CN105914801B - 一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置及其切换方法 - Google Patents
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- H02J5/005—
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Abstract
本发明公开了一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置及其切换方法，其地面供电装置包括直流电源、高频逆变器、与高频逆变器并联的n组LCL谐振补偿网络、n组切换开关和n组原边供电线圈。采用本发明的控制方法：当拾取线圈与当前供电线圈的互感开始下降时，首先使当前供电线圈与下一段供电线圈同时得电，实行双线圈供电，维持原、副边互感和与拾取电压的平稳；当拾取线圈完全进入下一段供电线圈时，依据原边供电电路的电流信息实施零电流开关关断，降低切换冲击及损耗；在分段供电线圈切换过程中，保证副边拾取电压始终连续、稳定，维持副边用电设备的平稳、高效运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置及其切换方法。
背景技术
无线电能传输技术是利用电磁波、电场或磁场耦合原理，将电能以非接触的方式为用电设备供电的技术。在轨道交通牵引供电中应用无线电能传输技术，避免了传统的接触网、第三轨等接触式供电方式中存在的碳积、磨损现象，同时避免了拉弧、触电等危险，因而具有维护成本更低、安全性更高等优点。
轨道交通无线电能传输技术的电能传输功率大、供电距离长，为了降低单个供电线圈上的电能损耗，需要避免采用过长的原边供电线圈，转而采用多段较短的原边供电线圈交替供电的方式，为副边拾取线圈提供感应电能。分段式无线电能传输系统一般包括地面供电装置和车载能量拾取装置两个部分。一般来说，地面供电装置由直流母线提供直流电能，并通过功率控制器和高频谐振逆变器为供电线圈提供交流电能，在供电线圈敷设范围内产生高频交变磁场。当车载能量拾取装置进入该高频交变磁场，即可在拾取线圈中产生高频感应电压，再经过高频整流器将交流电转换为直流电提供给用电负载。
在车辆运行过程中，为使用电负载从地面供电装置持续、高效获取电能，应保证车载能量拾取装置进入的分段供电线圈处于激活状态，而其它段的供电线圈处于关断状态。现有的分段切换方法多通过在分段供电线圈两端设置位置传感器或第三检测线圈的手段，当检测到车载拾取装置进入时激活该段供电线圈，驶出时关断该段供电线圈。然而，车载拾取装置从刚进入或即将驶出分段供电线圈时，由于两者之间电磁耦合强度(可用互感来表征)的减弱，感应拾取电压也随之降低，造成供电不稳定或间断现象。这种现象主要发生在分段式无线电能传输系统的跨段供电区域，由此带来的功率波动问题不仅导致电能质量下降、还会对用电设备或功率开关器件造成冲击，甚至使其烧毁。另外，当用电负载工作状态(启动、制动、惰性等)变化时，表现为在供电线圈中反射阻抗的变化，导致供电线圈电流波动，也会引起供电的不稳定。
现有无线电能传输系统分段切换技术的缺点在于：1)忽略了跨段供电区域的互感变化规律；2)未对分段供电线圈长度及相邻距离进行优化；3)位置传感器或第三检测线圈判断的分段切换时机不合理；4)为避免供电线圈电流的波动，需要附加对供电线圈电流信号的检测、处理及控制装置。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的第一目的是，提供一种分段切换的无线电能传输系统的原边供电装置；该装置的谐振补偿结构，在不增加电流信号的检测、处理及控制装置的前提下，维持供电线圈电流的恒定；同时，该装置的原边供电线圈间距和位置传感器安装位置的设计，使车载感应拾取电压在跨段区间保持平滑过渡，维持切换前后感应电压不变。
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案为：
一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置，包括直流电源(Uin)、高频逆变器(INV)、n组LCC谐振补偿网络和n组原边供电线圈(Lpi，i＝1,2,3…n)，并依次相连，其特征在于：
高频逆变器(INV)输出恒定交流电压Up，并与n组LCC谐振补偿网络并联连接，每组LCC谐振补偿网络与一组原边供电线圈相连；所述LCC谐振补偿网络中，以第i组为例，从输入端到输出端依次连接串联滤波电感(Lfi)，左切换开关(Kai)，并联滤波电容(Cfi)、串联谐振电容(Cpi)和右切换开关(Kbi)，形成T型补偿拓扑；所述串联滤波电感(Lfi)与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述串联谐振电容(Cpi)与第i组供电线圈(Lpi)的串联等效电感与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述LCC谐振补偿网络为原边供电线圈提供恒定交流电流Ip，并有
Lf1＝Lf2＝…＝Lfi＝…＝Lfn
