CN107000598B - 用于运行电路布置结构的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法和一种控制系统，所述方法和控制系统用于运行电路布置结构，特别是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构(1)，其中，所述电路布置结构(1)包括至少一个具有至少一个场接收布置结构(2)的相线和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构(CV)，其中，评估至少一个与电流有关的成本函数，其中，变化所述电抗使得优化所述成本函数。

Description

用于运行电路布置结构的方法和控制系统
技术领域
本发明涉及用于运行电动车辆的电路布置结构，特别是系统的用于将感应电力传输到车辆的车辆侧电路布置结构的一种方法和一种控制系统。另外，本发明涉及一种制造用于运行车辆的电路布置结构的控制系统的方法并且涉及车辆。
背景技术
车辆，特别是电动车辆，更特别地轨道限制的车辆和/或道路汽车可通过电能来运行，所述电能通过感应电力传输的方式而被传输。这种车辆可包括可以是车辆的牵引系统或车辆的牵引系统的一部分的电路布置结构，所述电路布置结构包括适于接收交变电磁场并且通过电磁感应产生交变电流的接收设备。另外，这种车辆可包括适于将交流电转换成直流电的整流器。直流电可用来对车辆用电池充电或用来运行电机。在后一种情况下，可通过逆变器将直流电转换成交流电。
感应电力传输是使用两组例如三相绕组执行的。第一组安装在地面(初级绕组)上，并可由路边电力变换器(WPC：wayside power converter)馈电。第二组绕组(次级绕组)安装在车辆上。例如，第二组绕组可附接在车辆之下，在有轨电车的情况下是在其车厢中的一些之下。第二组绕组或总体上次级侧通常被称为拾取布置结构或接收器。第一组绕组和第二组绕组形成高频变压器以将电能传输到车辆。这可在静止状态(当车辆没有移动时)下和动态(车辆移动时)下实现。
由于在初级绕组与次级绕组之间存在较大的间隙，因此该变压器的工作特性与具有带有可忽略或较小气隙的封闭磁芯的常规变压器的特性不同。该较大的气隙导致较小的互感耦合和较大的漏电感。
漏电感通常作为每个次级绕组的串联电感。为能够传递高功率水平，需要使用足够的电容，以便在例如20kHz至200kHz的工作频率下补偿电感器的电抗。关于高频变压器的次级侧，电感(可包括主电感和互感和/或漏电感)和电容(可包括补偿电容)的结合形成谐振电路。如果选择电感和电容的阻抗值使得谐振电路的固有谐振频率等于工作频率，那么就会发生完美的阻抗消除。这种谐振电路称为被调谐。
受温度变化和/或老化影响，补偿电容的公差可增加。特别地，具有导磁材料的结构，在相关参数中容易漂移。这可导致谐振电路的失谐，其中，改变的谐振频率不再相应于工作频率。这种失谐会使感应电力传输系统的整体性能和电力传输能力偏离。此外，次级侧的反射到变压器的初级侧的阻抗可变为电容性的。这可导致关于WPC中电压的超前电流，这是非常不希望的，因为超前电流消除了半导体开关的软开关条件并显着增加了它们的功率损耗。在这种运行条件下，WPC可过渡加热并关闭，这转而中断了所需的电力传输。
所述失谐还可由于初级绕组结构相对于次级绕组结构的位置偏差而发生，这是因为感应电力传输系统的参数随着变化的相对位置而变化。
US 5,207,304 B2公开了一种用于电动车辆的电力拾取系统。该系统包括连接到第一和第二节点的拾取电感器；耦合到所述第一和第二节点的功率接收电路；多个调谐电容器；分支选择装置，所述分支选择装置用于选择要耦合到所述第一和第二节点的所述多个调谐电容器中的一个，并且用于为每个所选择的调谐电容器生成选择的信号；和多个切换电路，每个切换电路选择性地将相应的调谐电容器耦合到所述第一和第二节点。每个切换电路包括固态开关和耦合到所述分支选择装置和所述固态开关的触发电路。所述触发电路感测所述固态开关两端的电压，并且在接收到来自相应于所述切换电路的所述分支选择装置的一个所述选择信号之后，当所述固态开关两端的感测电压大约为零时触发所述固态开关的闭合。因此，可通过将调谐电容切换到或切换出控制电路来控制感应耦合系统的输出电流。
WO 2014/067984 A2公开了一种电路布置结构，特别是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构，其中，电路布置结构包括拾取布置结构和至少一个可变补偿布置结构，其中，所述可变补偿布置结构包括电容性元件，所述可变补偿布置结构还包括第一开关元件和第二开关元件，其中，所述第一开关元件和所述第二开关元件串联连接，第一和第二开关元件的串联连接与可变补偿布置结构的电容性元件并联连接。
在出版物“R.Arnold，用于快速模拟的相量域中的三相感应电力传输系统的建模，IEEE 3rd电动汽车会议国际能源传输(ETEV：International Energy Transfer forElectric Vehicles Conference)，纽伦堡，2013年10月29-30”中，公开了电力传输的物理模型。
US 2011/0148215 A1公开了无线电力传输系统具有无线电力发射机和接收机。所述发射机具有在第一频率谐振的发射谐振电路和生成在第二频率的信号的信号发生器。发射机还具有测量在发射谐振电路处的反射功率的功率检测器，以及生成用于调整第一和第二频率的发射机调谐参数以减少反射功率的自动调谐器。所述接收机具有基于接收机调谐参数的在第三频率谐振的接收谐振电路。接收机调谐参数由测量在接收谐振电路处生成的功率的功率检测器生成，以及由生成接收机调谐参数以增加负载功率的自动调谐器生成。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和一种控制系统，所述方法和控制系统用于运行电路布置结构，特别是电动车辆的电路布置结构，更特别地是系统的用于将感应电力传输到车辆的车辆侧电路布置结构，通过所述方法和控制系统，即使在电路布置结构的元件的电特性改变的情况下，也可优化到车辆的感应电力传输，其中，电路布置结构可以很少的能量损失运行，并且降低控制电路布置结构的运行的复杂性。本发明的另外的目的是提供一种制造用于运行电路布置结构的控制系统的方法并提供一种包括这种控制系统的车辆。
