置及方法，所述装置包括直流电压源、逆变器、耦合器、整流器、负载、电流检测电路、改进型SOGI-PLL模块、PWM驱动模块；直流电压源经逆变器、耦合器、整流器与负载相连，逆变器的电流输出端经电流检测电路与改进型SOGI-PLL的信号输入端相连，改进型SOGI-PLL的信号输出端与PWM驱动的控制信号输入端相连，PWM驱动的控制信号输出端与全桥逆变器的开关器件相连。本发明引入直接相位控制方法以及基于锁相环输出相位的死区角度调制方法，通过精确调节系统相位差及死区角度，使无线输电系统工作于准谐振状态，解决死区时间与谐振电流相位滞后控制匹配问题，实现ZVS软开关运行。

Description

基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置及方法

技术领域

本发明涉及无线输电系统软开关技术领域，具体涉及一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置及方法。

背景技术

在耦合谐振式无线输电系统中，桥式逆变器工作在高频条件下，为了减少开关器件损耗和解决直通的问题，在同一桥臂上下开关器件驱动信号间需插入死区时间，且系统中引入的死区时间必须与谐振电流相位滞后控制相互匹配；此外，由于负载等参数变化而引起的失谐现象将会降低系统传输效率和功率，由此软开关运行和频率跟踪成为了无线输电系统亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、具有可靠死区时间的基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置，包括直流电压源、逆变器、耦合器、整流器、负载、电流检测电路、改进型SOGI-PLL模块、PWM驱动模块；直流电压源经逆变器、耦合器、整流器与负载相连，所述逆变器的电流输出端经电流检测电路与改进型SOGI-PLL模块的信号输入端相连，所述改进型SOGI-PLL模块的信号输出端与PWM驱动的控制信号输入端相连，所述PWM驱动的控制信号输出端与所述全桥逆变器的开关器件相连。

上述的基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置中，所述改进型SOGI-PLL模块中包含正交信号发生器、坐标变换器、自适应增益调节器、正弦逆变器、PI控制器和频率、相位发生器；输入信号经正交信号发生器、坐标变换器与自适应增益调节器相连，系统相位差控制参数Δθ^*分别经正弦逆变器、自适应增益调节后进行比较再输入PI控制器，所述PI控制器与频率、相位发生器相连，所述频率、相位发生器的信号输出端分别与所述正交信号发生器、坐标变换器相连。

上述的基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置中，所述耦合器由发射端和接收端耦合而成，所述发射端由发射线圈和发射端谐振电容串联构成，所述接收端由接收线圈和接收端谐振电容串联构成。

一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现方法，包括以下步骤：

(1)采用电流检测电路对全桥逆变器的输出电流进行检测，为改进型SOGI-PLL模块提供输入信号；

逆变器输出电流信号如下：

$v=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_n=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n\cos (n{\mathrm{\ω}}^{\′}t+{\mathrm{\Φ}}_n)$

式中，V_n、nω'、Φ_n分别为n次谐波的幅值、角频率以及初始相位；

(2)输入信号经正交信号发生器后变为

$\left[\begin{array}{c}{v}^{\′}\\ {\mathrm{qv}}^{\′}\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]=V_1\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\ω}}^{\′}t+{\mathrm{\Φ}}_1)\\ \sin ({\mathrm{\ω}}^{\′}t+{\mathrm{\Φ}}_1)\end{array}\right]$

式中，V、θ分别表示输入信号的幅值、相位且其值分别等于一次谐波的幅值、相位，V₁、ω'、Φ₁分别表示一次谐波的幅值、角频率以及初始相位；

其中，正交信号发生器的传递函数为

$D\left(s\right)=\frac{v^{\′}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\′}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\ω}}^{\′2}}{s^2+k{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{\′2}}$

式中，k、ω'分别为正交信号发生器的增益、中心频率，中心频率ω'由频率、相位发生器提供；

(3)正交信号发生器的输出信号经坐标变换后，其dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& \sin {\mathrm{\θ}}^{\′}\\ -{\sin \mathrm{\θ}}^{\′}& \cos {\mathrm{\θ}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}^{\′}\\ q{v}^{\′}\end{array}\right]$

化简后的dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})\\ -\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\mathrm{\θ})\end{array}\right]$

