CN105958477A - 一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，属于电力工程领域。该方法根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路，初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段，在该频段范围内，测量发射特斯拉线圈在不同频率下的输入阻抗模，根据测量结果，以得到输入阻抗模极小值为目标，逐步减小测量频段带宽，当带宽精度满足要求时，即可确定单线电能传输系统的最佳工作频率。系统工作条件变化时，在原有最佳工作频率附近重新测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，按照上述减小测量频段带宽的方法，即可确定偏移后的最佳工作频率。这种方法可以快速准确地确定单线电能传输系统的最佳工作频率。

Description

一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法

技术领域

本发明提出了一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，属于电力工程领域。

背景技术

单线电能传输系统，即只用一根导线连接发射装置和接收装置，在不构成回路的情况下，实现电能的传输，当这根导线采用大地等自然介质代替时，即可以实现广义的“无线”电能传输，它可以解决有线电能传输技术和无线电能传输技术目前无法解决，或解决起来较为困难的问题，有望为海上孤岛和边远山区这样难以架设输电线路的地区供电。

在单线电能传输系统中，负载获取功率的多少受工作频率影响显著，一般认为负载可以获得最大功率时对应的工作频率为系统最佳工作频率。目前并没有相关文献可以详细解释单线电能传输系统的工作原理，因此，很少有学者研究单线电能传输系统，也没有人提出一种确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法。此外，就已经确定最佳工作频率的系统而言，当系统的工作条件发生变化，如传输距离变化，或者与接收装置相连的负载改变时，系统的最佳工作频率较变化前会发生一定偏移，若系统仍工作于变化前的频率，会使负载无法获得最大功率。

由此可见，为确定单线电能传输系统的最佳工作频率，解决系统工作条件改变造成的最佳工作频率偏移问题，需要提出研究一种自动确定单线电能传输系统工作频率的方法。

发明内容

本发明的内容是，根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路，初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段，在该频段范围内，测量发射特斯拉线圈在不同频率下的输入阻抗模，根据测量结果，以得到输入阻抗模极小值为目标，逐步减小测量频段带宽，当带宽精度满足要求时，即可确定单线电能传输系统的最佳工作频率。系统工作条件变化时，在原有最佳工作频率附近重新测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，按照上述减小测量频段带宽的方法，即可确定偏移后的最佳工作频率。这种方法可以快速准确地确定单线电能传输系统的最佳工作频率。

本发明采取的技术方案是：

首先，初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段，具体方法为：根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路模型，计算得到LC并联电路的谐振频率f_r，根据谐振频率f_r，初步确定系统最佳工作频率所在频段为

其次，以得到输入阻抗模极小值为目标，测量发射特斯拉线圈在频段内不同频率下的输入阻抗模，初始测量步进值若测量过程中三个连续测量频率f_i-1、f_i、f_i+1对应的输入阻抗模|Z_i-1|、|Z_i|、|Z_i+1|满足|Z_i-₁|≥|Z_i|≤|Z_i+1|，则可以确定最佳工作频率所在频段为其中，新频段带宽为

然后，测量步进值减小为原来的即重复上述步骤，得到最佳工作频率所在频段为继续按上述规律减小步进值，直到测量精度满足设计要求，最终得到的频段为系统的最佳工作频率

最后，周期性地测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，测量周期若连续三次测量得到阻抗模的平均值相比之前偏差超过10％，说明系统最佳工作频率发生偏移，需要重新确定系统最佳工作频率，初始频段由原最佳工作频率f_op确定，测量步进值余下步骤同上。

本发明可以自动确定单线电能传输系统的最佳工作频率，解决系统工作条件改变造成的最佳工作频率偏移问题。测量方法简单，根据发射特斯拉线圈输入阻抗模的大小即可确定系统最佳工作频率，无需复杂的理论分析。

附图说明

图1是单线电能传输系统框图。

图2是发射特斯拉线圈等效电路模型。

图3是DSP控制器程序流程图。

具体实施方案

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

如图1是单线电能传输系统框图，包括工频电源、整流电路、逆变电路、电压电流传感器、有效值转换电路、DSP控制器、驱动电路、发射特斯拉线圈、接收特斯拉线圈和负载。工频电源为系统提供能量。整流电路、逆变电路为发射特斯拉线圈提供高频交流电。发射、接收特斯拉线圈是两个结构类似的特斯拉线圈，具有相同的谐振频率，二者之间采用单根导线连接。电压电流传感器用于测量发射特斯拉线圈的输入电压和输入电流，其输出的交流电压信号经有效值转换电路变为两个直流电压信号，分别代表输入电压有效值和输入电流有效值。DSP控制器的AD模块采集这两个直流电压信号并做除法运算，即可得到发射特斯拉线圈的输入阻抗模。DSP控制器输出的PWM信号经驱动电路放大后控制逆变电路的工作频率。