本发明的基本思想是通过使用优化方法或途径来主动地变化车辆侧电路布置结构的电抗。通过适当地控制电抗变化，可以补偿由于改变电特性，例如由于温度变化和或发生位置偏差，即失谐，而导致的功率下降。另外，所提出的方法应允许将系统性能保持在与完美调谐系统相同的水平，其中，减少由于失谐造成的能量损失和控制电路布置结构的运行的复杂性。
本发明可应用于任何陆地车辆(包括但非优选地，仅暂时在陆地上的任何车辆)，特别是诸如轨道车辆(例如有轨电车)的轨道限制的车辆，而且可应用于道路汽车，诸如个人(私人)乘用车或公共交通车辆(例如包括也是轨道限制的车辆的无轨电车的公共汽车)。
提出了一种运行电路布置结构的方法。电路布置结构可以是电动车辆的用于将感应电力传输至车辆的电路布置结构。
电路布置结构可形成电动车辆的牵引系统，或者可以是电动车辆的牵引系统的一部分。电路布置结构包括至少一个具有至少一个场接收布置结构的相线。场接收布置结构表示用于接收磁场和用于生成电力交流输出电压的至少一个电元件的布置结构。该电元件也可称为源元件。场接收布置结构可例如包括线圈。特别地，场接收布置结构可包括变压器的次级绕组结构，其中，使用变压器以将能量从路侧初级绕组结构(所述路侧初级绕组结构可安装在为车辆提供行驶表面的地面中)传输到车辆。场接收布置结构可安装在车辆的底侧，例如面向行驶表面的一侧。场接收布置结构可提供或者是所谓的拾取器的一部分。
场接收布置结构和/或场接收布置结构的元件包括阻抗或提供阻抗。所述阻抗可由电感、特别是漏电感提供，所述漏电感至少部分地由上述变压器的初级侧(初级绕组结构)与次级侧(次级绕组结构)之间的气隙提供。另外，阻抗可通过电阻，特别是电线(例如相线)的电阻，和接收布置结构的绕组结构来提供。相线可表示下述电线，通过所述电线，场接收布置结构、例如绕组结构可连接到另一电元件，特别是整流器。
另外，电路布置结构包括至少一个具有可变或可调电抗的补偿布置结构。所述补偿布置结构可以是相线的一部分或者被布置在相线内。换句话说，场接收布置结构可通过相线的至少一部分连接到补偿布置结构，其中，所述补偿布置结构可通过相线的剩余部分连接到另一电元件，特别是整流器。
使用补偿布置结构以调谐电路布置结构。特别地，补偿布置结构提供可调电抗。因此，补偿布置结构提供可调阻抗。
通过变化或调整电抗可将电路布置结构的谐振频率适应于上述变压器的工作频率，例如在20kHz至200kHz的范围内的工作频率。因此，可补偿电路布置结构的电元件的改变的电特性。
补偿布置结构可包括或由至少一个电元件，特别是具有可变电容的电容性元件提供。此外，补偿布置结构可通过多个电元件的布置结构来提供。
补偿布置结构也可由电感性元件，特别是具有可变电感的电感性元件提供或包括电感性元件，特别是具有可变电感的电感性元件。电感性元件可以是所谓的磁放大器的一部分，这例如描述于出版物“Hsu等人，一种使用磁放大器的具有连续可变电感器控制的新型非接触式电力拾取器，IEEE电力系统技术国际会议ICSPST(International Conferenceon Power System Technology)，重庆，2006”。
此外，补偿布置结构可由主补偿电容器和附加的二进制加权电容器提供，这例如在出版物“Kissin等人，检测固定频率LCL谐振电源的调谐点，IEEE电力电子学报，TIE，第24卷，第4期，2009年4月”中被公开。
然而，补偿布置结构的设计不限于上述示例。技术人员知道具有可变或可调电抗的补偿布置结构的任何替代实施例。
根据本发明，评估至少一个与电流有关的成本函数。所述与电流有关的成本函数可表示包括或等于至少下述一项的函数，所述项代表至少一个相电流的至少一个特性，或所述项与相电流或其特性、例如相电流的幅度有关或等于相电流或其特性、例如相电流的幅度。相电流可例如被估计或例如通过电流传感器被测量。下文将更详细地描述示例性成本函数。
成本函数可表示在所选择的时间点提供成本函数值的数学函数。另外，变化电抗使得成本函数，特别是成本函数值被优化，例如使得成本函数值被最小化或最大化。
优选地，选择成本函数，使得在最大化成本函数值的情况下，在相线中提供最大相电流，特别是具有最大幅度的相电流或具有最大均方根(RMS：root mean square)值的相电流。
因此，成本函数是优化问题的一部分，其中，电抗提供了优化问题的可调整参数，所述可调整参数也可称为优化参数。
因此，通过利用与电流有关的成本函数求解优化方法来确定最佳电抗来执行控制电路布置结构的运行。
这有利地允许快速和精确地确定电抗，这进而优化有功功率的传输，同时最小化无功功率的传输。
另外，电路布置结构包括三个相线，其中，每个相线均包括至少一个场接收布置结构和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构。场接收布置结构和补偿布置结构可根据前述实施例中之一进行设计。
另外，评估至少一个与电流有关的成本函数，其中，与电流有关的成本函数是每相包括至少一个项的函数。各项中的每个可代表相应相电流的至少一个特性，或其中，各项中的每个与相应的相电流或其特性、例如相应相电流的幅度有关或等于相应的相电流或其特性、例如相应相电流的幅度。相电流可例如被估计或例如通过电流传感器被测量。
另外，变化补偿布置结构中的每个的电抗，使得优化、例如最小化或最大化成本函数。
