CN104834345B - 水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法，用于解决现有方法传输效率低的技术问题。技术方案是通过对相邻时刻采样电压和输出功率分别进行比较，将比较结果进行有效性判定和最大功率处理，并应用该结果调节PWM信号占空比D，从而控制阻抗变换器的开关管,调节接收端的特征阻抗，使得整个系统时刻处于阻抗匹配状态。本发明实现了当海水波动较大导致的系统传输系统的输出功率变化较大时，进行快速跟踪，确保发射端和接收端的实时阻抗匹配，达到最优输出功率；当输出功率波动较小时，通过该方法进行输出功率的有效性判定，剔除过小的功率波动信号，从而稳定输出功率，保护负载并提高传输效率。

Description

水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法。

背景技术

专利“磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，201310065865.1，中国”公开了一种提高磁谐振式无线电能装置传输功率的方法。该方法所用装置包括由两个反向并联的补偿支路构成的补偿电路和一个控制系统；每一个补偿支路由一个容值固定电容和一个开关管串联；所述补偿电路与谐振电容并联或串联，对谐振电路工作时因电路参数变化导致的失谐进行补偿。针对磁谐振式无线电能传输特点，运用“容值固定电容+开关管”式的相控电容调谐装置，实现了对发射电路和接收电路的谐振补偿，可使磁谐振式无线电能传输装置重新达到谐振状态，从而避免了失谐造成的传输功率的降低。该专利仅解决了装置频率失谐时候造成的功率损失问题，适应性不强；实际应用中，发射电路和接受电路间距对传输功率的影响更加显著，在海洋中，洋流和海浪会时刻影响发射电路和接收电路的间距，从而使发射线圈和接收线圈的耦合系数时刻发生改变，导致系统输出功率不断变化，并且长期处于较低的水平。不但导致较低的传输效率，也严重影响负载的寿命。

发明内容

为了克服现有方法传输效率低的不足，本发明提供一种水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法。该方法通过对相邻时刻采样电压和输出功率分别进行比较，将比较结果进行有效性判定和最大功率处理，并应用该结果调节PWM信号占空比D，从而控制阻抗变换器的开关管,调节接收端的特征阻抗，使得整个系统时刻处于阻抗匹配状态。本发明实现了当海水波动较大导致的系统传输系统的输出功率变化较大时，进行快速跟踪，确保发射端和接收端的实时阻抗匹配，达到最优输出功率；当输出功率波动较小时，通过该方法进行输出功率的有效性判定，剔除过小的功率波动信号，从而稳定输出功率，保护负载并提高传输效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、磁谐振式无线电能传输系统接收端的整流模块将接收电路中的高频交流电整流后，采样电路采样得到(k+1)时刻电压和电流值，通过低通滤波器和PI调节器后，得到I_m(k+1)、U_m(k+1)并输入控制器中；利用控制单元中的乘法器计算出实时功率信号P(k+1)，并与k时刻的P(k)和U_m(k)进行比较得到ΔP和ΔU_m。

式中，I_m(k+1)、U_m(k+1)和P(k+1)分别表示k+1时刻的电流信号、电压信号和功率信号；P(k)和U_m(k)表示k时刻的功率信号和电压信号；ΔP＝P(k+1)-P(k)，ΔU_m＝U_m(k+1)-U_m(k)。

步骤二、将得到的ΔP进行有效性判定，判定的方法为：引入一个功率变化的参考值ΔP_ref，若|ΔP|＞ΔP_ref，此时判定ΔP有效，输出ΔP；若|ΔP|≤ΔP_ref，此时判定ΔP无效，将ΔP归零并输出ΔP。