(4)将系统相位差控制参数Δθ^*、dq分量v_d作为自适应增益AG的调制参量，dq分量v_q作为自适应增益AG的输入量，当系统输入信号v幅值为零时，v_d为零，自适应增益值为1，当输入信号v幅值不为零时，v_d不为零，自适应增益值为输入信号v幅值的倒数，其表达式为：

$\mathrm{AG}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{*}}{v_d},& v_d\≠0\\ 1,& v_d=0\end{array}\right.$

自适应增益AG的输出量为v_qunit，v_qunit＝-sin(θ'-θ)，式中θ'为改进型SOGI-PLL模块的输出相位，单位dq分量v_qunit的值唯一取决于系统相位差Δθ＝θ'-θ；

(5)系统相位差控制参数Δθ^*经正弦逆变器后生成单位dq分量控制参量通过调节系统相位差控制参数Δθ^*对单位dq分量v_qunit进行控制，进而控制系统相位差，使得Δθ＝θ'-θ＝Δθ^*；

(6)单位dq分量控制参量与单位dq分量v_qunit进行比较后输入PI控制器，经PI控制器调节后输入频率、相位发生器，频率、相位发生器的输出信号为正交信号发生器、坐标变换器分别提供中心频率与相位；

(7)基于锁相环输出相位的死区角度为：θ_d＝2sin^-1d，由常数d唯一确定，常数d范围为：0<d<1；通过调节无线输电系统相位差角度大于死区角度同时小于系统最大相位差角度Δθ_max，即θ_d<Δθ<Δθ_max，即可实现基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关运行。

本发明创造性的使用改进型SOGI-PLL模块，在频率跟踪的基础上引入直接相位控制方法以及基于锁相环输出相位的死区角度调制方法，通过精确调节系统相位差及死区角度，能够使所述无线输电系统工作于准谐振状态，同时，能够巧妙地解决死区时间与谐振电流相位滞后控制匹配的问题，实现ZVS软开关运行。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明ZVS软开关运行的电压-电流示意图；

图3为本发明逆变器的拓扑结构图；

图4为本发明改进型SOGI-PLL结构示意图；

图5为本发明正交信号发生器的波特图；

图6为本发明基于锁相环输出相位的死区角度调制结果示意图；

图7为本发明基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关运行示意图

具体实施方式

如图1所示，为本发明的一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置的结构示意图，包括直流电压源、逆变器、耦合器、整流器、负载R_L、电流检测电路、改进型SOGI-PLL模块、PWM驱动模块；直流电压源经逆变器、耦合器、整流器与负载R_L相连，逆变器的电流输出端经电流检测电路与改进型SOGI-PLL的信号输入端相连，改进型SOGI-PLL的信号输出端与PWM驱动的控制信号输入端相连，PWM驱动的控制信号输出端与全桥逆变器的开关器件相连。

逆变器为开关器件两端带有反向续流二极管的全桥逆变器。

耦合器由发射端和接收端耦合而成，发射端由发射线圈L_p和发射端谐振电容C_p串联构成，接收端由接收线圈L_s和接收端谐振电容C_s串联构成。

整流器为二极管桥式整流器。

电流检测电路检测全桥逆变器的输出电流，为改进型SOGI-PLL提供输入信号；改进型SOGI-PLL根据电流检测电路提供的输入信号生成输出信号—输出相位θ'，该输出信号作为PWM驱动的输入控制信号；根据改进型SOGI-PLL生成的输出信号，PWM驱动产生四路控制信号S₁、S₂、S₃、S₄，控制全桥逆变器的开关器件。

如图4所示，改进型SOGI-PLL中包含正交信号发生器SOGI-QSG、坐标变换器、自适应增益AG、正弦逆变器、PI控制器和频率、相位发生器；输入信号经正交信号发生器、坐标变换器与自适应增益AG相连，生成单位dq分量v_qunit，系统相位差控制参数Δθ^*经正弦逆变器后生成单位dq分量控制参量单位dq分量控制参量与单位dq分量v_qunit进行比较再输入PI控制器，PI控制器与频率、相位发生器相连，所述频率、相位发生器的信号输出端分别与正交信号发生器、坐标变换器相连，为正交信号发生器、坐标变换器分别提供中心频率与相位。

其中，正交信号发生器的传递函数可分别由(1)、(2)表示。

$D\left(s\right)=\frac{v^{\&prime;}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s}{s^2+k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s+{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}---\left(1\right)$

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\&prime;}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}{s^2+k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s+{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}---\left(2\right)$

