CN105403798B - 一种无线电能传输系统的可视化分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无线电能传输系统的可视化分析方法，属于电力工程领域。本发明的方法将WPT系统抽象成二端口网络模型；根据输出端口开路时的输入电流、输出端口短路时的输入电流，以及输出端口带正常负载时的输入电流的相量值，在复平面上绘出圆图；根据WPT系统稳态参量的解析表达式，在同一平面上绘制代表这些稳态参量的线段，得到WPT系统参量轨迹图；将线段的几何长度与相应的比例尺相乘，便得到对应参量的实际大小。不仅能够直观读出主要参量的大小和辐角，更重要的是，可以通过线段长度和角度的变化，直观动态地观察出各参量之间的联动变化规律。

Description

一种无线电能传输系统的可视化分析方法
技术领域
本发明涉及电能的无线传输问题，即用非导线接触方式为电气设备提供电力，属于电力工程技术领域。
背景技术
无线电能传输(简称WPT)技术是一种不使用导线连接来传输电能的技术。由于2007年MIT学者取得的重要研究进展，以及人们对其美好应用前景的期待，目前掀起了WPT技术新的研究热潮。借助WPT技术，人们可以不使用导线连接来传输电能，有望解决特殊场合下，用电设备与电源的连接问题。例如，为电动车和便携式电子设备充电、为移动运输设备提供电力、为无线传感器补充电能等。另外，在水下、潮湿、密闭容器内、易燃易爆、核能等环境下使用WPT技术，可以解决供电难问题，避免插拔导线带来的危险。
在对WPT技术开展研究的过程中，人们总是关心一些重要的技术参量，例如稳态时的输入电流、输入功率、输出电流、输出电压、输出功率，以及传输效率等。目前的研究方法主要是仿真和实验。所谓仿真，就是根据人为建立的电网络模型或电磁场模型，利用商用仿真软件进行辅助计算，得到上述参量的数值解或变化波形，但不宜看出各参量之间的联动关系。而真实的实验研究存在损坏器件的危险，实验代价较大。
发明内容
本发明的目的是，提供一种分析WPT系统主要技术参量的可视化方法。该方法借助一张复平面的几何图形，能够直观地同时看出各稳态技术参量与某参数变动时的对应关系，也可从图中定量测算出这些参量的量值。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
(1)将无线电能传输系统的发射电源内阻抗、发射回路阻抗补偿网络、能量耦合单元和接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络。再将这些二端口网络的级联等效成网络N。
(2)用二端口网络的传输参数计算等效输入复阻抗Zin。再用Z2s表示输入端口短路时，从输出端口看进去的等效复阻抗；用表示输出端口开路时，输入端口的电流；用表示输出端口短路时，输入端口的电流。利用上述各种表示，WPT系统输入端口的实际电流可表示为，
从复变函数角度看，上式是个保圆映射，即和的端点在同一个圆周上，称为圆图。圆心坐标和半径由WPT系统结构、参数，以及等效负载复阻抗来决定。
(3)在圆图基础上，利用各参量之间所遵循的物理和数学关系，将WPT系统的主要参量，用复平面上几何线段的长度或角度来表示，如图5所示，称为WPT系统稳态参量轨迹图，简称轨迹图。
由于采用了以上技术方案，本发明能够达到以下有益效果：
(1)本发明实现了WPT系统主要参量的可视化分析。也就是说，可以通过复平面中几何线段的长度或角度来读取WPT系统主要参量值，包括参量的大小和参量的辐角。
(2)本发明实现了WPT系统主要参量相互之间变化趋势的联动观察，可以直观观察各个参量的联动关系；通过WPT系统参量轨迹图中几何线段的伸缩和旋转，可以动态地看出负载或其他参数变动时，WPT系统主要参量大小和辐角的变化趋势。
(3)能够从轨迹图上读取的主要参量包括：接收端口空载时发射端口电流、接收端短路时发射端口电流、接收端口有载时发射端口电流和接收端口电流、负载阻抗的模、发射端口有功功率、发射端口无功功率、接收端口有功功率、传输效率。
附图说明
图1是WPT系统一般组成。
图2是用于WPT系统能量耦合单元示例。(a)静止耦合；(b)运动耦合。
图3是用于WPT系统的阻抗补偿网络示例。
图4是WPT系统的二端口网络等效电路。
图5是WPT系统稳态参量轨迹图示例。
具体实施方式
下面结合上述方案和附图，对本发明进行详细描述。
无线电能传输系统的一般组成如图1所示，其中的能量耦合单元示例如图2所示，阻抗补偿网络示例如图3所示。将无线电能传输系统的发射电源内阻抗、发射回路阻抗补偿网络、能量耦合单元和接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络。
再将这些二端口网络的级联等效成网络N，如图4所示。其中表示发射电源的电动势相量；ZL表示等效负载复阻抗；Zin表示等效输入复阻抗；表示输入端口电流相量；表示输出端口电流相量。
用二端口网络的传输参数计算输入阻抗的表达式是，
其中，T11、T12、T21和T22表示二端口网络传输参数矩阵元素。
因此，输入电流与等效负载复阻抗ZL的关系为，
再用Z2s表示输入端口短路时，从输出端口看进去的等效复阻抗，即
用表示输出端口开路时，输入端口的电流，即
用表示输出端口短路时，输入端口的电流，即
利用上述各种表示，输入端口的实际电流为，
根据复变函数映射原理，和的端点必在同一个圆周上，如图5所示。
设等效负载复阻抗的阻抗角不变，改变等效负载复阻抗的模|ZL|，做出随|ZL|的变化轨迹，如图5中的实线圆弧所示。
如令根据平面几何原理，圆的半径按下式计算，
圆心坐标可以利用三点确定一个圆的原理，根据和的端点坐标来确定。
定义电流实际大小与轨迹图上几何长度的比例尺为，
符号上面的横线表示轨迹图上的几何长度，单位是毫米。例如，表示电流相量在轨迹图上的几何长度；而表示相量与端点连线的几何长度。本发明中，除了是由定义给出外，其余比例尺都是根据参量的解析表达式推导出来的。
以下给出主要参量在WPT轨迹图上的读取方法，参见图5。
(1)空载电流和短路电流的读取
接收端空载即开路时，发射端电流为，
I1o表示电流相量的有效值，单位安培。上面不含逗点的电流符号I和电压符号U，都表示有效值。
(9)式说明，用比例尺乘以轨迹图上的几何长度便得到有效值电流I1o。以下带有比例尺的表达式，都表示此含义。
接收端短路时，发射端电流为，
(2)输出电流有效值I2的读取
其中比例尺，
(3)输出电压U2的读取
其中比例尺，
(4)负载阻抗|ZL|的读取
其中比例尺，
(5)发射端有功功率P1的读取
其中比例尺，
(6)接收端有功功率P2的读取
其中比例尺，
(7)传输效率η的读取
其中比例尺，

