CN113839469A - 一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统 - Google Patents

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蔡劭钧
林智声
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Abstract

一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统，涉及光伏发电技术领域。无线功率发射端包括逆变电路、发射线圈和第一控制器。第一控制器对逆变电路进行最大功率点跟踪控制。无线功率接收端包括整流电路、接收线圈和第二控制器。第二控制器对整流电路进行最大传输效率点跟踪控制。利用该方案，控制逆变器时采用最大功率点跟踪控制以确保发电的最大利用率。控制整流器时采用最大效率点跟踪控制，可在光照强度变化时，快速匹配谐振式功率传输转换器其最佳阻抗，两个控制器互相独立，无需进行通信反馈，避免了传统屋顶光伏发电系统的渗水及传热等问题，降低了维护成本，易于安装和拆卸，还支持通过拆卸来避免极端天气损坏器件，提升了实用性。

Description

一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统。
背景技术
目前，由于能源需求的快速增长，配电系统对可再生能源(renewable energysources，RESs)的依赖逐渐增加，合理利用可再生能源，有助于减轻环境污染。因此，高能量密度和对环境友好的可再生能源日益受到关注。
可再生能源主要包括太阳能，风能，沼气能源等。其中，由于太阳辐射的丰富性，利太阳能进行发电的技术已得到的广泛应用和改进。同时，由于大多数电子设备依靠直流电源工作，并且许多分布式的新能源发电系统输出的均为直流电，使得低压直流(lowvoltage direct current，LVDC)电网也得到了广泛的应用。
在LVDC电网中，屋顶光伏发电系统是建筑物集成式集中发电的重要解决方案。传统的屋顶光伏发电系统通常作为建筑物的一部份，在光伏阵列和功率变换器之间通过的导线连接，如图1所示，在墙壁钻孔用于通过导线。
但是，采用以上的方式时，复杂的布线会导致高昂的安装成本和电缆损耗。并且屋顶光伏发电系统的导线会不定期地暴露在雨水和热量中，这会导致长期渗水以及传热问题并加速导线的老化，从而导致高昂的日常维护成本。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本，并且易于安装和拆卸。
第一方面，本申请提供了一种无线功率发射端，该无线功率的发射端应用于光伏发电系统，一个典型应用场景为屋顶光伏发电系统。无线功率发射端包括逆变电路、发射线圈和第一控制器。逆变电路的输入端为无线功率发射端的输入端，逆变电路的输出端连接发射线圈。逆变电路用于将直流电转换为交流电。发射线圈用于将交流电以交变磁场的形式进行发射。第一控制器用于对逆变电路进行最大功率点跟踪控制。
利用本申请提供的无线功率发射端，第一控制器采用最大功率点跟踪控制逆变器，进而在不同的光照条件下，仍能确保实现最大输入功率的追踪，从而确保清洁能源的最大利用率。此外，由于进行了无线功率传输，因此避免了对建筑结构进行钻孔操作，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本，并且易于安装和拆卸。
在一种可能的实现方式中，逆变电路为全桥逆变电路，逆变电路包括两个桥臂，两个桥臂中的每个桥臂的上半桥臂和下半桥臂均包括一个可控开关管。第一控制器具体用于通过控制逆变电路中的各可控开关管，以对逆变电路进行最大功率点跟踪控制。
在一种可能的实现方式中，第一控制器具体用于根据逆变电路的输入电压和输入电流，确定逆变电路的输入功率，并根据逆变电路的输入电压、逆变电路的输入功率和最大功率点跟踪算法，确定逆变电路的导通角，根据导通角确定控制逆变电路中的各可控开关管的脉冲宽度调制信号。
在一种可能的实现方式中，无线功率发射端还包括第一谐振电路；逆变电路包括的两个桥臂为第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂的中点为逆变电路的第一输出端，第二桥臂的中点为逆变电路的第二输出端。第一谐振电路的第一端连接逆变电路的第一输出端，第一谐振电路的第二端通过发射线圈连接逆变电路的第二输出端。
在一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第一电容。第一电容的第一端为第一谐振电路的第一端，第一电容的第二端为第一谐振电路的第二端。
在一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第一电容和第一电感。第一电容的第一端为第一谐振电路的第一端，第一电容的第二端连接第一电感的第一端，第一电感的第二端为第一谐振电路的第二端。
在一种可能的实现方式中，第一控制器具体用于，控制逆变电路将直流电转换为固定频率的交流电。具体的，第一控制器控制逆变电路的控制信号的频率为第一频率，第二控制器控制整流电路的控制信号的频率为第二频率，该第一频率可以等于第二频率，以使两侧的控制器不需反馈无线通信，增强系统的工作稳定性。
第二方面，本申请还提供了一种无线功率接收端，应用于光伏发电系统，一个典型应用场景为屋顶光伏发电系统。无线功率接收端包括整流电路、接收线圈和第二控制器。整流电路的输入端连接接收线圈，整流电路的输出端连接无线功率接收端的输出端。接收线圈，用于将接收的交变磁场转换为交流电。整流电路，用于将从接收线圈获取的交流电整流为直流电。第二控制器，用于对整流电路进行最大效率点跟踪控制。