其中，为原边线圈电流相量，为逆变器输出电压相量，j为虚数单位，ω为系统角频率，Lfi为各组LCC谐振网络中的串联滤波电感；其中，i＝1,2,3…n；
所述的n组原边供电线圈沿轨道依次放置，相邻两个原边供电线圈(Lpi，Lpi+1)中点以最优间距放置；
所述轨道沿线设置有为供电控制器提供机车位置信号的位置传感器；每一个原边供电线圈i都设置有两个位置传感器，即第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)和下游侧位置传感器(Sbi)；每一个原边供电线圈i都设置有两个受供电控制器控制的切换开关，即左切换开关(Kai)和右切换开关(Kbi)。
所述相邻两个原边供电线圈(Lpi，Lpi+1)中点以最优间距及位置传感器放置位置确定，采用如下方法：
a.首先，利用有限元数值分析方法或实测法绘制出副边拾取线圈(PU)与单个原边供电线圈(Lpi)之间的互感变化规律(Mi)，并确定最大稳定互感值为原、副边互感的数学期望EM；
b.然后，设定第i个线圈中点为Ai，第i+1个线圈中点为Ai+1，在[Lmin,Lmin+pΔL]范围内改变两线圈中点Ai和Ai+1的间距Li,x，使
Li,x＝Lmin+xΔL(x＝0,1,2…p)
Lmin为单个原边供电线圈的长度，ΔL为设定的迭代步长；在Ai到Ai+1点之间等间距选取m个样本点，在每个样本点k处计算出副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Si,k，
Si,k＝Mi,k+Mi+1,k(k＝1,2,3…m,i＝1,2,3…n)
其中，Mi,k为第i个原边供电线圈(Lpi)与副边拾取线圈(PU)在样本点k处的互感，Mi+1,k为第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)与副边拾取线圈(PU)在样本点k处的互感；
c.接着，依据原、副边互感的数学期望EM，计算m个样本点上副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Si,k的总体方差σx，公式为
在不同的间距条件下，计算副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Si,k的总体方差σx，当σx满足
σx＝min{σ0,σ1,σ2…σp}
时，可以确定此时两线圈中点间距Li,x为第i个原边供电线圈(Lpi)与第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)之间的最优间距。
所述第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
所述第i个原边供电线圈(Lpi)的下游侧位置传感器(Sbi)的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
与现有技术相比，本发明装置的有益效果是：
1、利用LCC谐振补偿网络的谐振特性和恒流特性，为供电线圈提供恒定电流，无需增加恒流控制环节，结构简单，实现成本较低。
2、在合理的位置设计了交流开关，不会在线圈关断时，引起由于谐振元件放电造成的电流冲击现象，降低了由于元件两端电压、电流应力过高造成的器件损坏风险。
3、在最优间距条件下，副边拾取线圈的感应电压将在移动过程中保持稳定，进而保证了用电负载两端电压的稳定。
本发明的第二发明目的是，为上述装置提供一种分段切换的无线电能传输系统的原边供电线圈切换方法，选取软开关切换方式，合理的设置切换时机，以维持副边拾取线圈感应电压稳定不变，同时减小线圈切换过程中的电能损耗。
本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案为
采用上述装置的分段切换的无线电能传输系统原边供电方法，原边供电线圈采用如下的切换方法：
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈运行至第i个原边供电线圈的上游侧位置传感器处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i个原边供电线圈的左切换开关和右切换开关发出开通指令，使第i个原边供电线圈得电，此时副边拾取线圈仅通过第i个原边供电线圈获取电能；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈运行至第i个原边供电线圈的下游侧位置传感器处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+1个原边供电线圈的左切换开关和右切换开关发出开通指令，使第i+1个原边供电线圈得电，两个原边供电线圈同时为副边拾取线圈供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈运行至第i+1个原边供电线圈的上游侧位置传感器处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器首先控制第i个供电线圈的左切换开关软开关关断，然后控制对应的右切换