CN107512176B - 一种有轨电车动态无线供电系统及其效率优化控制方法 - Google Patents

一种有轨电车动态无线供电系统及其效率优化控制方法 Download PDF

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Abstract

一种有轨电车动态无线供电系统及其效率优化控制方法。系统装置包括地面的第一发射端电路、第二发射端电路和车载的接收端电路。其中，系统的发射线圈一、二和接收线圈均采用“8”字形线圈列的绕制方式，“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向相反；且发射线圈一(LP1)和发射线圈二(LP2)在宽度方向完全重叠，在长度方向偏移重叠，其偏移距离为单个“8”字形发射线圈长度的本发明的系统能够实时调节两个发射线圈电流的有效值之比，发射线圈电流的有效值之比为系统最优效率下的比值，以提高系统效率。本发明的方法能够通过简便的控制有效提高“8”字形线圈列有轨电车动态无线供电系统的传输效率，减小系统电源容量，可靠性高，易于控制。

Description

一种有轨电车动态无线供电系统及其效率优化控制方法
技术领域
本发明涉及一种有轨电车动态无线供电系统及其效率优化控制方法。
背景技术
近十年来，无线电能传输技术以其便捷、美观和安全的特点，在许多工业领域被广泛运用。其中，有轨电车的动态无线供电技术发展迅速。有轨电车的动态无线供电系统的主要构成及工作过程为：发送端——地面的逆变器通过直-交转换将直流电逆变为高频的交变电，逆变器输出的交流电流通入沿有轨电车地面运行轨道上沿途安置的发射线圈中，在电车的轨道上方产生高频电磁场；接收端——安装在电车上的接收线圈在运行过程中感应到发射线圈的高频电磁场产生高频电压，接收线圈的高频电压再经过整流电路转化为直流电，最后将直流电输出到电车的用电设备，供其使用。当发射端和接收端的电路均处于谐振状态时，能减小系统的无功功率，提高系统的传输功率和效率。
有轨电车的动态无线供电相比于静态供电，具有不可超越的优点，采用动态供电的方式不仅能减少车载电池的容量，从而大大减少其重量和成本，还能够减小或取消其在运营过程中停车充电的时间，提高电车在单位时间内的载客量，增大其运营收益，同时，当电车运行在重负荷区段时，动态供电的方式能对其功率进行实时补充，防止出现电车因功率不足导致中途停运的现象，提高电车运行的可靠性。但目前的有轨电车动态无线供电系统存在以下问题：1、发射线圈为“O”形线圈，每个“O”形线圈中心部位的高频电磁场最大，而沿途安置的相邻“O”形线圈之间位置处的高频电磁场很小，容易造成输出电压电流的大幅度波动，不能保证功率传输的有效性，在实际应用中可靠性不高。2、当系统发射端电路采用两个发射线圈时，接收线圈沿电车轨道移动到不同位置，对两个发射线圈的电能拾取能力不同：当接收线圈移动到几何正对某一发射线圈的位置时，主要拾取该正对发射线圈的电能，另一发射线圈的电能则较少传递给接收线圈；随着电车的移动，两个发射线圈交替几何正对接收线圈；而两个发射线圈中电流大小相同，在传输电能较少的发射线圈中，大部分电能被线圈内阻所消耗，以热能的形式散失，造成系统传输效率降低，特别是在系统大功率以及长时间运行过程中，较低的系统效率会导致大量的电能损失，不利于节约电能，同时也会造成成本的增加。
发明内容
本发明的第一目的是提出一种有轨电车动态无线供电系统，该系统能够在汽车沿轨道运行过程中产生更均匀分布的磁场，电能传输的功率更大，效率更高。
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种有轨电车动态无线供电系统，由地面的第一发射端电路、第二发射端电路和车载的接收端电路组成；其中，第一发射端电路的组成是：直流电源一、全桥逆变器一、发射端谐振补偿电路一、发射线圈一依次相连；第二发射端电路的组成是：直流电源二、全桥逆变器二、发射端谐振补偿电路二、发射线圈二依次相连；接收端电路的组成是：与发射线圈松耦合的接收线圈、接收端谐振补偿电容、整流器、直流滤波电容、电车用电设备依次相连；其特征在于：