当光伏发电系统采用本申请提供的无线功率接收端时，第二控制器采用最大传输效率点跟踪控制整流器，可在光照强度变化时，保持最大传输效率。当应用于屋顶光伏系统时，本申请提供的方案避免使用传统方案所需的线缆，便于进行安装和拆卸，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本。
在一种可能的实现方式中，整流电路具体包括第三桥臂和第四桥臂。第三桥臂包括串联连接的第一二极管和第一可控开关管；第四桥臂包括串联连接的第二二极管和第二可控开关管，第二控制器具体用于通过控制第一可控开关管和第二可控开关管，以对整流电路进行最大效率点跟踪控制。
在一种可能的实现方式中，第二控制器具体用于根据整流电路的输出电压和输出电流，以及当前整流电路的导通角，确定当前无线功率接收端的等效阻抗，并根据当前无线功率接收端的等效阻抗和等效阻抗的参考值，确定控制第一可控开关管和第二可控开关管的脉冲宽度调制信号。
在一种可能的实现方式中，无线功率接收端还包括第二谐振电路，第三桥臂的中点为整流电路的第一输入端，第四桥臂的中点为整流电路的第二输入端。第二谐振电路的第一端连接整流电路的第一输入端，第二谐振电路的第二端通过接收线圈连接整流电路的第二输入端。
在一种可能的实现方式中，第二谐振电路包括第二电容。第二电容的第一端为第二谐振电路的第一端，第二电容的第二端为第二谐振电路的第二端。
在一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第二电容和第二电感。第二电容的第一端为第二谐振电路的第一端，第二电容的第二端连接第二电感的第一端，第二电感的第二端为第二谐振电路的第二端。
在一种可能的实现方式中，第二控制器具体用于以固定频率的控制信号控制整流电路。具体的，第一控制器控制逆变电路的控制信号的频率为第一频率，第二控制器控制整流电路的控制信号的频率为第二频率，该第一频率可以等于第二频率，以使两侧的控制器不需反馈无线通信，增强系统的工作稳定性。
第三方面，本申请还提供了一种光伏发电系统，该光伏发电系统包括以上实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端，还包括一个或多个光伏阵列。一个或多个光伏阵列的输出端，用于连接无线功率发射端的输入端。一个或多个光伏阵列用于将光能转换为直流电后传输至无线功率发射端的输入端。
当光伏发电系统采用本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端时，降低了光伏发电系统的模块尺寸，无需额外级联其它的转换器，进而可以降低光伏发电系统的硬件成本。第一控制器采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制逆变器，进而在不同的光照条件下，仍能确保实现最大输入功率的追踪，从而确保清洁能源的最大利用率；第二控制器采用最大传输效率点跟踪(Maximum Efficiency PointTracking，MEPT)控制整流器，可在光照强度变化时，保持最大传输效率。此外，无线功率发射端和无线功率接收端在工作时，采用固定的工作频率，因此第一控制器和第二控制器之间不需建立反馈无线通信，提升了系统的稳定性。
进一步的，当应用于屋顶光伏系统时，本申请提供的方案避免使用传统方案所需的线缆，因此无需对建筑结构进行钻孔操作，便于进行安装和拆卸，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本。
附图说明
图1为传统的屋顶光伏发电系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种无线功率发射端和无线功率接收端的示意图；
图3为本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端的应用场景示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的示意图；
图5为本申请实施例提供的逆变器与整流器的工作波形示意图；
图6为本申请实施例提供的感应式无线功率传输转换器的等效电路模型的示意图；
图7为本申请实施例提供的测试光伏阵列；
图8A为本申请实施例提供的Case1至Case4的P-V特性曲线；
图8B为本申请实施例提供的Case1和Case4的I-V特性曲线；
图9A为本申请实施例提供的Case1、Case5和Case6的P-V特性曲线；
图9B为本申请实施例提供的Case1、Case5和Case6的I-V特性曲线；
图10为本申请提供的整流器的导通角度β与输出功率的对应关系，及等效阻值与输出功率的对应关系示意图；
图11为本申请实施例提供的逆变器的导通角度α与最大输入功率对应直流电阻的关系示意图；
图12为本申请实施例提供的次级侧的最佳负载匹配控制的示意图；
图13为本申请实施例提供的6种受光测试情况对应与损耗电阻比以及传输效率的仿真结果示意图；
图14为本申请实施例提供的初级侧的最大输入功率控制的示意图；
图15为本申请实施例提供的6种受光测试情况对应的逆变器导通角度α与整流器的导通角度β的示意图；
图16A为本申请实施例提供的Case1对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图16B为本申请实施例提供的Case2对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图16C为本申请实施例提供的Case3对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图16D为本申请实施例提供的Case4对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图16E为本申请实施例提供的Case6对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图16F为本申请实施例提供的Case5对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率的波形图；
