CN113901744A - 基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法 - Google Patents

Abstract

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，包括以下步骤：搭建双线圈谐振式无线电能传输模型，获取该模型相关参数；确定谐振式无线电能传输的输出功率和传输效率受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响。将谐振式无线电能传输系统与逆变器组合，以实现无线电能传输的目的；采用差分进化算法，对谐振频率f、负载阻抗R_L进行优化。本发明方法对比了在设定传输距离和传输频率的情况下，优化负载阻抗对输出功率的影响，优化后的输出功率有效值得到了极大提高，且随着负载阻抗的增大，输出功率均可达最高有效值。解决了负载阻抗波动引起的输出功率降低的问题。

Description

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法

技术领域

本发明涉及谐振式无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法。

背景技术

无线电能传输技术主要是利用电磁效应将电能通过无电气接触的方式从电源端传输至受电端，其较于传统的有线传输方式，具有安全可靠的优点，因此在实际生活中受到了广泛的应用。

无线电能传输技术的研究主要有两种发展方向，第一种方向为磁场耦合式无线电能传输，该传输方式以磁感应耦合和磁耦合谐振为主。磁场耦合式是利用电磁感应，通过一个线圈中电流的变化，在其相邻的另一个线圈中产生感应电动势。双线圈在电的层面相互独立，仅通过磁场进行关联。第二种方向为电磁辐射式无线电能传输，该传输方式以微波辐射和激光为主。电磁辐射式是利用超声波或激光作为耦合媒介，通过换能器对能量进行发射和接收，并利用逆压电效应和正压电效应实现能量的转换和电能的无线传输。

文献[1]中国专利“一种通过激光传能的高压输电线路感应取电供能装置”(CN211930350U)提出一种通过激光传能的高压输电线路感应取电供能装置，主要包括依次连接的导线CT取能单元、激光传能单元、储能稳压单元。但由于激光波长较短，在传能的过程中易受环境影响，进而降低其传能质量和稳定性。

文献[2]中国专利“一种高效率谐振型无线电能传输系统”(CN108695995A)提出一种高效率谐振型无线电能传输系统，其采用的E类同步整流电路可大幅减少损耗二极管的导通损耗，提升系统效率，并且同步整流控制信号与发射端信号相互独立，避免了传统同步整流技术的问题。但该传输系统受辅助源电路影响使其无线电能传输距离过短，无法适用于长距离电能无线传输的场合。

文献[3]InGwun Jang,Mingi Kim,Seung Beop Lee.Determination method ofmagnetic resonant condition for multi-device wireless power transfer systems[P].：US11050301,2021-06-29，提出一种用于确定多个设备无线电能传输系统的磁谐振条件的方法，可根据多个充放电设备之间的相对位置，确定无线电能传输系统的多个发射/接收线圈的谐振状态。该方法所需计算时间较长，在个线圈相对位置较大时，其所确定的线圈谐振状态存在一定误差。

文献[4]张旭.微波无线电能传输系统中微波功率放大器供电电源的研究[J].新型工业化,2017,7(11):23-28.中采用微波供能方式作为一种无线电力传输的方法，但因微波在输出的过程中易受到在线设备正常运行时产生的干扰信号影响，对供电装置的信号处理过程要求较高，使其制作成本较大缺乏经济性。

文献[5]王惠中,殷雪君,马泽娟.一种基于LCL-S型谐振式无线电能传输技术方案[J].自动化应用,2020(10):4-7+10.提出一种基于LCL-S型谐振式无线电能传输技术，通过对系统的负载电阻、工作频率、线圈互感及耦合系数同系统的传输效率和输出功率有关结论分析，解决了传统模型—SS结构输出的稳定性差和可靠性不高的问题。但其理论分析所考虑的影响因素较为理想化，缺乏实际应用的支撑。