所述的发射线圈一和发射线圈二大小相同，均为“8”字形线圈，“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向相反；且发射线圈一和发射线圈二在宽度方向完全重叠，在长度方向偏移重叠，其偏移距离为单个“8”字形发射线圈长度的
所述的接收线圈也为“8”字形线圈，该“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向也相反；且接收线圈与发射线圈一的大小相同，分布方向相同；
所述的直流电源一、直流电源二上还分别并联有直流电压传感器一和直流电压传感器二，直流电源一与全桥逆变器一之间串接直流电流传感器一，发射端谐振补偿电路一与发射线圈一之间串接有交流电流传感器一；直流电源二与全桥逆变器二之间串接直流电流传感器二，发射端谐振补偿电路二与发射线圈二之间串接有交流电流传感器二；
所述的逆变器一、逆变器二、直流电压传感器一、直流电压传感器二、直流电流传感器一、直流电流传感器二、交流电流传感器一、交流电流传感器二均与控制器相连。
与现有技术相比，本发明的动态无线供电系统的有益效果是：
一、本发明所提出的双“8”字形发射线圈绕制方式相比于“O”型线圈绕制方式具有明显的优点：由于两个“8”字形线圈在宽度方向完全重叠，在长度方向偏移重叠，其偏移距离为单个“8”字形发射线圈长度的1/4，因此，在其中一个“8”字型发射线圈产生的磁场为0的位置处，另一个“8”字形发射线圈在此处产生的磁场值最大，二者产生的磁场叠加后不为0，便消除了电车轨道方向的零磁场点，使轨道上的位置都进行电能的无线传输，并且，两个发射线圈磁场叠加之后，能产生较均匀分布的磁场，使得系统输出较稳定的电压。
二、同时，本发明所提出的“8”字型发射线圈的两个子线圈绕组方向相反，则两个子线圈产生的磁场方向相反，则其中一个发射线圈在另一个发射线圈的“8”字形子线圈中产生的磁场强度相同，方向相反，因此，两个“8”字型发射线圈间产生的磁场相互抵消，没有互感，消除了两个发射线圈间的无功功率，提高系统的能量传输能力。
本发明的第二目的是提供一种使用上述有轨电车动态无线供电系统的效率优化控制方法，其步骤是：
A、交流电流传感器一将测出的发射线圈一的交流电流有效值IP1、交流电流传感器二将测出的发射线圈二的交流电流有效值IP2输入到控制器；控制器比较两个交流电流有效值的大小，将大电流有效值所对应的第一发射端电路或第二发射端电路设为主发射端电路，主发射端电路中的全桥逆变器设为主逆变器，相应的另一发射端电路设为从发射端电路，从发射端电路中的全桥逆变器设为从逆变器；
B、控制器将交流电流有效值的目标值设定为主发射端电路的交流电流目标值，再将其与主发射端电路的交流电流有效值进行比较，通过PI控制算法计算出下一时刻主逆变器的导通角目标值α，并使主逆变器下一时刻的导通角等于下一时刻主逆变器的导通角目标值α；
C、控制器分别接收直流电压传感器一所测量的第一发射端电路直流侧输入电压UD1，直流电流传感器一所测量的第一发射端电路直流侧输入电流ID1，直流电压传感器二所测量的第二发射端电路直流侧输入电压UD2，直流电流传感器二所测量的第二发射端电路直流侧输入电流ID2；进而控制器计算得到：当前时刻的第一发射端电路直流母线的输出电阻RD1，RD1＝UD1/ID1；第二发射端电路直流母线的输出电阻RD2，RD2＝UD2/ID2；控制器再分别计算出全桥逆变器一的输出电阻RP1，全桥逆变器二的输出电阻RP2，其中，分别为当前时刻的全桥逆变器一、全桥逆变器二当前的导通角，其初始值为π；
D、控制器由下式计算出当前时刻全桥逆变器一与全桥逆变器二的输出阻抗比值ZR，
E、控制器由下式计算出，系统效率最优情况下的逆变器一与逆变器二输出阻抗比值的目标值
其中，ω为系统工作的角频率，RR1、RR2分别为发射线圈一、发射线圈二的内阻，LP1、LP2分别为发射线圈一、发射线圈二的自感；