图17为本申请实施例提供图16A至图16F对应的具体参数信息；
图18为本申请实施例提供的均匀辐照变化到部分阴影的瞬态波形图；
图19为本申请实施例提供的均匀辐照变化时的瞬态波形图；
图20为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更清楚地理解本申请方案，下面首先说明本申请技术方案的应用场景。
继续参见图1所示的传统屋顶光伏发电系统。
传统的屋顶光伏发电系统通常作为建筑物的一部份，光伏阵列设置于室外，功率变换器设置于室内，在光伏阵列和功率变换器之间通过的导线连接，在墙壁钻孔用于通过导线。
其中，光伏阵列包括一个或多个光伏组件。光伏组件为由太阳能电池片串、并联封装构成的直流电源。当光伏阵列包括多个光伏组件时，多个光伏组件可以通过正、负极首尾串联的方式形成一个光伏组串，以形成光伏阵列；多个光伏组件也可以先串联形成多个光伏组串，多个光伏组串再并联以形成光伏阵列。
但是，采用以上的方式时，复杂的布线会导致高昂的安装成本和电缆损耗。并且屋顶光伏发电系统的导线会不定期地暴露在雨水和热量中，这会导致危险的电击并加速导线的老化，从而导致高昂的日常维护成本。
为了解决以上问题，本申请实施例提供了一种无线功率发射端、无线功率接收端及光伏发电系统。无线功率发射端包括逆变电路、发射线圈和第一控制器。第一控制器用于对逆变电路进行最大功率点跟踪控制。无线功率接收端包括整流电路、接收线圈和第二控制器。第二控制器用于对整流电路进行最大效率点跟踪控制。利用本申请提供的方案，控制逆变器时采用了功率点跟踪控制，以确保对光伏阵列发电的最大利用率。在控制整流器时采用最大效率点跟踪控制，可在光照强度变化时，能匹配谐振式功率传输转换器其最佳阻抗，两个控制器互相独立，无需进行通信反馈，进而降低了安装成本、电缆损耗和维护成本，并且易于安装和拆卸。
为了使本技术领域的人员更清楚地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
本申请说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。
本申请实施例提供了一种无线功率发射端和无线功率接收端，下面结合附图具体说明。
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种无线功率发射端和无线功率接收端的示意图。
其中，该无线功率发射端包括：逆变电路10、发射线圈Lp和第一控制器11。
无线功率接收端包括：整流电路20、接收线圈Ls和第二控制器21。
逆变电路10的输入端为无线功率发射端的输入端，逆变电路10的输出端用于连接发射线圈Lp。
逆变电路10用于将直流电转换为交流电后传输至发射线圈Lp。
发射线圈Lp用于将交流电以交变磁场的形式进行发射。
第一控制器11用于对逆变电路进行最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)控制。
整流电路20的输入端连接接收线圈Ls，整流电路的输出端连接无线功率接收端的输出端。
接收线圈Ls用于将接收的交变磁场转换为交流电。
整流电路20用于将从接收线圈获取的交流电整流为直流电后向负载进行输出。
第二控制器21用于对整流电路进行最大效率点跟踪(Maximumefficiency pointtracking，MEPT)控制。
参见图3，该图为本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端的应用场景示意图。
当采用本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端时，无线功率发射端置于室外，无线功率接收端置于室内或者屋顶夹层中。其中的逆变电路、发射线圈Lp和接收线圈Ls形成了单级的感应式无线功率传输(Inductive Wireless Power Transfer，IWPT)转换器，降低了光伏发电系统的模块尺寸，无需额外级联其它的转换器，进而可以降低光伏发电系统的硬件成本。第一控制器采用MPPT控制逆变器，进而在不同的光照条件下，仍能确保实现最大输入功率的追踪，从而确保清洁能源的最大利用率；第二控制器采用MEPT控制整流器，可在光照强度变化时，保持最大传输效率。此外，无线功率发射端和无线功率接收端在工作时，采用固定的工作频率，因此第一控制器和第二控制器之间不需建立反馈无线通信，提升了系统的稳定性。
进一步的，当应用于屋顶光伏系统时，本申请提供的方案避免使用传统方案所需的线缆，因此无需对建筑结构进行钻孔操作，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本，不仅避免了传统屋顶光伏发电系统的渗水及传热等问题，还能够支持通过拆卸来避免极端天气损坏器件，提升了实用性。
本申请实施例中的第一控制器11和第二控制器21可以为专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑器件(ProgrammableLogic Device，PLD)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)、现场可编程逻辑门阵列(Field-programmable Gate Array，FPGA)、通用阵列逻辑(Generic ArrayLogic,GAL)或其任意组合，本申请实施例不作具体限定。
下面结合具体的实现方式进行说明。
以下说明中的逆变电路为全桥逆变电路，逆变电路包括两个桥臂，两个桥臂中的每个桥臂的上半桥臂和下半桥臂均包括一个可控开关管。