优选地，选择成本函数，使得在最大化成本函数值的情况下，提供最大相电流，例如最大幅度或最大RMS值。替代地，可提供相电流的最大和，特别是各相电流的幅度之和。
因此，成本函数是优化问题的一部分，其中，电抗提供优化问题的可调整参数，所述可调整参数也可称为优化参数。替代地，可变化每相线的至少一个参考输入，优选每相线的一个单个参考输入，使得优化成本函数。在这种情况下，参考输入值提供优化参数。
在三相线的情况下，优化问题可被认为是多维的，特别是三维的优化问题。优化参数可同时变化。在这种情况下，可使用多维优化方法来确定最优优化参数。
替代地，可依次变化优化参数。在这种情况下，一个选定的优化参数，特别是每个相线一个单个优化参数可变化预定次数或直到确定优化的成本函数值。剩余的优化参数可保持不变。在选择的优化参数的变化之后，剩余优化参数中的一个可变化预定次数，或直到确定优化的成本函数值。剩余成本函数值可保持不变。这可重复，直到优化参数的组中的每个优化参数已被改变或被考虑。
这有利地允许三相系统的有效运行，其中，感应电力传输被优化。
在另一个实施例中，变化补偿布置结构的至少一个参考输入，特别是就一个参考输入，使得成本函数被优化、例如最小化或最大化。换言之，可通过变化至少一个参考输入，特别是通过变化确切地一个参考输入来变化电抗。
参考输入与补偿布置结构的设计有关。根据参考输入，将提供预定的电抗或通过补偿布置结构设置预定的电抗。参考输入可例如是电压、电流或任何其他种类的参数。如果参考输入变化，则补偿布置结构的电抗变化。如下文将解释的，参考输入也可以是相电流的相角或相角延迟。
因此，通过优化方法确定最佳参考输入，这有利地允许简单地实现所提出的方法。
在另一个实施例中，与电流有关的成本函数与至少一个相电流的幅度有关。可能的是，成本函数或特定于相的项等于相电流的幅度或与相电流的幅度成比例。这可意味着例如在相电流的一个周期期间，特别是在电路布置结构的稳定状态下，成本函数等于交流相电流的最大绝对值。
已经在测量和模拟中观察到，在相电流的最大绝对值的情况下，只有有功功率从初级侧传输到次级侧。这意味着传输了最大有功功率，同时由于气隙而产生的无功功率被最小化。直观地说，电路布置结构，例如在等效电路中，如果从次级侧转换到初级侧，可被建模为唯一的实值电路布置结构。
所提出的成本函数有利地允许对电抗进行快速和精确的调整，这进而优化有功功率的传输，同时最小化无功功率的传输。
在替代的实施例中，电路布置结构包括至少一个用于整流由场接收布置结构生成的交流输出电压的整流器。
整流器可串联连接到场接收布置结构与补偿布置结构的串联连接。通过整流器，AC(交流电)相电流可整流成DC(直流电)电流的整流相电流。
与电流有关的成本函数与整流相电流有关。可例如基于模型地计算或例如通过电流传感器测量整流相电流。
特别地，与电流有关的成本函数可等于或者与整流相电流成比例，特别是等于或者与整流相电流的幅度或幅度的绝对值成比例。
替代地，与电流有关的成本函数与整流器的输出功率有关。输出功率可以是在整流器的DC端子处提供的功率。整流器的输出功率可例如被计算为整流器的DC输出电压与整流器的DC输出电流的乘积，其中，DC输出电流等于或与整流相电流有关。可例如基于模型地计算输出电压，或例如通过电压传感器测量输出电压。
替代地，可将整流器的输出功率计算为DC输出电流的平方与负载电阻的乘积，其中，负载电阻代表电网的连接到整流器的DC输出侧的电阻或阻抗。负载电阻可例如基于电网的电模型来确定。
输出功率和整流相电流都与相电流有关。因此，所提出的成本函数有利地允许对电抗进行快速和精确的调整，这转而优化了有功功率的传输，同时最小化无功功率的传输。在根据整流相电流的平方计算输出功率的情况下，成本函数对于相电流的变化更为敏感，即相电流的变化将导致成本函数的大变化。这允许更快和更可靠的优化。
在另一个实施例中，通过一维优化方法或途径确定最佳电抗。在这种情况下，变化仅一个优化参数、例如上述电抗或上述单个参考输入，以便确定最佳成本函数值。
如果成本函数与至少两个可调整的优化参数、例如至少两个电抗或至少两个输入参考输入有关，那么可以一次变化或调整仅一个选定的优化参数，并保持剩余的优化参数不变。这将在下文更加详细地解释。在已经确定所选择的优化参数的优化成本函数的最优值之后，所选择的优化参数可保持不变，而变化剩余的优化参数或剩余的优化参数中的一个以优化成本函数值。可重复此直至所有优化参数已经变化或至少被考虑。
这有利地允许快速且容易地实现确定最佳优化参数。
在一个优选实施例中，一维优化方法是爬山优化方法。所述爬山优化方法是本领域技术人员已知的。它是一个迭代算法，它以对问题的任意解决方案开始，例如以所选择的优化参数的任意值开始。然后，所选择的优化参数逐渐改变。如果该改变产生更好的解决方案，例如更高的成本函数值，那么就对新的优化参数进行另外的逐渐的改变。重复此直到不可找到进一步的改进。
由于爬山方法是一种非常简单的方法，因此这有利地得到易于实施的方法。
在另一个实施例中，与电流有关的成本函数例如在相应的相电流的一个周期期间，与所有相电流的幅度之和有关，特别是与相电流幅度的最大绝对值之和有关。特别地，成本函数可等于或与所有相电流之和成比例。
在三相系统的测量和仿真中已经观察到，在相电流的所有最大绝对值的最大化总和的情况下，仅有功功率从初级侧传输到次级侧。这相应地意味着传输了最大有功功率，同时由于气隙而产生的无功功率被最小化。直观地说，电路布置结构，例如在等效电路中，如果从次级侧转换到初级侧，可被建模为唯一的实值电路布置结构。
电路布置结构可包括用于整流所有相电流的三相整流器。整流器提供整流输出电流和整流输出电压。在这种情况下，与电流有关的成本函数还可与整流相电流有关，其中，所述整流相电流与所有三相电流之和有关。
如前所述，与电流有关的成本函数可等于或与整流相电流成比例，特别是等于或与整流相电流的幅度或幅度的绝对值成比例。替代地，与电流有关的成本函数与整流器的输出功率有关。