文献[6]闫海,毛行奎,周智伟.基于PP补偿结构的磁谐振耦合无线电能传输技术研究[J].电器与能效管理技术,2019(17):15-20.针对磁耦合谐振式无线电能传输电路结构进行优化，以PP补偿结构为其拓扑基础，分别从耦合模理论和电路理论两方面分析了系统传输距离变化对传输效率的影响，其考虑因素过于单一。

文献[7]毛珍珍,胡汴攸.基于中继线圈的无线电能传输技术拓扑结构的研究[J].科学技术创新,2021(08):21-24.提出一种带有中继线圈的无线电能传输拓扑结构，有效解决了传统两线圈模型存在传输距离有限的问题。但所增设的中继线圈在大功率无线电能传输的过程中其传输效率会大大降低，增加了传输时的能量损耗。

文献[8]Xu Jin,Zhong Lujie.Push–Pull Magnetic Field Excitation toImprove Efficiency of Wireless Power Transfer[J].Electric Power Componentsand Systems,2021,49.提出一种推挽磁场激励以提高无线功率传输的效率的方法，通过利用两个不同方向的发射线圈和接收线圈的叠加效应，提出一种能提高能量传输密度的推挽系统。该系统所采用的自激振荡电路结构简单且可自适应调整工作频率，但由于其电路拓扑的特点，不仅限制了发射线圈和接收线圈的感量，也降低了其自身传输效率。

文献[9]Chen Chen,Jiangui Li,Longyang Wang,Hui Nie,Qiang Li.Wirelesspower transfer system for angled concave conditions utilizing quasi-bowl-shaped couplers[J].Journal of Power Electronics,2021(prepublish).设计一种准碗形磁耦合器，可安装于斜槽中，该准碗形结构充分利用安装空间，分析了弯曲距离和弯曲角度对车钩系数的影响，提高传输效率。但由于该装置特定的碗形结构，其最大传输效率仅在厘米级距离内，传输距离过短。

文献[10]Kurt Erol,Zafarmand Fatemeh,Fidanboy Hikmet,

AnApplication of a Wireless Power Transfer at Low Frequency Range[J].Technologyand Economics of Smart Grids and Sustainable Energy,2021,6(1).设计实现了一种低频无线电能传输装置，该装置的目的在于消除高频非电离辐射带来的危害，但其输出电压幅值较低，应用前景不大。

发明内容

针对输电线路队杆塔进行无线供能方式易受绝缘距离影响，且传输距离低，输出效率较小等问题。本发明提供一种基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，该方法主要针对110kV电压等级输电线路，将谐振式无线电能传输技术应用于其供电领域，采用谐振式无线电能传输技术，搭建双线圈谐振式无线电能传输模型，在有效安全距离的情况下，采用差分进化算法对双线圈间距、谐振频率和负载阻抗等参数进行优化设计，保障其较大的输出功率和较高的传输效率。本发明方法在110kV输电线路感应取电的基础上，考虑采用无线电能传输的方式，将能量传输到杆塔上各类实时电子监测设备，具有较高的应用前景和实用价值。

本发明采取的技术方案为：

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，采用谐振式无线电能传输技术，搭建双线圈谐振式无线电能传输模型；在有效安全传输距离情况下，采用差分进化算法对谐振频率和负载阻抗参数进行优化设计，提高电能无线传输的输出功率和传输效率。

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建双线圈谐振式无线电能传输模型，获取该模型相关参数；

步骤2：确定谐振式无线电能传输的输出功率和传输效率受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响。

步骤3：在确定影响输出功率和传输效率的因素后，由于谐振式无线电能传输技术需在高频环境下运行，因此将其与E类逆变器组合，以实现无线电能传输的目的，E类逆变器电路结构图如图2所示。

步骤4：对比传统无线电能传输技术，为了提高设定线圈结构的谐振式无线电能传输系统的输出功率和传输效率，采用差分进化算法对相关参数进行优化。本发明中针对谐振频率f、负载阻抗R_L进行优化。