以下说明中的无线功率发射端还包括第一谐振电路，逆变电路包括的两个桥臂为第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂的中点为逆变电路的第一输出端，第二桥臂的中点为所述逆变电路的第二输出端。第一谐振电路的第一端连接逆变电路的第一输出端，第一谐振电路的第二端通过发射线圈连接逆变电路的第二输出端。
在一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第一电容，第一电容的第一端为第一谐振电路的第一端，第一电容的第二端为第一谐振电路的第二端。
在另一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第一电容和第一电感。第一电容的第一端为第一谐振电路的第一端，第一电容的第二端连接第一电感的第一端，第一电感的第二端为第一谐振电路的第二端。
下面说明中以第一谐振电路包括第一电容为例进行说明。
进一步的，以下说明中的整流电路具体包括第三桥臂和第四桥臂。第三桥臂包括串联连接的第一二极管和第一可控开关管，第四桥臂包括串联连接的第二二极管和第二可控开关管。无线功率接收端还包括第二谐振电路。第三桥臂的中点为整流电路的第一输入端，第四桥臂的中点为整流电路的第二输入端。第二谐振电路的第一端连接整流电路的第一输入端，第二谐振电路的第二端通过接收线圈连接整流电路的第二输入端。
在一种可能的实现方式中，第二谐振电路包括第二电容。第二电容的第一端为第二谐振电路的第一端，第二电容的第二端为第二谐振电路的第二端。
在另一种可能的实现方式中，第一谐振电路包括第二电容和第二电感。第二电容的第一端为第二谐振电路的第一端，第二电容的第二端连接第二电感的第一端，第二电感的第二端为第二谐振电路的第二端。
下面说明中以第二谐振电路包括第二电容为例进行说明。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的示意图。
图示的光伏发现系统包括光伏阵列30、感应无线功率传输(Inductive WirelessPower Transfer，IWPT)转换器、整流器20和LVDC总线40
其中，IWPT转换器包括逆变器10和谐振式功率传输电路。谐振式功率传输电路的初级侧包括电容Cp(也即第一电容)和发射线圈Lp，次级侧包括电容Cs(也即第二电容)和接收线圈Ls。
IWPT转换器由光伏阵列30驱动，整流器20为半有源整流器。
此时，逆变器10采用最大输入功率控制，通过相移脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)调制实现MPPT。
为了验证该光伏发电系统在各种阴影条件下的可行性，在最大输入功率控制中采用了以扰动和观察(Perturb and Observe，P&O)算法为辅的粒子群优化(Particle Swarmoptimization，PSO)算法来计算出对应的导通角度，实现全局最大功率追踪。
此外，由于光照强度会发生变化以及光伏阵列可能被部分遮挡，使得次级侧的等效负载会发生变化，根据谐振式功率传输电路的特性，其传输效率会受到影响，因此，本申请的方案在次级侧的整流器20采用MEPT控制，同样使用相移PWM来追踪最佳阻抗配对，进而维持最佳的传输效率，并且无需和初级侧进行无线反馈通信，进而增强了光伏发电系统的稳定性。
下面具体说明该光伏发电系统的工作原理。
LP和LS1互感M，其耦合系数可以定义为
Figure BDA0003321650810000071
继续参见图4，此时一次侧的谐振角频率ωP为：
Figure BDA0003321650810000072
二次侧的谐振角频率ωs为：
Figure BDA0003321650810000073
VIN和IIN分别是从光伏阵列30提取的直流输入电压和直流电流。光伏阵列30作为电压源。
逆变电路10为全桥逆变电路，包括可控开关管S1至S4，可控开关管的类型可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor，MOSFET)或碳化硅场效应管(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor，SiC MOSFET)等，本申请实施例对此不作限定。
逆变电路10以恒定的角频率将光伏阵列30输出的电压调制为交流电压vp，以驱动初级侧的谐振电路。
在次级侧，交流电压vS和交流电流iS是整流器20的输入，整流器20由两个二极管D5和D6以及两个可控开关管S7和S8组成，而整流器20输出端与一个大输出电容器Cf,s(图中未示出)并联连接。
VO和IO分别是整流器20，也即IWPT转换器的直流输出电压和直流输出电流。
由于光伏发电系统的输出连接到LVDC40，因此VO与LVDC总线40的电压相同，处于恒定状态，此时IWPT转换器可以充当电流源。
假设光伏发电系统可以通过与半主动整流器(semi-active rectifier，SAR)并联的大去耦电容Cf,s与LVDC总线40很好地去耦，那么LVDC总线40可以建模为负载电阻RLVDC。因此，RLVDC的变化取决于光伏阵列30的输入功率。
参见图5，该图为本申请实施例提供的逆变器与整流器的工作波形示意图。
图5的上半部分对应逆变器10的工作波形，旨在通过调节vp的导通角α以改变IWPT转换器的输入阻抗，而vP,1是vP的基频成分，始终与iP保持一致。
类似地，整流器20的工作波形显示在下部，调整vS的导通角β以匹配最佳负载，而vS,1是vS的基频成分及与iS对齐的分量。由于vP和vS的基频分量分别与iP和iS同相，因此零相位角的特性可使电压-安培额定值最小。
根据基波谐波近似(First harmonic approximation，FHA)分析，IWPT转换器的等效电路模型如图6所示。
由于IWPT转换器以谐振频率工作并且是高品质因子电路，因此该模型对于随后的分析足够准确。在此，等效电路模型分为一次回路和二次回路。VP，IP，VS和IS分别是vP，iP，vS和iS的基频成分的相量。