开关软开关关断；其中，左切换开关的软开关关断过程为：通过左侧电流传感器判断当前流过左切换开关的电流方向，将左切换开关中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；同理，右切换开关的软开关关断过程过程为，通过右侧电流传感器判断当前流过右切换开关电流方向，将右切换开关中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；此时，仅第i+1个原边供电线圈为副边拾取线圈供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈运行至第i+1个原边供电线圈的下游侧位置传感器处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+2个原边供电线圈的左切换开关和右切换开关发出开通指令，使第i+2个原边供电线圈得电，并以此类推，直至副边拾取线圈驶出第n个原边供电线圈范围。其中，i＝1,2,3…n。
与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：
1、利用权利要求1所述的位置传感器，确定了合适的线圈切换时机，避免了切换时机不恰当引起的系统供电不稳定现象。
2、制定了合理的原边供电线圈零电流关断策略，借助原边供电线圈中设置的电流传感器，分别在双向交流开关的各单开关管中无电流通过的半个周期内，执行关断动作。该方法在一个周期内实现了线圈的切换，明显降低了对开关管开通和关断速度的要求，节约了器件成本，提高了切换稳定性。
附图说明
图1为本发明一种分段切换的无线电能传输系统装置示意图。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是：
1、一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置，包括直流电源(Uin)、高频逆变器(INV)、n组LCC谐振补偿网络和n组原边供电线圈(Lpi，i＝1,2,3…n)，并依次相连，其特征在于：
高频逆变器(INV)输出恒定交流电压Up，并与n组LCC谐振补偿网络并联连接，每组LCC谐振补偿网络与一组原边供电线圈相连；所述LCC谐振补偿网络中，以第i组为例，从输入端到输出端依次连接串联滤波电感(Lfi)，左切换开关(Kai)，并联滤波电容(Cfi)、串联谐振电容(Cpi)和右切换开关(Kbi)，形成T型补偿拓扑；所述串联滤波电感(Lfi)与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述串联谐振电容(Cpi)与第i组供电线圈(Lpi)的串联等效电感与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述LCC谐振补偿网络为原边供电线圈提供恒定交流电流Ip，并有
Lf1＝Lf2＝…＝Lfi＝…＝Lfn
其中，为原边线圈电流相量，为逆变器输出电压相量，j为虚数单位，ω为系统角频率，Lfi为各组LCC谐振网络中的串联滤波电感。其中，i＝1,2,3…n。
所述的n组原边供电线圈沿轨道依次放置，相邻两个原边供电线圈(Lpi，Lpi+1)中点最优间距的确定方法是：
a.首先，利用有限元数值分析方法或实测法绘制出副边拾取线圈与单个原边供电线圈之间的互感变化规律，并确定最大稳定互感值为原、副边互感的数学期望EM；
b.然后，设定第i个线圈中点为Ai，第i+1个线圈中点为Ai+1，在[Lmin,Lmin+pΔL]范围内改变两线圈中点Ai和Ai+1的间距Li,x，使
Li,x＝Lmin+xΔL(x＝0,1,2…p)
Lmin为单个原边供电线圈的长度，ΔL为设定的迭代步长；在Ai到Ai+1点之间等间距选取m个样本点，在每个样本点k处计算出副边拾取线圈与两原边供电线圈的互感和Si,k，
Si,k＝Mi,k+Mi+1,k(k＝1,2,3…m,i＝1,2,3…n)
其中，Mi,k为第i个原边供电线圈与副边拾取线圈在样本点k处的互感，Mi+1,k为第i+1个原边供电线圈与副边拾取线圈在样本点k处的互感；
c.接着，依据原、副边互感的数学期望EM，计算m个样本点上副边拾取线圈与两原边供电线圈的互感和Si,k的总体方差σ，公式为
在不同的间距条件下，计算副边拾取线圈与两原边供电线圈的互感和Sik的总体方差σx，当σx满足
σx＝min{σ0,σ1,σ2…σp}
时，可以确定此时两线圈中点间距Li,x为第i个原边供电线圈与第i+1个原边供电线圈之间的最优间距。
此时，副边拾取线圈与相邻两个原边供电线圈之间的互感变化规律曲线前后相交且互补，互感和变化规律几乎保持平稳不变，由公式
可知，副边拾取线圈的感应电压将在副边线圈(PU)移动过程中保持稳定，进而保证了用电负载两端电压的稳定；
所述第i个原边供电线圈的上游侧位置传感器的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
所述第i个原边供电线圈的下游侧位置传感器的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