Claims (1)

1.一种无线电能传输系统的可视化分析方法，其特征在于以下步骤，
(1)将无线电能传输系统的高频发射电源内阻抗、发射回路阻抗补偿网络、能量耦合单元和接收回路阻抗补偿网络，分别单独等效成二端口网络，再将这些二端口网络的级联等效成网络N；
(2)用二端口网络的传输参数计算等效输入复阻抗Zin，即
其中，T11、T12、T21和T22表示二端口网络传输参数矩阵元素，表示高频发射电源的电动势相量；表示输出端口电流相量；
因此，输入电流与等效负载复阻抗ZL的关系为，
再用Z2s表示输入端口短路时，从输出端口看进去的等效复阻抗，即
用表示输出端口开路时，输入端口的电流，即
用表示输出端口短路时，输入端口的电流，即
利用上述各种表示，WPT系统输入电流表示为
从复变函数角度看，上式是个保圆映射，即和的端点在同一个圆周上，称为圆图；
设等效负载复阻抗的阻抗角不变，改变等效负载复阻抗的模|ZL|，做出随|ZL|的变化轨迹，
令根据平面几何原理，圆的半径按下式计算，
圆心坐标利用三点确定一个圆的原理，根据和的端点坐标来确定；
定义电流实际大小与轨迹图上几何长度的比例尺为，
符号上面的横线表示轨迹图上的几何长度，单位是毫米；表示电流相量在轨迹图上的几何长度；而表示相量与端点连线的几何长度；除了是由定义给出外，其余比例尺都是根据参量的解析表达式推导出来的；
(3)在圆图基础上，利用各参量之间所遵循的物理和数学关系式(1)-(8)，将WPT系统的主要参量，用复平面上几何线段的长度或角度来表示，称为WPT系统稳态参量轨迹图；
以下给出主要参量在WPT轨迹图上的读取方法，
(1)空载电流和短路电流的读取
接收端空载即开路时，发射端电流为，
I1o表示电流相量的有效值，单位安培；表示相量在轨迹图上的几何长度；上面不含逗点的电流符号I和电压符号U，都表示有效值；
(9)式说明，用比例尺乘以轨迹图上的几何长度便得到有效值电流I1o；以下带有比例尺的表达式，都表示此含义；
接收端短路时，发射端电流为，
表示相量在轨迹图上的几何长度；
(2)输出电流有效值I2的读取
表示终点和终点连线在轨迹图上的几何长度；
其中比例尺，
(3)输出电压U2的读取
表示终点与终点连线在轨迹图上的几何长度；
其中比例尺，
(4)等效负载复阻抗的模|ZL|的读取
其中比例尺，
表示终点与终点连线在轨迹图上的几何长度；
(5)发射端有功功率P1的读取
其中比例尺，
(6)接收端有功功率P2的读取
其中比例尺，
(7)传输效率η的读取
其中比例尺，
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