串联电阻RP包括线圈损耗RP,w和来自初级侧逆变器的损耗，而串联电阻RS包括线圈损耗RS,w和来自次级侧整流器的损耗。根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff VoltageLaws，KVL)，推导电路模型的基本公式为：
(RP+jXP)IP-jXMIS＝Vp (3)
-(RS+Req+jXS)IS+jXMIP＝0 (4)
XM＝ωM (5)
Figure BDA0003321650810000081
Figure BDA0003321650810000082
以上各式中的XM为互感，XP为初级侧的电抗，XS为次级侧的电抗。
整流器20与LVDC总线负载RLVDC可以用等效电阻Req表示，具体参见下式：
Figure BDA0003321650810000083
同时，VP和IP的大小由下式确定：
Figure BDA0003321650810000084
Figure BDA0003321650810000091
不断变化的太阳辐射导致光伏阵列输出的最大功率呈现不一致性。为了不失去一般性，假设从光伏阵列中提取的最大功率为PMAX，并且可以忽略IWPT转换器的损耗，此时IWPT转换器的输入功率PIN和输出功率POUT相同，由下式确定：
POUT≈PIN＝PMAX (11)
可以将LVDC母线的等效负载计算为：
Figure BDA0003321650810000092
最大输入功率PMAX直接受到变化的太阳辐照度的影响，导致IWPT转换器的宽负载范围变化。因此，当光伏阵列经受均匀或不均匀辐照度的变化时，光伏发电系统的情况变得更加复杂。
为了确定该光伏发电系统在各种光照条件下的可行性，利用图7的测试光伏阵列进行实验。
图7所示的测试光伏阵列包括六个光伏阵列，分别为Case1至Case6。每个光伏阵列包括四串并联连接的光伏组串，每个光伏组串包括两个串联连接的光伏组件。
将Case1至Case6的规格汇总在表I中。此外，这6个案例可分为两个条件，分别为Case1至Case4的均匀照射条件Case5和Case6的不均匀照射条件。由于本申请的方案仅考虑辐照(irradiance)的影响，因此所有情况下的温度均保持在25℃不变。
表1：测试参数的数据表
Figure BDA0003321650810000093
参见图8A和图8B，其中图8A示出了Case1至Case4的P-V特性曲线；图9A示出了Case1、Case5和Case6的P-V特性曲线。
一并参见图8B和图9B，其中图8B示出了Case1至Case4的I-V特性曲线；图9B示出了Case1、Case5和Case6的I-V特性曲线。
使用图6所示的电路等效模型，计算光伏发电系统的传输效率如下：
Figure BDA0003321650810000101
为了获得最大的功率效率，最佳工作频率ωopt和最佳等效电阻Req,opt,由下式给出：
ωopt＝ωS (14)
Figure BDA0003321650810000102
LVDC总线的等效负载RLVDC随IWPT转换器的输入功率而变化。
参见图10，该图为本申请提供的整流器的导通角度β与输出功率的对应关系，及等效阻值与输出功率的对应关系示意图。
其中，圆形标记对应导通角度β，菱形标记对应等效负载RLVDC。
当RLVDC变大时，POUT随太阳辐照度的减小而减小，反之亦然，从而导致IWPT转换器的负载范围变化很大，大大降低了传输效率。为了将等效负载Req转换为IWPT转换器的最佳值，此时应满足整流器的导通角。因此，我们可以获得最佳Req，opt满足：
Figure BDA0003321650810000103
此外，基于(16)条件，导通角β的运算可推导为
Figure BDA0003321650810000104
显然，导通角β由IWPT转换器的输出功率、输出电压和IWPT转换器的最佳等效负载决定。
整流器的导通角度β与输出功率的对应关系基于表2的仿真参数进行仿真。
表2：仿真参数表1
Figure BDA0003321650810000105
Figure BDA0003321650810000111
结合图10可以确定，当输出功率减小时，导通角β相应地减小。
为了确定逆变器的交流输入电阻Rin，在初级侧的从属源jωMIs被从次级侧反射到初级侧的等效阻抗所替代的情况下，初级侧环路可以与次级侧环路解耦合。初级侧反射阻抗为Zref满足：
Figure BDA0003321650810000112
分析输入阻抗Zin，其公式为：
Figure BDA0003321650810000113
假设ωP＝ωS，并且工作频率选择在ωopt，可以获得交流输入电阻Rin，
Figure BDA0003321650810000114
如果二次侧的整流电路严格执行MEPT控制，则将等效电阻Req转换为最佳等效电阻Req，opt，进而得到：
Figure BDA0003321650810000115
通常，光伏阵列30的输出功率取决于IWPT转换器的直流输入电阻。假设可以在最大功率直流输入电阻RIN,MAX处提取最大功率，则转换器的DC输入电阻与交流输入电阻应满足：
Figure BDA0003321650810000116
导通角α也可以由推导为
Figure BDA0003321650810000117
一并参见图11，该图为本申请实施例提供的逆变器的导通角度α与最大输入功率对应直流电阻的关系示意图。
因此可以确定，逆变器的导通角度α的最佳运行由RIN,MAX决定，取决于照明条件，而整流器中已经实现了最佳负载匹配。
参见图12，该图为本申请实施例提供的次级侧的最佳负载匹配控制的示意图。
该过程由第二控制器控制，第二控制器根据整流电路的输出电压和输出电流，以及当前整流电路的导通角，确定当前无线功率接收端的等效阻抗，并根据当前无线功率接收端的等效阻抗和等效阻抗的参考值，确定控制第一可控开关管和所述第二可控开关管的脉冲宽度调制信号。
也即该控制方式主要通过控制导通角β实现，可以调制得到最佳等效电阻Req，opt。