还如前所述，所提出的成本函数有利地允许对电抗进行快速和精确的调整，这转而优化有功功率的传输，同时无功功率的传输被最小化。在根据整流相电流的平方计算输出功率的情况下，成本函数对于相电流的变化更敏感，即相电流的变化将导致成本函数的大变化。这允许更快和更可靠的优化。
在另一个实施例中，相线的电抗依次变化。这在上文已经解释过。这意味着只有一个电抗、例如一个相线的电抗变化，而剩余的电抗、例如剩余相线的剩余电抗保持不变。可重复此直到每个电抗已经变化或被考虑至少一次。电抗可例如通过变化先前描述的输入参考值来变化。
在另一个实施例中，一个相线的电抗变化预定的次数。例如，可以将电抗变化10次。这意味着电抗被改变10次。这有利地在所需的计算时间与期望确定最佳电抗之间提供良好的权衡。
替代地，可变化一个相线的电抗，直到找到成本函数的最佳值。如果成本函数值的变化小于预定的阈值，则当然也可以终止电抗的变化。
在另一个实施例中，相线的电抗在先前的电抗的变化之后的预定时间段之后变化。这可意味着仅当从先前的电抗的变化结束以来已经过去预定的时间段，电抗才会变化。
预定时间段可选择为比电路布置结构的最大时间常数长，其中，时间常数产生于电路的内部动力学。这可意味着可选择时间段，使得电路布置结构在先前变化之后已经达到稳定状态。时间段可例如被选择为长于3ms或5ms。因此，仅当电路布置结构已经达到稳定状态并且暂态特性(可导致非最佳结果和/或导致优化需要更长时间)不影响优化问题时，电抗才会变化。
在另一个实施例中，补偿布置结构包括电容性元件，其中，补偿布置结构还包括第一开关元件和第二开关元件，其中，第一开关元件和第二开关元件串联连接，其中，第一和第二开关元件的串联连接与可变补偿布置结构的电容性元件并联连接。
这样的电路布置结构已经在WO 2014/067984 A2中进行了描述，在此作为参考完全并入本文。
另外，可变补偿布置结构可与场接收布置结构串联连接。
另外，电路布置结构可包括至少一个静态补偿元件，其中，场接收布置结构，静态补偿元件和可变补偿布置结构串联连接。
另外，第一开关元件和/或第二开关元件可以是半导体元件。
另外，第一开关元件可具有导通方向，并且第二开关元件可具有导通方向，其中，第一和第二开关元件连接，使得第一开关元件的导通方向与第二开关元件的导通方向相反。
另外，第一二极管可与第一开关元件反并联连接，第二二极管可与第二开关元件反并联连接。
另外，电路布置结构可包括至少一个用于感测电路布置结构的相电流的电流感测装置，其中，第一和第二开关元件的开关时间可根据相电流进行控制。
另外，电路布置结构可包括至少一个用于感测可变补偿布置结构的电容性元件两端的电压的电压感测装置，其中，第一和第二开关元件的开关时间可根据电压进行控制。
另外，电路布置结构可包括适于控制第一和第二开关元件的运行模式的控制单元。
另外，电路布置结构可包括三个相，其中，相中的每个包括至少一个可变补偿布置结构。
在另一实施例中，参考输入是电流相角延迟，其中，电流相角延迟限定开关元件的开关时间，或者其中，所述开关时间可根据相角延迟来确定。这也已经在WO 2014/067984A2中进行了描述。电流相角延迟可以是相对于相电流在其过零点处的参考相角的相角，其中，相电流在下一个过零点具有参考相角。
在相电流的一个周期内，在所述周期期间电流相角从0°变化到360°，如果在第一过零点的相角与相电流的实际相角之间的差等于所期望的电流相角延迟，那么在第一过零点之前第二开关元件可以从导通状态变为非导通状态。第一开关元件可在第一过零点处从非导通状态变为导通状态。如果第二过零点处的相角与相电流的实际相角之间的差等于期望的电流相角延迟，那么在第一过零点之后，第一开关元件可从导通状态变为非导通状态。第二开关元件可在第二过零点处从非导通状态变为导通状态。
相角延迟可例如从0°到90°的间隔中选择。
这有利地允许通过所提出的优化方法非常有效地控制电抗。
还提出的是一种控制系统，所述控制系统用于运行电路布置结构，特别是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构。
参考前文描述的实施例，电路布置结构包括至少一个具有至少一个场接收布置结构的相线和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构。
控制系统包括至少一个控制单元和至少一个用于根据相电流确定至少一个参数的装置、例如电流传感器。
根据本发明，至少一个与电流有关的成本函数是可评估的，其中，电抗是可变的，使得成本函数被优化。所述至少一个与电流有关的成本函数可由控制单元进行评估。另外，电抗可通过控制单元，特别是通过变化补偿布置结构的至少一个参考输入来进行变化。
可设计所提出的控制系统使得可由控制系统执行根据本公开中描述的实施例中之一的方法。
还描述的是一种制造用于运行电路布置结构，特别是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构的控制系统的方法。
电路布置结构包括至少一个具有至少一个场接收布置结构的相线和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构。
还提供了至少一个控制单元和至少一个用于根据相电流确定至少一个参数的装置、例如电流传感器。与相电流有关的参数可以是相电流。如前所述，该参数也可以是整流器的输出功率或在整流器的DC端子处的整流相电流。
根据本发明，提供了控制单元和至少一个用于根据相电流确定至少一个参数的装置，使得至少一个与电流有关的成本函数是可评估的，其中，电抗是可变的，使得成本函数最大化。
所提出的方法有利地允许制造根据前述实施例的控制系统。
还描述的是包括根据前述实施例的控制系统的车辆，特别是电动车辆。所述车辆可包括先前描述的电路布置结构。
附图说明
将参考附图描述本发明。附图示出：