图2是发射特斯拉线圈等效电路模型，其中L_P为发射特斯拉线圈的初级线圈等效电感，初级线圈两端与逆变电路的输出连接。L_S为次级线圈等效电感，已知次级线圈的设计参数：平面螺旋状线圈结构、线圈匝数为N、线圈内直径为D_i、用于绕制线圈的导线直径为w、每匝线圈间的匝间距为s，则等效电感L_S计算公式为

$L_S=\frac{\frac{N^2}{{10}^6}+K^2}{30000K-433D_i}---\left(1\right)$

式中，C_S为发射特斯拉线圈顶端导体球的等效电容，其计算公式为

C_S＝4πε₀R (2)

其中R为导体球的半径。

由等效电路模型可知，特斯拉线圈次级的等效电路是LC并联电路，其谐振频率为

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_S{C}_S}}---\left(3\right)$

谐振频率f_r与单线电能传输系统的最佳工作频率的偏差一般不会超过0.3f_r，因此，根据f_r可以初步确定单线电能传输系统最佳工作频率所在频段为其中，

图3是DSP控制器的程序流程图。首先，根据特斯拉线圈的次级等效电路，可以初步确定系统最佳工作频率所在频段为

其次，以得到输入阻抗模极小值为目标，测量系统在频段内不同频率下发射特斯拉线圈的输入阻抗模，初始测量步进值按照给定的步进值，在测量频段内改变DSP控制器输出PWM信号的频率，每输出一个特定频率的PWM信号后，读取三次发射特斯拉线圈输入电压、电流有效值，分别取平均值并做除法后即可得到发射特斯拉线圈的输入阻抗模，设三个连续测量频率f_i-1、f_i、f_i+1(满足)对应的输入阻抗模分别为|Z_i-1|、|Z_i|、|Z_i+1|，若三个输入阻抗模满足条件|Z_i-1|≥|Z_i|≤|Z_i+1|，则可以确定最佳工作频率所在频段为其中，新频段带宽为

然后，测量步进值减小为原来的即重复上述步骤，得到最佳工作频率所在频段为继续减小步进值，直到测量精度满足设计要求，最终得到的频段为系统的最佳工作频率

最后，由于单线电能传输系统的某些工作条件改变(如传输距离改变或负载突变)会使最佳工作频率发生偏移，为保证这种情况发生时系统可以工作在新的最佳工作频率下，需要周期性地测量发射特斯拉线圈输入阻抗模，测量周期若连续三次测量得到阻抗模的平均值较之前偏差超过10％，说明系统最佳工作频率发生偏移，需要重新确定，初始频段的确定与之前不同，因为已知变化发生前系统的最佳工作频率f_op，所以使用f_op确定初始频段而非使用f_r。如前所述，工作条件变化会使最佳工作频率发生偏移，这种偏移一般不会超过0.05f_op，因此，确定初始测量频段为其中，测量步进值余下步骤同上。

Claims (1)

1.一种自动确定单线电能传输系统最佳工作频率的方法，其特征在于，

(1)初步确定最佳工作频率所在频段与测量步进值

根据发射特斯拉线圈次级LC并联等效电路模型，由式(1)计算发射特斯拉线圈的谐振频率

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_S{C}_S}}---\left(1\right)$

式中，L_S为次级线圈等效电感，C_S为发射特斯拉线圈顶端导体球的等效电容；利用f_r初步确定系统最佳工作频率所在频段为其中，

(2)缩小测量频段与测量步进值以确定最佳工作频率

以得到输入阻抗模极小值为目标，测量系统在频段内不同频率下发射特斯拉线圈的输入阻抗模，初始测量步进值按照给定的步进值，测量发射特斯拉线圈的输入阻抗模，设三个连续测量频率f_i-1、f_i、f_i+1对应的输入阻抗模分别为|Z_i-1|、|Z_i|、|Z_i+1|，若三个输入阻抗模满足条件则确定最佳工作频率所在频段为其中， 新频段带宽为

测量步进值减小为原来的即重复上述步骤，得到最佳工作频率所在频段为继续减小步进值，直到测量精度满足设计要求，最终得到的频段为系统的最佳工作频率

(3)判断最佳工作频率是否发生偏移，若偏移，自动确定新最佳工作频率周期性地测量发射特斯拉线圈输入阻抗模，测量周期若连续三次测量得到阻抗模的平均值相比之前偏差超过10％，说明系统最佳工作频率发生偏移，需要重新确定；

初始频段的确定使用f_op确定初始频段而非使用f_r，初始测量频段为其中，测量步进值余下的步骤(2)和(3)与前述相同。