步骤三、通过比较判定后的ΔP和ΔU_m的正负和大小，控制k+1时刻控制器输出的PWM信号的占空比D，控制方法为：

I.当ΔP为正、ΔU_m为正时，D增大T步长；

II.当ΔP为正、ΔU_m为负时，D减小T步长；

III.当ΔP为负、ΔU_m为正时，D减小T步长；

IV.当ΔP为负、ΔU_m为负时，D增大T步长；

V.当ΔP为零，D不变。

式中，T为PWM信号占空比D变化的固定步长。

步骤四、控制器输出占空比为D的PWM信号，控制开关管的开通关断，从而达到阻抗的调节。

本发明的有益效果是：该方法通过对相邻时刻采样电压和输出功率分别进行比较，将比较结果进行有效性判定和最大功率处理，并应用该结果调节PWM信号占空比D，从而控制阻抗变换器的开关管,调节接收端的特征阻抗，使得整个系统时刻处于阻抗匹配状态。本发明实现了当海水波动较大导致的系统传输系统的输出功率变化较大时，进行快速跟踪，确保发射端和接收端的实时阻抗匹配，达到最优输出功率；当输出功率波动较小时，通过该方法进行输出功率的有效性判定，剔除过小的功率波动信号，从而稳定输出功率，保护负载并提高传输效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法用系统结构图。

图2是本发明方法接收端控制电路的MATLAB/SIMULINK仿真模型图。

图3是本发明方法的MATLAB/SIMULINK仿真模型图。

图4是本发明水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法简图。

图5是本发明水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法的流程图。

图6是采用传统最大功率跟踪系统的功率波形图。

图7是本发明水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法的功率波形图。

具体实施方式

参照图1-7。本发明水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法具体步骤如下：

步骤一、磁谐振式无线电能传输系统接收端的整流模块将接收电路中的高频交流电整流后，采样电路采样得到(k+1)时刻电压和电流值，通过低通滤波器和PI调节器后，得到I_m(k+1)、U_m(k+1)并输入控制器中；利用控制单元中的乘法器计算出实时功率信号P(k+1)，并与k时刻的P(k)和U_m(k)进行比较得到ΔP和ΔU_m。

式中，I_m(k+1)、U_m(k+1)和P(k+1)分别表示k+1时刻的电流信号、电压信号和功率信号；P(k)和U_m(k)表示k时刻的功率信号和电压信号；ΔP＝P(k+1)-P(k)，ΔU_m＝U_m(k+1)-U_m(k)。

步骤二、将得到的ΔP进行有效性判定，判定的方法为：引入一个功率变化的参考值ΔP_ref，若|ΔP|＞ΔP_ref，此时判定ΔP有效，输出ΔP；若|ΔP|≤ΔP_ref，此时判定ΔP无效，将ΔP归零并输出ΔP。

步骤三、通过比较判定后的ΔP和ΔU_m的正负和大小，控制k+1时刻控制器输出的PWM信号的占空比D，控制方法为：

I.当ΔP为正、ΔU_m为正时，D增大T步长；

II.当ΔP为正、ΔU_m为负时，D减小T步长；

III.当ΔP为负、ΔU_m为正时，D减小T步长；

IV.当ΔP为负、ΔU_m为负时，D增大T步长；

V.当ΔP为零，D不变。

式中，T为PWM信号占空比D变化的固定步长。

步骤四、控制器输出占空比为D的PWM信号，控制开关管的开通关断，从而达到阻抗的调节。

1、参照图1。本发明中用来实现水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法的系统包括发射端谐振电路、接收端谐振电路、整流模块、控制模块、阻抗变换器和负载。

2、参照图2-3。为了进行详尽的说明，使用MATLAB/SIMULINK搭建了接收端控制电路的仿真系统。其中电源电压U_R为12V，电感为L为78μH，电容C为1.3mF，负载电阻R_L为3Ω，开关管Q工作频率20KHZ；用step、breaker仿真模块和两个阻值为4Ω的电阻R₁、R₂组成的模块模拟因传输距离的改变而导致的输入阻抗的变化：初始输入阻抗为4Ω，0.025s时输入阻抗变为2Ω。在最大功率追踪方法的MATLAB/SIMULINK仿真模型中，电路的采样频率为20KHZ，高频交流电经过整流模块整流后被电压、电流检测模块采样，在k和k+1时刻采样电压和电流经过一阶惯性环节的滤波后，其值被采样保持器保持一个周期。