本装置采用如下的方法控制原边供电线圈的切换方法：
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i个原边供电线圈(Lpi)的左切换开关(Kai)和右切换开关(Kbi)发出开通指令，使第i个原边供电线圈(Lpi)得电，此时副边拾取线圈(PU)仅通过第i个原边供电线圈获取电能；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i个原边供电线圈(Lpi)的下游侧位置传感器(Sbi)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的左切换开关(Kai+1)和右切换开关(Kbi+1)发出开通指令，使第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)得电，两个原边供电线圈(Lpi、Lpi+1)同时为副边拾取线圈(PU)供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的上游侧位置传感器(Sai+1)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器首先控制第i个供电线圈(Lpi)的左切换开关(Kai)软开关关断，然后控制对应的右切换开关(Kbi)软开关关断；其中，左切换开关(Kai)的软开关关断过程为：通过左侧电流传感器(Zai)判断当前流过左切换开关(Kai)的电流方向，将左切换开关(Kai)中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；同理，右切换开关(Kbi)的软开关关断过程过程为，通过右侧电流传感器(Zbi)判断当前流过右切换开关(Kbi)电流方向，将右切换开关(Kbi)中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；此时，仅第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)为副边拾取线圈(PU)供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的下游侧位置传感器(Sbi+1)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+2个原边供电线圈(Lpi+2)的左切换开关(Kai+2)和右切换开关(Kbi+2)发出开通指令，使第i+2个原边供电线圈(Lpi+2)得电，并以此类推，直至副边拾取线圈(PU)驶出第n个原边供电线圈(Lpn)范围。其中，i＝1,2,3…n。
Claims (3)
1.一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置，包括直流电源(Uin)、高频逆变器(INV)、n组LCC谐振补偿网络和n组原边供电线圈(Lpi，i＝1,2,3…n)，并依次相连，其特征在于：
高频逆变器(INV)输出恒定交流电压Up，并与n组LCC谐振补偿网络并联连接，每组LCC谐振补偿网络与一组原边供电线圈相连；所述LCC谐振补偿网络中，以第i组为例，从输入端到输出端依次连接串联滤波电感(Lfi)，左切换开关(Kai)，并联滤波电容(Cfi)、串联谐振电容(Cpi)和右切换开关(Kbi)，形成T型补偿拓扑；所述串联滤波电感(Lfi)与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述串联谐振电容(Cpi)与第i组供电线圈(Lpi)的串联等效电感与并联滤波电容(Cfi)在系统工作频率下谐振；所述LCC谐振补偿网络为原边供电线圈提供恒定交流电流Ip，并有
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</mrow>
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</mrow>
Lf1＝Lf2＝…＝Lfi＝…＝Lfn
其中，为原边线圈电流相量，为逆变器输出电压相量，j为虚数单位，ω为系统角频率，Lfi为各组LCC谐振网络中的串联滤波电感；其中，i＝1,2,3…n；
所述的n组原边供电线圈沿轨道依次放置，相邻两个原边供电线圈(Lpi，Lpi+1)中点以最优间距放置；
所述轨道沿线设置有为供电控制器提供机车位置信号的位置传感器；每一个原边供电线圈i都设置有两个位置传感器，即第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)和下游侧位置传感器(Sbi)；每一个原边供电线圈i都设置有两个受分段供电控制器控制的切换开关，即左切换开关(Kai)和右切换开关(Kbi)。
2.根据权利要求1所述的分段切换的无线电能传输系统原边供电装置，所述相邻两个原边供电线圈(Lpi，Lpi+1)中点的最优间距以及位置传感器放置位置，采用如下方法确定：
a.首先，利用有限元数值分析方法或实测法绘制出副边拾取线圈(PU)与单个原边供电线圈(Lpi)之间的互感变化规律(Mi)，并确定最大稳定互感值为原、副边互感的数学期望EM；