步骤5：在设定双线圈参数的情况下，通过MATLAB软件进行仿真分析，采用对比的方法，分析优化参数前后输出功率和传输效率的关系。

本发明一种基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，技术效果如下：

1)本发明的方法对比了在设定传输距离和传输频率的情况下，优化负载阻抗对输出功率的影响，优化后的输出功率有效值得到了极大提高，且随着负载阻抗的增大，输出功率均可达最高有效值。解决了负载阻抗波动引起的输出功率降低的问题。

2)本发明的方法对比了在设定负载阻抗的情况下，传输距离、谐振频率和传输效率在改进前后的关系，优化后传输效率由0.40提升至0.68，其提高效率达70％，且传输效率受传输距离的影响较大。

附图说明

图1为传统无线电能传输电路模型图。

图2为E类逆变器无线电能传输电路模型图。

图3为改进前后负载阻抗与输出功率关系图。

图4(a)为优化前传输距离、谐振频率与输出效率关系图。

图4(b)为优化后传输距离、谐振频率与输出效率关系图。

具体实施方式

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，采用谐振式无线电能传输技术，搭建双线圈谐振式无线电能传输模型；在有效安全传输距离情况下，采用差分进化算法对谐振频率和负载阻抗参数进行优化设计，提高电能无线传输的输出功率和传输效率。

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建双线圈谐振式无线电能传输模型，获取该模型相关参数；

步骤2：确定谐振式无线电能传输的输出功率和传输效率受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响。

步骤3：在确定影响输出功率和传输效率的因素后，由于谐振式无线电能传输技术需在高频环境下运行，因此将其与E类逆变器组合，以实现无线电能传输的目的，E类逆变器电路结构图如图2所示。实验所用E类逆变器与供电电源(直流)直接相连，并将其所转换的高频交流电能输送至谐振式无线电能传输线圈的发射线圈端。E类逆变器又称功率放大器，是一种将直流低频电能转换为高频交流电能的能量转换装置。由于其电路结构简单、开关频率较高，因此可满足于谐振式无线电能传输所需的频率要求。

步骤4：对比传统无线电能传输技术，为了提高设定线圈结构的谐振式无线电能传输系统的输出功率和传输效率，采用差分进化算法对相关参数进行优化。本发明中针对谐振频率f、负载阻抗R_L进行优化。

所述步骤1中，针对双线圈谐振式无线电能传输技术搭建数学模型，其等效电路模型如图1所示，包括相关参数如下：

①、电源电压Us、电源内阻Rs，②、双线圈各自流经的电流i₁、i₂，双线圈电阻R₁、R₂，双线圈电抗L₁、L₂，③、模型的谐振电容C₁、C₂，④、负载阻抗R_L。

所述步骤2中，在确定双线圈相关参数后，计算双线圈自身电感、内阻、谐振补偿电容，计算公式为：

其中，r₁和r₂为双线圈各自半径，n₁和n₂为双线圈各自匝数，i为双线圈各自编号(i＝1,2)，L_i为双线圈各自自身电感，a为线圈直径，ω为交流电的电角度，μ₀为真空渗透率(μ₀＝4π×10^-7)，σ为铜的电导率(σ＝5.9×10⁷S/m)则双线圈各自等效阻抗为：

其中:R_s为电源等效阻抗，C₁为谐振补偿电容，L₁为线圈自身电感，R₁和R₂为双线圈各自内阻，R_L为负载电阻，Z₁和Z₂为双线圈各自等效阻抗。

根据式(4)、式(5)，列KVL回路方程，得到双线圈各自等效电流。计算公式为：

其中，M为双线圈互感,U_s为等效电源电压，I₁和I₂为双线圈各自等效电流。

当双线圈谐振时，由于谐振电路呈现电阻特性，故忽略电路中容抗和感抗的影响，其输出功率P和传输效率η为：

其中:P₁和P₂分别为发射线圈侧输出功率和接收线圈侧输出功率。

由此可以确定，谐振式无线电能传输技术的输出功率和传输效率主要受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响。