具体过程如下：
首先，基于以上的分析，RLVDC随太阳辐照条件的变化而变化。输出电压VO和输出电流IO可以由信号条件板(Signal Conditioning Board)测量。
然后，可以通过除法器(Divider)计算RLVDC。
此后，获得等效电阻Req的值，具体通过以上的式(8)。
从最佳负载Req,opt的参考值中减去信号Req。再通过PI控制器校正Req和参考值Req,opt之间的差，从而形成用于产生PWM的控制信号，控制信号用于指示导通角β。由PWM发生器(PWM Generator)驱动可控开关管S7和S8以实现MEPT控制。
控制参考Req,opt对于此控制过程较为重要。从式(15)可知，理论上Req,opt随损耗电阻比
Figure BDA0003321650810000121
的变化而变化，式(15)中的XM为常数。
根据等效电路分析，RP和RS分别包括来自逆变器和整流器的功率损耗(每个线圈损耗除外)。由于逆变器的损耗和整流器的损耗随调制深度的变化而变化，因此IWPT转换器的Req,opt会受到间接影响。因此，出于Req,opt的设计考虑，可以应用理论损失分析来实现此问题，下面具体说明。
对于逆变器，功率损耗Ploss,inv主要包括为开关损耗Psw,inv和传导损耗Pcon,inv，由下式给出：
Ploss,inv＝Psw,inv+Pcon,inv (24)
假设基于漏源电压和电流，开关损耗Psw,inv的线性近似估算：
Figure BDA0003321650810000122
其中，ton和toff分别是MOSFET的导通时间和关断时间，而Coss,1是逆变器中每个MOSFET开关的输出电容。
Figure BDA0003321650810000123
和
Figure BDA0003321650810000124
分别是通过逆变器的vP和iP的平均值。fSW代表IWPT转换器的工作频率。此外，可以将传导损耗Pcov,inv估计为：
Figure BDA0003321650810000125
其中Ron，1是MOSFET开关S1-S4的导通电阻，而Vf,1是其反并联二极管的正向电压。
Figure BDA0003321650810000126
是ip的均方根值。因此，考虑到逆变器初级侧的损耗，等效串联电阻RP可以计算为
Figure BDA0003321650810000131
类似地，考虑到整流器的开关损耗Rsw,SAR和传导损耗Rcon,SAR，整流器的功率损耗Ploss,SAR由下式给出：
Ploss,SAR＝Psw,SAR+Pcon,SAR (28)
基于线性近似，可以消除Psw,SAR，因为Psw,SAR满足：
Figure BDA0003321650810000132
其中
Figure BDA0003321650810000133
和
Figure BDA0003321650810000134
分别是注入整流器的vS和iS的平均值。然后，整流器中的传导损耗可以估算为
Figure BDA0003321650810000135
假设整流器的MOSFET开关S7和S8与S1-S4相同，则Ron,2是MOSFET开关S7-S8的导通电阻。同样，整流器的反并联二极管的正向电压Vf,2等于Vf,1。
Figure BDA0003321650810000136
是iS的均方根值。Coss,2是整流器中每个MOSFET开关的输出电容。因此，等效串联电阻RS可以计算为
Figure BDA0003321650810000137
参见图13，该图为本申请实施例提供的6种受光测试情况对应与损耗电阻比以及传输效率的仿真结果示意图。
图示的损耗电阻比
Figure BDA0003321650810000138
与辐照条件之间的关系用正方形框标记。传输效率与辐照条件之间的关系用菱形框标记。
由于两侧的导通角的变化，损耗电阻比在1.3-1.4之间变化。从理论上讲，Req,opt应该随该比率的变化而变化，但是IWPT转换器的最佳负载电阻的偏差很小，只有大约7.5％，并且即使辐照度变化，传输效率也不会受到显着影响，而是维持在最佳值，因此为了提高MEPT控制的简便性，可以固定控制参考值Req,opt不再变化。
在此光伏发电系统中，不再通过附加的级联转换器来实现MPPT功能，而是直接通过控制逆变器来实现，也即控制逆变器中的导通角α可以改变IWPT转换器的直流输入电阻，这决定了光伏阵列的输出功率。
参见图14，该图为本申请实施例提供的初级侧的最大输入功率控制的示意图。
该控制过程由第一控制器实现，第一控制器根据逆变电路的输入电压和输入电流，确定逆变电路的输入功率，并根据逆变电路的输入电压、逆变电路的输入功率和最大功率点跟踪算法，确定逆变电路的导通角，根据导通角确定控制逆变电路中的各可控开关管的脉冲宽度调制信号。
下面结合附图具体说明。
输入电压VIN和输入电流IIN由信号条件板(Signal Conditioning Board)测量。
然后，通过乘法器(Multiplier)计算输入功率PIN。
通过测得的VIN和计算出的PIN的平均值，MPPT算法(MPPT Algorithm)相应地计算出导通角α，由PWM发生器(PWM Generator)驱动可控开关管S1至S4以实现最大输入功率。
为了验证该系统在各种阴影条件下的可行性，该系统应用了组合MPPT算法，也即利用了扰动和观察(Perturb and Observe，P&O)算法为辅的粒子群优化(Particle Swarmoptimization，PSO)算法。这种组合方法利用了PSO在从均匀阴影条件到部分阴影条件的过渡过程中快速全局最大功率点跟踪(Global Maximum Power Point Tracking，GMPPT)能力的优势。下面简要说明验证方法。
PSO算法是基于群体的，根据对环境的适应度将群体中的个体移动到好的区域。然而它不对个体使用演化算子，而是将每个个体看作是多维搜索空间中的一个没有体积的微粒(点)，在搜索空间中以一定的速度飞行，这个速度根据它本身的飞行经验和同伴的飞行经验来动态调整。