其中，k、ω'分别为正交信号发生器的增益、中心频率，中心频率ω'由频率、相位发生器提供。

由传递函数(1)、(2)分析可知，正交信号发生器具有良好的带通滤波特性，其中心频率为ω'，如图5中所描述的那样，ω'＝120000πrad/s。其中，滤波带宽与增益k有关，当k值越小时，带宽越窄，滤波特性越明显。然而，与之相对应的系统超调量越大，稳定时间越长。为了兼顾以上工程指标，本实施例中，取

由于谐波、干扰等原因，逆变器输出电流波形将发生畸变，在本实施例中，逆变器输出电流信号可以表示为如(3)式所示。

$v=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_n=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_n\cos (n{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}t+{\mathrm{\&Phi;}}_n)---\left(3\right)$

其中，V_n、nω'、Φ_n分别为n次谐波的幅值、角频率以及初始相位。

由于正交信号发生器具有带通滤波特性，能够提取中心频率处的信号，滤除其他频率成分信号，其输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}^{\&prime;}\\ {\mathrm{qv}}^{\&prime;}\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]=V_1\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}t+{\mathrm{\&Phi;}}_1)\\ \sin ({\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}t+{\mathrm{\&Phi;}}_1)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，V、θ分别表示为输入信号的幅值、相位且其值分别等于一次谐波(基波)的幅值、相位，V₁、ω'、Φ₁分别为一次谐波(基波)的幅值、角频率以及初始相位。

经坐标变换后，其dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}& \sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\\ -{\sin \mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}& \cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}^{\&prime;}\\ q{v}^{\&prime;}\end{array}\right]---\left(5\right)$

由(4)，(5)化简可得经坐标变换后的dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\\ -\sin ({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]---\left(6\right)$

在自适应增益AG环节中，以系统相位差控制参数Δθ^*、dq分量v_d作为调制参量，dq分量v_q作为输入量，单位dq分量v_qunit为输出量，当系统输入信号v幅值为零时，v_d为零，自适应增益值为1，当输入信号v幅值不为零时，v_d不为零，自适应增益值为输入信号v幅值的倒数，其表达式为： $\mathrm{AG}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\cos \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}^{*}}{v_d},& v_d\&NotEqual;0\\ 1,& v_d=0\end{array}\right..$

在改进型SOGI-PLL中引入了自适应增益AG后，对坐标变换后的dq分量v_q进行了单位化，得到了v_qunit，该单位dq分量为：v_qunit＝-sin(θ'-θ)。单位dq分量v_qunit的值将唯一取决于系统相位差Δθ＝θ'-θ。

本发明中引入了直接相位控制方法，通过调节系统相位差控制参数Δθ^*可以控制所述单位dq分量v_qunit，进而控制系统相位差，使得Δθ＝θ'-θ＝Δθ^*。

如图4所描述的那样，偏差值经过PI控制器后将生成频率补偿，通过频率、相位发生器使得改进型SOGI-PLL工作于锁相状态，实现频率跟踪。

如图6所描述的那样，通过基于锁相环输出相位的死区角度调制方法，死区角度可以由常数d唯一确定，常数d范围为：0<d<1，死区角度可表示为：θ_d＝2sin^-1d。

为实现如图2所描述的ZVS软开关运行方式，无线输电系统谐振电流相位滞后角度(系统相位差角度)需大于死区角度，其关系为：Δθ>θ_d。

与此同时，为实现谐振频率跟踪，同时满足上述软开关运行条件，无线输电系统工作于准谐振状态，系统输入功率因数近似为1，输入功率因数ρ取值范围为：ρ_min<ρ<1。

综上所述，为实现基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关运行，死区时间(角度)应足够抑制直通电流的产生，谐振电流相位滞后角度(系统相位差角度)小于由最小输入功率因数ρ_min确定的系统最大谐振电流相位滞后角度，同时，所述谐振电流相位滞后角度大于死区角度，其关系可表示为：2sin^-1d<Δθ^*<cos^-1(ρ_min)。

如图7所描述的那样，当上述条件均满足后，本发明中基于频率跟踪的无线输电系统最终将实现ZVS软开关运行。

Claims (4)