所述步骤4包括以下步骤：

S4.1：根据差分进化原则对数据初始化：

其中，i为种群中个体的序列；j为第j维；X_i(0)为第i个个体序列；

分别表示第j维的最小值和最大值；NP为种群大小；D为解空间的维数；x_i,j(0)为第0代的第j维的第i个个体。

故其初始化方程为：

其中，rand(0,1)表示在(0,1)区间均匀分布的随机数。

S4.2：对所优化对象进行定义：

优化对象①：谐振频率f定义为[0,20]，单位MHz；

优化对象②：负载阻抗R_L定义为[0,200]，单位Ω；

V_i(g+1)＝X_r1(g)+F(X_r2(g)-X_r3(g)) (13)；

其中，r₁、r₂、r₃为随机取数且r₁、r₂、r₃∈[1，NP]；V_i(g+1)为差分进化后组成的新个体(变异中间体)；X_r1(g)为种群中待变异个体向量、F(X_r2(g)-X_r3(g))为将随机选取种群中的两个不同个体(X_r2(g)、X_r3(g))进行向量差缩放后的结果，即X_r2(g)、X_r3(g)的缩放作用由F控制；F为缩放因子且F＝0.4，g为第g个进化代。由于差分进化的随机性，其个体为随机选择，故定义交叉率CR且CR＝0.1；

其中，U_i,j(g+1)为将第g代种群及其变异中间体进行交叉操作，并通过交叉率选定的等位个体。

S4.3：选取个体中的最优值作为新的个体，则：

其中，X_i(g+1)为差分进化算法所选择的进入下一代种群的个体、U_i(g+1)为交叉操作所确定的等位个体、X_i(g)为第g代种群中的第i个个体、f(X_i(g))为贪婪算法所确定的选择条件函数。

当R_L＝200x₁,，f＝20x₂时，结合式(8)、式(9)可得其输出功率和传输效率为：

其中，x₁和x₂分别为负载电阻和谐振频率所对应的初始变量；M为线圈互感系数；U_s为等效电源电压。

步骤5：为了验证该算法模型的可行性，利用MATLAB软件进行仿真分析。设定相关参数：电源参数为Us＝12V，Rs＝50Ω，双线圈各自参数为r₁＝r₂＝30mm，n₁＝n₂＝200。通过对比的方法，讨论传输距离d、谐振频率f和负载阻抗R_L三个影响因素对改进前后输出功率和传输效率的关系。设定传输距离d＝1.5m，传输频率f＝6MHz时，所得负载阻抗和传输功率关系图如图3所示。仿真结果可以明显看出，采用差分进化算法优化后的输出功率有效值得到了极大提高，且随着负载阻抗的增大，输出功率均可达最高有效值。

设定负载阻抗R_L＝100Ω时，所得传输距离d、谐振频率f和传输效率的三维关系图如图4(a)、图4(b)所示。仿真结果可以明显看出，采用差分进化算法优化后传输效率由0.40提升至0.68，其提高效率达70％。

实施例：

根据相关参数搭建实验平台。电源参数：Us＝10V，Rs＝50Ω；双线圈各自参数：r₁＝r₂＝30mm，n₁＝n₂＝200。

首先，将谐振式无线电能传输系统与逆变器进行组合以达到电能无线传输的目的，然后以UCC3895为信号发生器输出PWM方波信号，其输出频率可达几MHz，最后经过稳压电路，获取稳定的输出电压U_out＝12V，为受电端供电。

从本发明仿真分析时可以看出，谐振式无线电能传输技术的输出功率和传输效率受传输距离和谐振频率影响较大，因此，实验中通过改变传输距离和谐振频率验证差分进化算法的可行性。