当使用PSO算法来跟踪全局最大功率点时，pBest是个体粒子的最佳位置；在群体所有微粒经历过的最好位置的索引号用符号g表示，也称为GBest。i为迭代次数。每个粒子的位置对应于功率。
首先，初始化粒子的总体。
然后，评估并记录每个粒子的最佳位置。
通过比较粒子的当前位置和单个最佳位置pBest，可以临时更新GBest。具体的：
对每个粒子，将它的当前位置和它经历过的最好位置pBest的作比较，如果较好，则将其作为当前的最好位置pBest；
对每个粒子，将它的当前位置和全局所经历最好位置GBest的作比较，如果较好，则重新设置GBest的索引号；
计算粒子的速度并更新记录其位置。
持续以上的搜索策略直至达到收敛条件的搜索停止标准，即近似达到全局最大功率点(Global Maximum Power Point，GMPP)。之后，在近似达到GMPP的同时，将PSO算法转换为P&O算法，使用P&O算法保持跟踪。此辅助算法旨在帮助PSO算法处理太阳辐照下的小振荡或处理均匀阴影条件的小变化。此时如果存在任何小变化情况，则可减少由PSO引起的功率振荡。
初级线圈和次级线圈都构造成圆形螺旋绕组，并由屋顶木材隔开。LVDC总线由恒压模式下的电子负载模拟。将工作频率固定在50kHz，调整逆变器的导通角α以跟踪最大功率点。同时，调节SAR中的导通角β以跟踪最大效率点。在图15中显示了均匀辐照条件和局部遮光条件的测量工作点。
为了验证所提出的光伏发电系统以及最大效率点跟踪控制和最大功率点跟踪控制，本申请构建了一个500W的实验原型，其参数在表3，光伏阵列由可编程的直流电源，表示为VIN仿真，该直流电源VIN可模拟两种情况：均匀的照射条件(对应Case1至Case4)和部分遮光条件(对应Case5和Case6)。
表3：仿真参数表2
Figure BDA0003321650810000141
Figure BDA0003321650810000151
初次侧的功率发射线圈和次级侧的功率发射线圈由屋顶的木材隔开，LVDC总线由恒压模式下的电子负载模拟。将工作频率固定在50kHz，调整逆变器的导通角α以跟踪最大功率点。同时，调节整流器中的导通角β以跟踪最大效率点。
参见图15，该图为本申请实施例提供的6种受光测试情况对应的逆变器导通角度α与整流器的导通角度β的示意图。
其中，图示的Case1至Case4对应均匀的照射条件，用交叉符号标识；Case5和Case6对应部分遮光条件，用正方形标识。
当处于均匀的照射条件下时，传导角α从0.475π减小到0.287π，传导角β从0.834π减小到0.180π，因为均匀照射的变化分别导致光伏阵列的对应最大直流输入电阻RIN,MAX和最大输入功率PMAX减小。
当阴影部分从无开始逐渐增加时，此时具体参照Case1、Case5和Case6，导通角α从0.475π增大到0.834π，这是因为Case1、Case5和Case6对应的RIN,MAX随阴影部分的增加而连续增加。
以上Case1至Case6分别对应的逆变器和整流器的工作波形和输出功率可以分别参照图16(A)至图16(F)中所示。对应的具体参数信息可以参见图17所示，本申请实施例在此不再一一赘述。
参见图18，该图为本申请实施例提供的均匀辐照变化到部分阴影的瞬态波形图。
其中，交流输入电流ip和对应CH6，交流输入电压对应CH7，输入功率对应CH8，逆变器的相移角π-α对应CH9，SAR的相移角π-β的相移角对应CH10。
参见图19，该图为本申请实施例提供的均匀辐照变化时的瞬态波形图。
其中，从Case1至Case3变化时存在较大的辐照度的改变，
以上的测试的跟踪时间(Atime)约为2.5秒，此后即可实现控制的稳定，因此本申请实施例提供的光伏发电系统的稳定性高，实用性强。
综上所述，当光伏发电系统采用本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端时，降低了光伏发电系统的模块尺寸，无需额外级联其它的转换器，进而可以降低光伏发电系统的硬件成本。第一控制器采用MPPT控制逆变器，进而在不同的光照条件下，仍能确保实现最大输入功率的追踪，从而确保清洁能源的最大利用率；第二控制器采用MEPT控制整流器，可在光照强度变化时，保持最大传输效率。此外，无线功率发射端和无线功率接收端在工作时，采用固定的工作频率，因此第一控制器和第二控制器之间不需建立反馈无线通信，提升了系统的稳定性。
进一步的，当应用于屋顶光伏系统时，本申请提供的方案避免使用传统方案所需的线缆，因此无需对建筑结构进行钻孔操作，便于进行安装和拆卸，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本。
基于以上实施提供的无线功率发射端和无线功率接收端，本申请实施例还提供了一种光伏发电系统，下面结合附图具体说明。
参见图20，该图为本申请实施例提供的一种光伏发电系统的示意图。
该光伏发电系统包括以上实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端，还包括一个或多个光伏阵列30。
图20中仅示出包括一个光伏阵列时的示意图。
一个或多个光伏阵列30的输出端，用于连接所述无线功率发射端的输入端。
一个或多个光伏阵列30用于将光能转换为直流电后传输至无线功率发射端的输入端。
关于无线功率发射端和无线功率接收端的工作原理可以参见以上实施例中的相关说明，本申请实施例在此不再赘述。
综上所述，当光伏发电系统采用本申请实施例提供的无线功率发射端和无线功率接收端时，降低了光伏发电系统的模块尺寸，无需额外级联其它的转换器，进而可以降低光伏发电系统的硬件成本。无线功率发射端的第一控制器采用MPPT控制逆变器，进而在不同的光照条件下，仍能确保实现最大输入功率的追踪，从而确保清洁能源的最大利用率。无线功率接收端的第二控制器采用MEPT控制整流器，可在光照强度变化时，保持最大传输效率。此外，无线功率发射端和无线功率接收端在工作时，采用固定的工作频率，因此第一控制器和第二控制器之间不需建立反馈无线通信，提升了系统的稳定性。