3、参照图4。在控制单元中计算k和k+1时刻采样的电流和电压U_m(k)、I_m(k+1)、U_m(k+1)，计算出实时功率P(k+1)和P(k)，进行比较得到差值ΔP和ΔU_m。将得到的ΔP再与参考功率ΔP_ref比较，进行有效性判定，判定方法为：

I.若|ΔP|＞ΔP_ref，此时判定ΔP有效，输出ΔP；

II.若|ΔP|≤ΔP_ref，此时判定ΔP无效，将ΔP归零并输出ΔP。

4、参照图5。判定后的ΔP和ΔU_m通过水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法实时控制PWM信号的占空比D，控制方法为：

I.当ΔP为正、ΔU_m为正时，D增大T步长；

II.当ΔP为正、ΔU_m为负时，D减小T步长；

III.当ΔP为负、ΔU_m为正时，D减小T步长；

IV.当ΔP为负、ΔU_m为负时，D增大T步长；

V.当ΔP为零，D不变。

控制器将PWM信号调制成相应占空比的信号并输出，来改变阻抗变换器特征阻抗，从而达到阻抗匹配，最终实现最大功率追踪。仿真实验中，固定步长T为0.001，步长越大，系统相应的速度越快，但误差和稳态时的震荡越大；步长越小，系统相应越平滑，但动态响应速度则变慢。输出的PWM信号通过驱动电路控制开关管Q开通关断，进而改变阻抗变换器的特征阻抗与系统的输入阻抗相配。

5、参照图6。在同一实验条件下运用传统的最大功率追踪法，由结果可以看出：在0.025s时，系统发射端阻抗发生变化，控制模块接收到变化的采样电流和采样电压并开始工作，输出功率升高至约5.3v开始震荡，这是由于传统的最大功率追踪方法当系统跟踪到最大功率点附近时扰动仍然没有停止，使得系统在最大功率点附近震荡。

6、参照图7。采用本发明的水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法的情况下，结果可以看出：在0.025s阻抗发生变化后，输出功率从2.3w增加至6w，并且输出功率保持稳定，并没有发生震荡。这是由于系统在达到最大功率点附近时，有效性判定规则消除了扰动，输出功率更高，最大功率处震荡较小，整个波形更加平滑，输出更加稳定。

Claims (1)

1.一种水下磁谐振式无线电能传输最大功率追踪方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、磁谐振式无线电能传输系统接收端的整流模块将接收电路中的高频交流电整流后，采样电路采样得到(k+1)时刻电压和电流值，通过低通滤波器和PI调节器后，得到I_m(k+1)、U_m(k+1)并输入控制器中；利用控制单元中的乘法器计算出实时功率信号P(k+1)，并与k时刻的P(k)和U_m(k)进行比较得到ΔP和ΔU_m；

式中，I_m(k+1)、U_m(k+1)和P(k+1)分别表示k+1时刻的电流信号、电压信号和功率信号；P(k)和U_m(k)表示k时刻的功率信号和电压信号；ΔP＝P(k+1)-P(k)，ΔU_m＝U_m(k+1)-U_m(k)；

步骤二、将得到的ΔP进行有效性判定，判定的方法为：引入一个功率变化的参考值ΔP_ref，若|ΔP|＞ΔP_ref，此时判定ΔP有效，输出ΔP；若|ΔP|≤ΔP_ref，此时判定ΔP无效，将ΔP归零并输出ΔP；

步骤三、通过比较判定后的ΔP和ΔU_m的正负和大小，控制k+1时刻控制器输出的PWM信号的占空比D，控制方法为：

I.当ΔP为正、ΔU_m为正时，D增大T步长；

II.当ΔP为正、ΔU_m为负时，D减小T步长；

III.当ΔP为负、ΔU_m为正时，D减小T步长；

IV.当ΔP为负、ΔU_m为负时，D增大T步长；

V.当ΔP为零，D不变；

式中，T为PWM信号占空比D变化的固定步长；

步骤四、控制器输出占空比为D的PWM信号，控制开关管的开通关断，从而达到阻抗的调节。