图1控制系统的示意性电路图，
图2根据本发明的方法的示意性流程图，
图3可变补偿布置结构的示意图，
图4相电流、相电压和开关元件的开关时间的示例性时间过程，和
图5爬山法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出控制系统的示意性电路图，所述控制系统用于运行系统的用于将感应电力传输到车辆的车辆侧电路布置结构1。
电路布置结构1包括场接收布置结构2、静态补偿元件C1、C2、C3和可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3。电路布置结构1包括三个相。示出的是场接收布置结构2包括第一组源元件S1_1、S1_2、S1_3，第二组源元件S2_1、S2_2、S2_3，电感L1、L2、L3和相电阻R1、R2、R3。
在每相中，第一组源元件S1_1、S1_2、S1_3的相应的源元件S1_1、S1_2、S1_3，第二组源元件S2_1、S2_2、S2_3的相应的源元件S2_1、S2_2、S2_3，相应的漏电感L1、L2、L3和相应的相电阻R1、R2、R3分别串联连接。
第一组源元件S1_1、S1_2、S1_3的源元件S1_1、S1_2、S1_3代表由相应相的场接收元件(例如绕组结构或线圈)中的电力传输场感应的电压的电压源。
第二组源元件S2_1、S2_2、S2_3的源元件S2_1、S2_2、S2_3代表由交变电磁场感应的电压的电压源，所述交变电磁场由剩余相线的接收元件在接收电力传输场期间生成。电感L1、L2、L3代表各相线的自感。电阻R1、R2、R3代表各相线的电阻。
场接收布置结构2在感应电力传输期间生成交流相电流I1、I2、I3。
每相还包括一个静态补偿元件C1、C2、C3，其分别由具有预定电容的电容器提供。这些静态补偿元件C1、C2、C3用于调谐电路布置结构1，使得分别由电感L1、L2、L3，相电阻R1、R2、R3和静态补偿元件C1、C2、C3的串联连接所述提供的谐振频率各自相应于感应电力传输的工作频率，所述工作频率可例如为20kHz或等于20kHz至200kHz的间隔内的选定频率。
每相还包括一个补偿布置结构CV1、CV2、CV3。补偿布置结构CV的示例性设计在图3中被更加详细地示出。
在各相中，场接收布置结构2的相应元件分别串联连接到相应的静态补偿元件C1、C2、C3和相应的可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3。
还示出了整流器3，其中，整流器3的AC端子连接到电路布置结构1的输出端子T1、T2、T3。整流器3可例如被设计为二极管整流器。包括中间电路电容器Cd与负载电阻器RL的并联连接的电网连接到整流器3的DC端子。
还示出了中间电路电容器Cd和负载电阻器RL，所述负载电阻器RL代表连接到整流器3的DC端子的电网的电阻。
还表示出的是为DC电流的整流相电流Id，和为DC电压的整流电压Ud。
还示出了控制单元6，用于测量整流电压Ud的电压传感器7和用于测量整流相电流Id的电流传感器8。
在时间点k，控制单元6评估与电流有关的成本函数
J(k)＝Ud(k)×Id(k) 公式1。
时间变量k表示k×Ts的简写，其中，Ts表示预定的采样时间。
替代地，与电流有关的成本函数可由下式给出：
J(k)＝|I1(k)|+|I2(k)|+|I3(k)|＝||Is(k)|| 公式2，
其中，|I1(k)|表示在时间点k的相应相电流I1的幅度，并且||Is(k)||表示Is(k)的范数。还可以将电流Is表示为列向量，其中，列向量的条目是复值的相电流I1、I2、I3。在这种情况下，||Is(k)||可表示列向量的1-范数。
相电流I1、I2、I3可由电流传感器(未示出)测量。幅度可表示在相电流I1，I2，I3的一个周期期间实际时间点k周围的峰值或最大绝对值。
替代地，与电流有关的成本函数可由下式给出
J(k)＝|Id(k)|2×RL＝(1/pi×||Is(k)||)2×RL 公式3。
替代地，与电流有关的成本函数可由下式给出
J(k)＝Id(k) 公式4。
另外表示出的是相角延迟α1、α2、α3，其中，相角延迟α1、α2、α3限定第一和第二开关元件S1、S2的开关时间(见图3)。这些相角延迟α1、α2、α3分别为每个相线中的补偿布置结构CV1、CV2、CV3提供参考输入。通过变化相角延迟α1、α2、α3，相应补偿布置结构CV1、CV2、CV3的电抗可发生变化。
控制单元6可改变相角延迟α1、α2、α3，并将相角延迟α1、α2、α3提供给用于控制开关元件S1、S2的开关操作的另一控制单元。替代地，控制单元也可基于相角延迟α1、α2、α3来控制开关元件S1、S2的开关操作。
然而，相角延迟α1、α2、α3仅是示例性参考输入。技术人员知道可能的补偿布置结构的任何替代的参考输入，通过所述参考输入可变化所述布置结构的电抗。
对于每相，电路布置结构1的整体或得到的阻抗由相应的电感L1、L2、L3，相应的相电阻R1、R2、R3，相应的静态补偿元件C1、C2、C3和相应的可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3的串联连接给出。由于可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3的电容可变化，从而可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3的电抗可变化，因此电路布置结构1的每相的所得到的或总的阻抗也可变化。这转而允许补偿电感L1、L2、L3的，相电阻R1、R2、R3的和/或静态补偿元件C1、C2、C3的阻抗的变化。通过调谐电路布置结构1的每相的阻抗，可优化使用所提出的电路布置结构1的在上述感应电力传输期间的能量传递。