F、根据当前时刻全桥逆变器一与全桥逆变器二的输出阻抗比值ZR和逆变器一与逆变器二输出阻抗比值的目标值控制器通过PI控制算法计算出下一时刻从逆变器的导通角目标值σ，并使从逆变器下一时刻的导通角等于从逆变器的导通角目标值σ；
G、当控制器检测到主逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器控制主逆变器的输出电压反向；当控制器检测到从逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器控制从逆变器的输出电压反向；使得发射线圈一与发射线圈二电流呈同相或相位差为180°的状态，使发射端线圈一与发射线圈二能产生相互增强的磁场；
H、重复A至G步的操作，直至系统工作停止。
本发明方法中两个发射线圈的最佳电流比值βm的计算方法为：
为了简化分析，这里只考虑发射线圈一与接收线圈的互感M1S≥0，发射线圈二与接收线圈的互感M2S≥0，且发射端电流同相的情况；其他情况均可通过改变电流方向的方法进行类似分析处理，则发射端电流关系表示为：
其中，β为两个发射线圈的电流有效值之比，且β>0。
对系统电路列写KVL方程并进行理论推导之后，可得到系统的输入有功功率Pin和输出有功功率Pout表达式，进而可计算出系统传输效率表达式η，对η关于β求导，并令其导数为0，即可求解出系统发射线圈最优电流比值βm，对所求得的最优电流比值进行化简和近似，得出的表达式为：
进而计算出系统效率最优情况下逆变器一、逆变器二输出阻抗比值的目标值
与现有技术相比，本发明的效率优化控制方法的有益效果是：
一、本发明通过控制发射线圈电流比值来优化系统传输效率，能使系统在运行过程中，随着主从发射端电路的切换，通过对两个逆变器导通角的调整来控制发射线圈与接收线圈的互感，始终保证发射线圈电流比值为系统效率最大值点所对应的最优比值，从而提高系统传输效率。
二、本发明所采用的通过改变逆变器输出电压方向，来控制系统发射线圈电流方向的方法，能实时保持两个发射线圈产生相互增强的均匀磁场，利于功率的传输，该控制方法简便，实时性高、可靠性好。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例的电路原理示意图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式是：一种有轨电车动态无线供电系统，由地面的第一发射端电路、第二发射端电路和车载的接收端电路组成；其中，第一发射端电路的组成是：直流电源一E1、全桥逆变器一H1、发射端谐振补偿电路一LCL1、发射线圈一LP1依次相连；第二发射端电路的组成是：直流电源二E2、全桥逆变器二H2、发射端谐振补偿电路二LCL2、发射线圈二LP2依次相连；接收端电路的组成是：与发射线圈LP松耦合的接收线圈LS、接收端谐振补偿电容CS、整流器H3、直流滤波电容CD、电车用电设备R依次相连；其特征在于：
所述的发射线圈一LP1和发射线圈二LP2大小相同，均为“8”字形线圈，“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向相反；且发射线圈一LP1和发射线圈二LP2在宽度方向完全重叠，在长度方向偏移重叠，其偏移距离为单个“8”字形发射线圈长度的
所述的接收线圈LS也为“8”字形线圈，该“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向也相反；且接收线圈LS与发射线圈一LP1的大小相同，分布方向相同；
所述的直流电源一E1、直流电源二E2上还分别并联有直流电压传感器一UD1和直流电压传感器二UD2，直流电源一E1与全桥逆变器一H1之间串接直流电流传感器一ID1，发射端谐振补偿电路一LCL1与发射线圈一LP1之间串接有交流电流传感器一IP1；直流电源二E2与全桥逆变器二H2之间串接直流电流传感器二ID2，发射端谐振补偿电路二LCL2与发射线圈二LP2之间串接有交流电流传感器二IP2；
所述的逆变器一H1、逆变器二H2、直流电压传感器一UD1、直流电压传感器二UD2、直流电流传感器一ID1、直流电流传感器二ID2、交流电流传感器一IP1、交流电流传感器二IP2均与控制器KP相连。