b.然后，设定第i个线圈中点为Ai，第i+1个线圈中点为Ai+1，在[Lmin,Lmin+pΔL]范围内改变两线圈中点Ai和Ai+1的间距Li,x，使
Li,x＝Lmin+xΔL(x＝0,1,2…p)
Lmin为单个原边供电线圈的长度，ΔL为设定的迭代步长；在Ai到Ai+1点之间等间距选取m个样本点，在每个样本点k处计算出副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Si,k，
Si,k＝Mi,k+Mi+1,k(k＝1,2,3…m,i＝1,2,3…n)
其中，Mi，k为第i个原边供电线圈(Lpi)与副边拾取线圈(PU)在样本点k处的互感，Mi+1,k为第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)与副边拾取线圈(PU)在样本点k处的互感；
c.接着，依据原、副边互感的数学期望EM，计算m个样本点上副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Si,k的总体方差σx，公式为
<mrow>
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</mrow>
在不同的间距条件下，计算副边拾取线圈(PU)与两原边供电线圈的互感和Sik的总体方差σx，当σx满足
σx＝min{σ0,σ1,σ2…σp}
时，可以确定此时两线圈中点间距Li,x为第i个原边供电线圈(Lpi)与第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)之间的最优间距；
所述第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
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所述第i个原边供电线圈(Lpi)的下游侧位置传感器(Sbi)的位置应设置在所述的m个样本点中的第y个样本点处，使得
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3.采用权利要求1或2所述装置的分段切换的无线电能传输系统原边供电方法，其特征在于，原边供电线圈采用如下的切换方法：
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i个原边供电线圈(Lpi)的上游侧位置传感器(Sai)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i个原边供电线圈(Lpi)的左切换开关(Kai)和右切换开关(Kbi)发出开通指令，使第i个原边供电线圈(Lpi)得电，此时副边拾取线圈(PU)仅通过第i个原边供电线圈获取电能；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i个原边供电线圈(Lpi)的下游侧位置传感器(Sbi)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的左切换开关(Kai+1)和右切换开关(Kbi+1)发出开通指令，使第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)得电，两个原边供电线圈(Lpi、Lpi+1)同时为副边拾取线圈(PU)供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的上游侧位置传感器(Sai+1)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器首先控制第i个供电线圈(Lpi)的左切换开关(Kai)软开关关断，然后控制对应的右切换开关(Kbi)软开关关断；其中，左切换开关(Kai)的软开关关断过程为：通过左侧电流传感器(Zai)判断当前流过左切换开关(Kai)的电流方向，将左切换开关(Kai)中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；同理，右切换开关(Kbi)的软开关关断过程过程为，通过右侧电流传感器(Zbi)判断当前流过右切换开关(Kbi)电流方向，将右切换开关(Kbi)中导通方向与当前电流方向相反的开关管关闭，待电流反向后，再将另一个开关管关闭；此时，仅第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)为副边拾取线圈(PU)供电；
当分段供电控制器检测到副边拾取线圈(PU)运行至第i+1个原边供电线圈(Lpi+1)的下游侧位置传感器(Sbi+1)处，并判断其向下游匀速移动时，分段供电控制器对第i+2个原边供电线圈(Lpi+2)的左切换开关(Kai+2)和左切换开关(Kbi+2)发出开通指令，使第i+2个原边供电线圈(Lpi+2)得电，并以此类推，直至副边拾取线圈(PU)驶出第n个原边供电线圈(Lpn)范围；其中，i＝1,2,3…n。
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