特别地，可补偿由于在感应电力传输上的温度变化和/或初级绕组结构与次级绕组结构之间的位置偏移而导致的电路布置结构的参数的变化的影响。
图2示出根据本发明的方法的示意性流程图。示出的是提供时钟信号的时钟单元9。时钟信号由分割单元10归一化，使得计数器单元11在先前的增量之后经过预定时间段之后增加计数器变量。
计数器变量提供给开关单元12，其中，开关单元12将输入信号路径ISP连接到第一输出信号路径OSP1，第二输出信号路径OSP2或第三输出信号路径OSP3。
在输入信号路径ISP内，计算延迟变化Δα(k)。
如果输入信号路径ISP连接到第一输出信号路径OSP1，那么通过将目前的相角延迟α1(k-1)与延迟变化Δα(k)相加来为第一相线中的补偿布置结构CV1的开关元件S1、S2计算出变化的相角延迟α1(k)。所得到的值通过保持元件13保持恒定。
如果输入信号路径ISP连接到第二输出信号路径OSP2，那么通过将目前的相角延迟α2(k-1)与延迟变化Δα(k)相加来为第二相线中的补偿布置结构CV2的开关元件S1、S2计算出变化的相角延迟α2(k)。所得到的值通过保持元件14保持恒定。
如果输入信号路径ISP连接到第三输出信号路径OSP3，那么通过将目前的相角延迟α3(k-1)与延迟变化Δα(k)相加来为第三相线中的补偿布置结构CV3的开关元件S1、S2计算出变化的相角延迟α3(k)。所得到的值通过保持元件15保持恒定。
切换单元12在输出信号路径OSP1、OSP2、OSP3之间顺序地切换，其中，如果计数器变量等于预定的数量、例如等于10，则执行切换操作。如果执行切换操作，那么计数器值被重置为零。
将实际成本函数值，特别是整流相电流Id(k)提供给输入信号路径ISP。可作为控制单元6的一部分或由控制单元6(参见图1)提供的评估单元16然后通过爬山优化方法来计算延迟变化Δα(k)。例如，可能的是，评估单元6评估在实际时间点k的整流相电流Id(k)是否高于在先前时间点k-1的相电流Id(k-1)。如果实际相电流Id(k)较高，那么可将加权因子wf确定为+1，可将延迟变化Δα(k)确定为
Δα(k)＝wf×Δα(k-1) 公式5
如果实际相电流Id(k)较低，则可将加权因子wf确定为-1。这意味着如果在先前时间点的延迟变化Δα(k-1)为正，并且成本函数的实际值、例如相电流的实际值已经增加，那么在实际时间点的延迟变化Δα(k)将再次增加。相应地，如果先前时间点的延迟变化Δα(k-1)为负并且成本函数的实际值已经增加，那么在实际时间点的延迟变化Δα(k)将被再次降低。相应地，如果在先前时间点的延迟变化Δα(k-1)为负并且成本函数的实际值已经降低，那么实际时间点的延迟变化Δα(k)将被增加。相应地，如果在前一时间点的延迟变化Δα(k-1)为负并且成本函数的实际值已经增加，那么在实际时间点的延迟变化Δα(k)将被降低。
图3示出可变补偿布置结构CV的示意图。可变补偿布置结构CV包括电容性元件Cx、第一开关元件S1和第二开关元件S2。另外，可变补偿布置结构CV包括第一二极管D1和第二二极管D2。第一二极管D1与第一开关元件S1反并联连接。相应地，第二二极管D2与第二开关元件S2反并联连接。开关元件S1、S2可以是半导体开关。第一和第二开关元件S1、S2的串联连接与可变补偿布置结构CV的电容性元件Cx并联连接。示出的是，第一开关元件S1的由箭头4表示的导通方向与第二开关元件S2的由箭头5表示的导通方向相反。通过控制开关元件S1、S2的开关操作，特别是开关时间，可变化可变补偿布置结构CV的电抗，例如调谐到所期望的电抗。这在WO 2014/067984 A2中进行了描述。
图4中示出第一和第二开关元件S1、S2(参见图3)的开关信号SS1、SS2的示例性时间过程，示出相电流Ip，可变补偿布置结构CV(参见图3)的电容性元件Cx两端的电压UCx，流过电容性元件Cx的电流ICx和相电压Up。开关信号SS1、SS2可以是高电平信号H或低电平信号L。如果施加高电平信号H，那么开关元件S1、S2在第二运行模式(闭合状态)下运行，如果施加低电平信号L，那么开关元件S1、S2在第一运行模式(断开状态)下运行。开关信号SS1、SS2可以是提供第一和第二开关元件S1、S2的半导体开关的栅极信号。在初始时间点t0，将高电平信号H施加到第二开关元件S2。同时，将低电平信号L施加到第一开关元件S1。在该初始时间点t0，相电流Ip为负。参考图3，相电流Ip流过第二开关元件S2和第一二极管D1。电容性元件Cx两端的电压UCx为零。在第一开关时刻t1，第二开关元件S2的开关信号SS2转变为低电平信号L。因此，第二开关元件的运行模式从第二运行模式(闭合状态)变为第一运行模式(断开状态)。现在，开关布置结构，即第一与第二开关元件S1、S2的串联连接阻塞相电流Ip，所述相电流Ip因此对电容性元件Cx充电。因此，电压UCx的绝对值增加。
在第二开关时刻t2，第一开关元件S1的第一开关信号SS1变为高电平信号H。第二开关时刻t2相应于相电流Ip的过零时刻。图4中的时间轴关于相电压Up的相角示出相角ωt，并且第二开关时刻t2相应于-π/2的相角。第一开关时刻t1与第二开关时刻t2之间的时间差以相角延迟α表示。可选择相角延迟α，使得在电容性元件Cx的充电期间实现电压UCx的预定的最大绝对值。在第二开关时刻t2之后，电容性元件Cx放电，并且电压UCx的绝对值降低，其中，由放电产生的电流ICx提供相电流Ip。
在第三时间点t3，电容性元件Cx完全放电，相电流Ip改变其电流路径并流过第一开关元件S1和第二二极管D2。在第三开关时刻t4，第一开关信号SS1从高电平信号H转变为低电平信号L。因此，流过开关元件S1、S2的串联连接的电流被阻止，相电流因此相应于为电容性元件Cx充电的电流ICx。在第四开关时刻t5，第二开关元件S2的第二开关信号SS2从低电平信号L转换为高电平信号H。再次，电容性元件Cx放电，其中，由放电产生的电流ICx提供相电流Ip。第三与第四开关时刻t4、t5之间的时间差可由相角延迟α来表示。在第六时间点t6，电容性元件Cx完全放电，相电流Ip改变其电流路径，且现在流过第二开关元件S2和第一二极管D1。