本例的有轨电车动态无线供电系统的效率优化控制方法，其步骤是：
A、交流电流传感器一IP1将测出的发射线圈一LP1的交流电流有效值IP1、交流电流传感器二IP2将测出的发射线圈二LP2的交流电流有效值IP2输入到控制器KP；控制器KP比较两个交流电流有效值的大小，将大电流有效值所对应的第一发射端电路或第二发射端电路设为主发射端电路，主发射端电路中的全桥逆变器设为主逆变器，相应的另一发射端电路设为从发射端电路，从发射端电路中的全桥逆变器设为从逆变器；
B、控制器KP将交流电流有效值的目标值设定为主发射端电路的交流电流目标值，再将其与主发射端电路的交流电流有效值进行比较，通过PI控制算法计算出下一时刻主逆变器的导通角目标值α，并使主逆变器下一时刻的导通角等于下一时刻主逆变器的导通角目标值α；
C、控制器KP分别接收直流电压传感器一UD1所测量的第一发射端电路直流侧输入电压UD1，直流电流传感器一ID1所测量的第一发射端电路直流侧输入电流ID1，直流电压传感器二UD2所测量的第二发射端电路直流侧输入电压UD2，直流电流传感器二ID2所测量的第二发射端电路直流侧输入电流ID2；进而控制器KP计算得到：当前时刻的第一发射端电路直流母线的输出电阻RD1，RD1＝UD1/ID1；第二发射端电路直流母线的输出电阻RD2，RD2＝UD2/ID2；控制器KP再分别计算出全桥逆变器一H1的输出电阻RP1，全桥逆变器二H2的输出电阻RP2，其中，分别为当前时刻的全桥逆变器一H1、全桥逆变器二H2当前的导通角，其初始值为π；
D、控制器KP由下式计算出当前时刻全桥逆变器一H1与全桥逆变器二H2的输出阻抗比值ZR，
E、控制器KP由下式计算出，系统效率最优情况下的逆变器一H1与逆变器二H2输出阻抗比值的目标值
其中，ω为系统工作的角频率，RR1、RR2分别为发射线圈一LP1、发射线圈二LP2的内阻，LP1、LP2分别为发射线圈一LP1、发射线圈二LP2的自感；
F、根据当前时刻全桥逆变器一H1与全桥逆变器二H2的输出阻抗比值ZR和逆变器一H1与逆变器二H2输出阻抗比值的目标值控制器KP通过PI控制算法计算出下一时刻从逆变器的导通角目标值σ，并使从逆变器下一时刻的导通角等于从逆变器的导通角目标值σ；
G、当控制器KP检测到主逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器KP控制主逆变器的输出电压反向；当控制器KP检测到从逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器KP控制从逆变器的输出电压反向；使得发射线圈一LP1与发射线圈二LP2电流呈同相或相位差为180°的状态，使发射端线圈一LP1与发射线圈二LP2能产生相互增强的磁场；
H、重复A至G步的操作，直至系统工作停止。

Claims (2)

1.一种有轨电车动态无线供电系统，由地面的第一发射端电路、第二发射端电路和车载的接收端电路组成；其中，第一发射端电路的组成是：直流电源一(E1)、全桥逆变器一(H1)、发射端谐振补偿电路一(LCL1)、发射线圈一(LP1)依次相连；第二发射端电路的组成是：直流电源二(E2)、全桥逆变器二(H2)、发射端谐振补偿电路二(LCL2)、发射线圈二(LP2)依次相连；接收端电路的组成是：与发射线圈一(LP1)和发射线圈二(LP2)松耦合的接收线圈(LS)、接收端谐振补偿电容(CS)、整流器(H3)、直流滤波电容(CD)、电车用电设备(R)依次相连；其特征在于：
所述的发射线圈一(LP1)和发射线圈二(LP2)大小相同，均为“8”字形线圈，“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向相反；且发射线圈一(LP1)和发射线圈二(LP2)在宽度方向完全重叠，在长度方向偏移重叠，其偏移距离为单个“8”字形发射线圈长度的
所述的接收线圈(LS)也为“8”字形线圈，该“8”字形线圈的两个子线圈的绕组方向也相反；且接收线圈(LS)与发射线圈一(LP1)的大小相同，分布方向相同；