1.一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置，其特征在于，包括直流电压源、逆变器、耦合器、整流器、负载、电流检测电路、改进型SOGI-PLL模块、PWM驱动模块；直流电压源经逆变器、耦合器、整流器与负载相连，所述逆变器的电流输出端经电流检测电路与改进型SOGI-PLL模块的信号输入端相连，所述改进型SOGI-PLL模块的信号输出端与PWM驱动的控制信号输入端相连，所述PWM驱动的控制信号输出端与所述全桥逆变器的开关器件相连。

2.一种如权利要求1所述的基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置，其特征在于，所述改进型SOGI-PLL模块中包含正交信号发生器、坐标变换器、自适应增益调节器、正弦逆变器、PI控制器和频率、相位发生器；输入信号经正交信号发生器、坐标变换器与自适应增益调节器相连，系统相位差控制参数Δθ^*分别经正弦逆变器、自适应增益调节后进行比较再输入PI控制器，所述PI控制器与频率、相位发生器相连，所述频率、相位发生器的信号输出端分别与所述正交信号发生器、坐标变换器相连。

3.一种如权利要求1所述的基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置，其特征在于，所述耦合器由发射端和接收端耦合而成，所述发射端由发射线圈和发射端谐振电容串联构成，所述接收端由接收线圈和接收端谐振电容串联构成。

4.一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用电流检测电路对全桥逆变器的输出电流进行检测，为改进型SOGI-PLL模块提供输入信号；

逆变器输出电流信号如下：

$v=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_n=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_n\cos (n{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}t+{\mathrm{\&Phi;}}_n)$

式中，V_n、nω'、Φ_n分别为n次谐波的幅值、角频率以及初始相位；

(2)输入信号经正交信号发生器后变为

$\left[\begin{array}{c}{v}^{\&prime;}\\ q{v}^{\&prime;}\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&theta;}\\ \sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]=V_1\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}t+{\mathrm{\&Phi;}}_1)\\ \sin ({\mathrm{\&omega;}}^{t}t+{\mathrm{\&Phi;}}_1)\end{array}\right]$

式中，V、θ分别表示输入信号的幅值、相位且其值分别等于一次谐波的幅值、相位，V₁、ω'、Φ₁分别表示一次谐波的幅值、角频率以及初始相位；

其中，正交信号发生器的传递函数为

$D\left(s\right)=\frac{v^{\&prime;}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s}{s^2+k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s+{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}$

$Q\left(s\right)=\frac{q{v}^{\&prime;}}{v}\left(s\right)=\frac{k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}{s^2+k{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}s+{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;2}}$

式中，k、ω'分别为正交信号发生器的增益、中心频率，中心频率ω'由频率、相位发生器提供；

(3)正交信号发生器的输出信号经坐标变换后，其dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}& \sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\\ -\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}& \cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}^{\&prime;}\\ q{v}^{\&prime;}\end{array}\right]$

化简后的dq输出为：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}\cos ({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\\ -\sin ({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\end{array}\right]$

(4)将系统相位差控制参数Δθ^*、dq分量v_d作为自适应增益AG的调制参量，dq分量v_q作为自适应增益AG的输入量，当系统输入信号v幅值为零时，v_d为零，自适应增益值为1，当输入信号v幅值不为零时，v_d不为零，自适应增益值为输入信号v幅值的倒数，其表达式为：

$\mathrm{AG}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\cos \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}^{*}}{v_d},& v_d\&NotEqual;0\\ 1,& v_d=0\end{array}\right.$

自适应增益AG的输出量为v_qunit，v_qunit＝-sin(θ'-θ)，式中θ'为改进型SOGI-PLL模块的输出相位，单位dq分量v_qunit的值唯一取决于系统相位差Δθ＝θ'-θ；

(5)系统相位差控制参数Δθ^*经正弦逆变器后生成单位dq分量控制参量通过调节系统相位差控制参数Δθ^*对单位dq分量v_qunit进行控制，进而控制系统相位差，使得Δθ＝θ'-θ＝Δθ^*；

(6)单位dq分量控制参量与单位dq分量v_qunit进行比较后输入PI控制器，经PI控制器调节后输入频率、相位发生器，频率、相位发生器的输出信号为正交信号发生器、坐标变换器分别提供中心频率与相位；

(7)基于锁相环输出相位的死区角度为：θ_d＝2sin^-1d，由常数d唯一确定，常数d范围为：0<d<1；通过调节无线输电系统相位差角度大于死区角度同时小于系统最大相位差角度Δθ_max，即θ_d<Δθ<Δθ_max，即可实现基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关运行。