可使用控制单元6(参见图1)来使开关时刻t1、t2、t4、t5与流过电路布置结构1(参见图1)的相电流Ip同步。控制单元可例如生成可等于图3所示的开关信号SS1、SS2的门脉冲或门信号。在可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3、CV(参见图1或图3)的非主动操作中，开关元件S1、S2将闭合，开关元件S1、S2的串联连接作为关于电容性元件Cx的相电流Ip的旁路。在正常操作中，开关元件S1、S2将周期性地以与相电流Ip的过零时刻t2、t5的一定前沿相延迟(相应于相角延迟α)断开和闭合。与相延迟时间成比例的相角延迟α可以是控制变量，用于控制所得到的电容并因此控制由可变补偿布置结构CV提供的电抗。在断开开关元件S1、S2之后，例如在开关时刻t1、t4，相电流Ip从开关元件S1、S2的串联连接转换到电容性元件Cx。电容性元件Cx两端的电压UCx开始增加，直到分别为电流过零时刻t2、t5。在过零时刻t2、t5之后，电容Cx两端的电压UCx降低，直到其再次达到零。在此时刻，相电流Ip从电容性元件Cx转返到开关元件S1、S2的串联连接。例如在第一和第三开关时刻t1、t4的开关断开由控制逻辑触发。例如在第二和第四开关时刻t2、t5的开关闭合，由于放置在由第一和第二开关元件S1、S2的串联连接提供的双向开关布置结构内的二极管D1、D2而自主地发生。
图5示出爬山法的示意性流程图，以便为各相中之一确定最佳相角延迟α(k)。使用最佳相角延迟α(k)以便运行可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3、CV(参见图1或图3)中的一个。
在迭代过程的一个循环的第一步骤St1中，测量整流相电流Id(k)。另外，保存整流相电流Id(k)。整流相电流Id(k)在时间点k提供成本函数值。在第二步骤St2中，将目前的循环的整流相电流Id(k)与在迭代过程的先前循环的第一步骤St1所测量的整流相电流Id(k-1)进行比较。如果大于或等于上一个循环的整流相电流Id(k-1)，那么搜寻方向保持不变。如果其较小，那么在第三步骤St3中改变搜寻方向，特别是反向。
在第四步骤St4中，评估当前搜寻方向。如果搜寻方向指向上，例如如果搜寻方向为正，那么在第五步骤St5中将目前的循环的相角延迟α(k)确定为α(k)＝α(k-1)+Δα(k)。替代地，如果搜寻方向指向下，例如如果搜寻方向为负，那么在第五步骤St5中将目前的循环的相角延迟α(k)确定为α(k)＝α(k-1)-Δα(k)。
目前的循环的延迟变化Δα(k)的绝对值对于迭代过程的所有循环都可以是不变的。
在第六步骤St6中，相角延迟α(k)的值被评估，并将其与上限和下限进行比较。如果相角延迟α(k)大于上限，那么可将其限制到所述上限。如果相角延迟α(k)小于下限，那么可将其限制到所述下限。
最后，可将计算出的相角延迟α(k)提供给相应的可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3、CV或用于控制相应的可变补偿布置结构CV1、CV2、CV3、CV的运行的控制单元。

Claims (42)

1.一种运行电路布置结构(1)的方法，其中，所述电路布置结构(1)包括三个相线，其中，每个相线包括至少一个场接收布置结构(2)和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构(CV)，
其特征在于
评估至少一个与电流有关的成本函数，其中，变化所述电抗使得成本函数被优化，所述与电流有关的成本函数每相包括至少一项，其中所述项代表至少一个相电流的至少一个特性，或所述项与相电流或其特性有关或等于相电流或其特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，变化补偿布置结构(CV)的至少一个参考输入，使得所述成本函数被优化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与至少一个相电流(Ip、I1、I2、I3)的幅度有关。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电路布置结构(1)包括至少一个用于整流由所述场接收布置结构(2)生成的交流输出电压的整流器(3)，其中，所述与电流有关的成本函数与被整流的相电流(Id)有关或与所述整流器(3)的输出功率有关。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，通过一维优化方法来确定最佳电抗。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过一维优化方法来确定最佳电抗。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过一维优化方法来确定最佳电抗。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一维优化方法是爬山优化方法。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一维优化方法是爬山优化方法。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与所有相电流(Ip、I1、I2、I3)的幅度之和有关。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与所有相电流(Ip、I1、I2、I3)的所述幅度之和有关。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与所有相电流(Ip、I1、I2、I3)的幅度之和有关。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与所有相电流(Ip、I1、I2、I3)的幅度之和有关。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述与电流有关的成本函数与所有相电流(Ip、I1、I2、I3)的幅度之和有关。