所述的直流电源一(E1)、直流电源二(E2)上还分别并联有直流电压传感器一(UD1)和直流电压传感器二(UD2)，直流电源一(E1)与全桥逆变器一(H1)之间串接直流电流传感器一(ID1)，发射端谐振补偿电路一(LCL1)与发射线圈一(LP1)之间串接有交流电流传感器一(IP1)；直流电源二(E2)与全桥逆变器二(H2)之间串接直流电流传感器二(ID2)，发射端谐振补偿电路二(LCL2)与发射线圈二(LP2)之间串接有交流电流传感器二(IP2)；
所述的全桥逆变器一(H1)、全桥逆变器二(H2)、直流电压传感器一(UD1)、直流电压传感器二(UD2)、直流电流传感器一(ID1)、直流电流传感器二(ID2)、交流电流传感器一(IP1)、交流电流传感器二(IP2)均与控制器(KP)相连。
2.一种权利要求1所述的有轨电车动态无线供电系统的效率优化控制方法，其步骤是：
A、交流电流传感器一(IP1)将测出的发射线圈一(LP1)的交流电流有效值IP1、交流电流传感器二(IP2)将测出的发射线圈二(LP2)的交流电流有效值IP2输入到控制器(KP)；控制器(KP)比较两个交流电流有效值的大小，将大电流有效值所对应的第一发射端电路或第二发射端电路设为主发射端电路，主发射端电路中的全桥逆变器设为主逆变器，相应的另一发射端电路设为从发射端电路，从发射端电路中的全桥逆变器设为从逆变器；
B、控制器(KP)将交流电流有效值的目标值设定为主发射端电路的交流电流目标值，再将其与主发射端电路的交流电流有效值进行比较，通过PI控制算法计算出下一时刻主逆变器的导通角目标值α，并使主逆变器下一时刻的导通角等于下一时刻主逆变器的导通角目标值α；
C、控制器(KP)分别接收直流电压传感器一(UD1)所测量的第一发射端电路直流侧输入电压UD1，直流电流传感器一(ID1)所测量的第一发射端电路直流侧输入电流ID1，直流电压传感器二(UD2)所测量的第二发射端电路直流侧输入电压UD2，直流电流传感器二(ID2)所测量的第二发射端电路直流侧输入电流ID2；进而控制器(KP)计算得到：当前时刻的第一发射端电路直流母线的输出电阻RD1，RD1＝UD1/ID1；第二发射端电路直流母线的输出电阻RD2，RD2＝UD2/ID2；控制器(KP)再分别计算出全桥逆变器一(H1)的输出电阻RP1，全桥逆变器二(H2)的输出电阻RP2，其中，分别为当前时刻的全桥逆变器一(H1)、全桥逆变器二(H2)当前的导通角，其初始值为π；
D、控制器(KP)由下式计算出当前时刻全桥逆变器一(H1)与全桥逆变器二(H2)的输出阻抗比值ZR，
其中，Z1为当前时刻全桥逆变器一(H1)的输出阻抗值，Z2为当前时刻全桥逆变器二(H2)的输出阻抗值；
E、控制器(KP)由下式计算出，系统效率最优情况下的全桥逆变器一(H1)与全桥逆变器二(H2)输出阻抗比值的目标值
其中，ω为系统工作的角频率，RR1、RR2分别为发射线圈一(LP1)、发射线圈二(LP2)的内阻，LP1、LP2分别为发射线圈一(LP1)、发射线圈二(LP2)的自感；
F、根据当前时刻全桥逆变器一(H1)与全桥逆变器二(H2)的输出阻抗比值ZR和全桥逆变器一(H1)与全桥逆变器二(H2)输出阻抗比值的目标值控制器(KP)通过PI控制算法计算出下一时刻从逆变器的导通角目标值σ，并使从逆变器下一时刻的导通角等于从逆变器的导通角目标值σ；
G、当控制器(KP)检测到主逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器(KP)控制主逆变器的输出电压反向；当控制器(KP)检测到从逆变器的导通角呈减小趋势且低于设定的小角度γ时，控制器(KP)控制从逆变器的输出电压反向；使得发射线圈一(LP1)与发射线圈二(LP2)电流呈同相或相位差为180°的状态，使发射端线圈一(LP1)与发射线圈二(LP2)能产生相互增强的磁场；
H、重复A至G步的操作，直至系统工作停止。
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