进一步的，当应用于屋顶光伏系统时，本申请提供的方案避免使用传统方案所需的线缆，因此无需对建筑结构进行钻孔操作，便于进行安装和拆卸，降低了安装成本、电缆损耗和维护成本。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种无线功率发射端，其特征在于，应用于光伏发电系统，所述无线功率发射端包括：逆变电路、发射线圈和第一控制器；
所述逆变电路的输入端为所述无线功率发射端的输入端，所述逆变电路的输出端用于连接所述发射线圈；
所述逆变电路，用于将直流电转换为交流电；
所述发射线圈，用于将所述交流电以交变磁场的形式进行发射；
所述第一控制器，用于对所述逆变电路进行最大功率点跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的无线功率发射端，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路，所述逆变电路包括两个桥臂，所述两个桥臂中的每个桥臂的上半桥臂和下半桥臂均包括一个可控开关管；
所述第一控制器，具体用于通过控制所述逆变电路中的各可控开关管，以对逆变电路进行所述最大功率点跟踪控制。
3.根据权利要求2所述的无线功率发射端，其特征在于，所述第一控制器，具体用于根据所述逆变电路的输入电压和输入电流，确定所述逆变电路的输入功率，并根据所述逆变电路的输入电压、所述逆变电路的输入功率和最大功率点跟踪算法，确定所述逆变电路的导通角，根据所述导通角确定控制所述逆变电路中的各可控开关管的脉冲宽度调制信号。
4.根据权利要求2或3所述的无线功率发射端，其特征在于，所述无线功率发射端还包括第一谐振电路；所述逆变电路包括的两个桥臂为第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的中点为所述逆变电路的第一输出端，所述第二桥臂的中点为所述逆变电路的第二输出端；
所述第一谐振电路的第一端连接所述逆变电路的第一输出端，所述第一谐振电路的第二端通过所述发射线圈连接所述逆变电路的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的无线功率发射端，其特征在于，所述第一谐振电路包括第一电容；
所述第一电容的第一端为所述第一谐振电路的第一端，所述第一电容的第二端为所述第一谐振电路的第二端。
6.根据权利要求4所述的无线功率发射端，其特征在于，第一谐振电路包括第一电容和第一电感；
所述第一电容的第一端为所述第一谐振电路的第一端，所述第一电容的第二端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端为所述第一谐振电路的第二端。
7.根据权利要求1所述的无线功率发射端，其特征在于，所述第一控制器，具体用于，控制所述逆变电路将所述直流电转换为固定频率的交流电。
8.一种无线功率接收端，其特征在于，应用于光伏发电系统，其特征在于，所述无线功率接收端包括：整流电路、接收线圈和第二控制器；
所述整流电路的输入端连接所述接收线圈，所述整流电路的输出端连接所述无线功率接收端的输出端；
所述接收线圈，用于将接收的交变磁场转换为交流电；
所述整流电路，用于将从所述接收线圈获取的交流电整流为直流电；
所述第二控制器，用于对所述整流电路进行最大效率点跟踪控制。
9.根据权利要求8所述的无线功率接收端，其特征在于，所述整流电路具体包括第三桥臂和第四桥臂；
所述第三桥臂包括串联连接的第一二极管和第一可控开关管；
所述第四桥臂包括串联连接的第二二极管和第二可控开关管；
所述第二控制器，具体用于通过控制所述第一可控开关管和第二可控开关管，以对所述整流电路进行最大效率点跟踪控制。
10.根据权利要求9所述的无线功率接收端，其特征在于，所述第二控制器，具体用于根据所述整流电路的输出电压和输出电流，以及当前所述整流电路的导通角，确定当前所述无线功率接收端的等效阻抗，并根据当前所述无线功率接收端的等效阻抗和等效阻抗的参考值，确定控制所述第一可控开关管和所述第二可控开关管的脉冲宽度调制信号。
11.根据权利要求9或10所述的无线功率接收端，其特征在于，所述无线功率接收端还包括第二谐振电路，所述第三桥臂的中点为所述整流电路的第一输入端，所述第四桥臂的中点为所述整流电路的第二输入端；
所述第二谐振电路的第一端连接所述整流电路的第一输入端，所述第二谐振电路的第二端通过所述接收线圈连接所述整流电路的第二输入端。
12.根据权利要求11所述的无线功率接收端，其特征在于，所述第二谐振电路包括第二电容；
所述第二电容的第一端为所述第二谐振电路的第一端，所述第二电容的第二端为所述第二谐振电路的第二端。
13.根据权利要求11所述的无线功率接收端，其特征在于，第一谐振电路包括第二电容和第二电感；
所述第二电容的第一端为所述第二谐振电路的第一端，所述第二电容的第二端连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端为所述第二谐振电路的第二端。
14.根据权利要求8所述的无线功率接收端，其特征在于，所述第二控制器，具体用于，以固定频率的控制信号控制所述整流电路。
15.一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括权利要求1至7中任一项所述的无线功率发射端，以及权利要求8至14中任一项所述的无线功率接收端，还包括一个或多个光伏阵列；
所述一个或多个光伏阵列的输出端，用于连接所述无线功率发射端的输入端；
所述一个或多个光伏阵列，用于将光能转换为直流电后传输至所述无线功率发射端的输入端。
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