15.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
17.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
18.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
19.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
20.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述相线的所述电抗依次变化。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，一个相线的所述电抗以预定的次数变化。
22.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
23.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
24.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
25.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
26.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
27.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
28.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
29.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在之前一次的电抗变化之后的预定时间段之后，相线的所述电抗变化。
30.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
31.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
32.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
33.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
34.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
35.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
36.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
37.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
38.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)包括电容性元件(Cx)，其中，所述补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)还包括第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)，其中，所述第一开关元件(S1)与所述第二开关元件(S2)串联连接，其中，第一与第二开关元件(S1，S2)的串联连接与补偿布置结构(CV、CV1、CV2、CV3)的所述电容性元件(Cx)并联连接。
39.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，补偿布置结构(CV)的至少一个参考输入是电流相角延迟(Δα)，其中，所述电流相角延迟(Δα)限定开关元件(S1，S2)的开关时间。
40.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述运行电路布置结构是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构。
41.一种用于运行电路布置结构(1)的控制系统，其中，所述电路布置结构(1)包括三个相线，其中，每个相线包括至少一个场接收布置结构(2)和至少一个具有可变电抗的补偿布置结构(CV)，其中，所述控制系统包括至少一个控制单元(6)和至少一个装置，所述装置用于确定与相电流(Ip、I1、I2、I3)有关的至少一个参数，
其特征在于
至少一个与电流有关的成本函数是可评估的，其中，所述电抗是可变的，使得所述成本函数被优化，所述与电流有关的成本函数每相包括至少一项，其中所述项代表至少一个相电流的至少一个特性，或所述项与相电流或其特性有关或等于相电流或其特性。
42.根据权利要求41所述的控制系统，其特征在于，所述运行电路布置结构是电动车辆的用于将感应电力传输到车辆的电路布置结构。
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