当系统频率为6MHz，负载阻抗为100Ω时，不同传输距离下，系统的输出功率和传输效率结果见表1所示：

表1 传输距离影响结果

当传输距离为0.4米，负载阻抗为100Ω时，不同谐振频率下，系统的输出功率和传输效率结果见表2所示：

表2 谐振频率影响结果

从实验结果不难看出：

基于差分进化算法的谐振式无线电能传输技术的输出功率和传输效率较改进前均有效提升，且改进后的谐振式无线电能传输的输出功率在较远的传输距离处出现最大值，验证了本发明在输电线路为杆塔负载供电领域的可行性。

Claims (5)

1.基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，其特征在于：采用谐振式无线电能传输技术，搭建双线圈谐振式无线电能传输模型；在有效安全传输距离情况下，采用差分进化算法对谐振频率和负载阻抗参数进行优化设计，提高电能无线传输的输出功率和传输效率。

2.基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：搭建双线圈谐振式无线电能传输模型，获取该模型相关参数；

步骤2：确定谐振式无线电能传输的输出功率和传输效率受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响；

步骤3：将谐振式无线电能传输系统与逆变器组合，以实现无线电能传输的目的；

步骤4：采用差分进化算法，对谐振频率f、负载阻抗R_L进行优化。

3.根据权利要求2所述基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述步骤1中，该模型包括相关参数如下：

①、电源电压Us、电源内阻Rs，②、双线圈各自流经的电流i₁、i₂，双线圈电阻R₁、R₂，双线圈电抗L₁、L₂，③、模型的谐振电容C₁、C₂，④、负载阻抗R_L。

4.根据权利要求2所述基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述步骤2中，计算双线圈自身电感、内阻、谐振补偿电容，计算公式为：

其中，r₁和r₂为双线圈各自半径，n₁和n₂为双线圈各自匝数，i为双线圈各自编号i＝1,2，L_i为双线圈各自自身电感，a为线圈直径，ω为交流电的电角度，μ₀为真空渗透率，σ为铜的电导率则双线圈各自等效阻抗为：

其中:R_s为电源等效阻抗，C₁为谐振补偿电容，L₁为线圈自身电感，R₁和R₂为双线圈各自内阻，R_L为负载电阻，Z₁和Z₂为双线圈各自等效阻抗；

根据式(4)、式(5)，列KVL回路方程，得到双线圈各自等效电流；计算公式为：

其中，M为双线圈互感,U_s为等效电源电压，I₁和I₂为双线圈各自等效电流；

当双线圈谐振时，由于谐振电路呈现电阻特性，故忽略电路中容抗和感抗的影响，其输出功率P和传输效率η为：

其中:P₁和P₂分别为发射线圈侧输出功率和接收线圈侧输出功率；由此可以确定，谐振式无线电能传输技术的输出功率和传输效率受传输距离d、谐振频率f、负载阻抗R_L的影响。

5.根据权利要求2所述基于差分进化算法的谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：

S4.1：根据差分进化原则对数据初始化：

其中，i为种群中个体的序列；j为第j维；X_i(0)为第i个个体序列；

分别表示第j维的最小值和最大值；NP为种群大小；D为解空间的维数；x_i,j(0)为第0代的第j维的第i个个体；

故其初始化方程为：

其中，rand(0,1)表示在(0,1)区间均匀分布的随机数；

S4.2：对所优化对象进行定义：

优化对象①：谐振频率f定义为[0,20]，单位MHz；

优化对象②：负载阻抗R_L定义为[0,200]，单位Ω；

V_i(g+1)＝X_r1(g)+F(X_r2(g)-X_r3(g)) (13)；

其中，r₁、r₂、r₃为随机取数且r₁、r₂、r₃∈[1，NP]；V_i(g+1)为差分进化后组成的新个体；X_r1(g)为种群中待变异个体向量、F(X_r2(g)-X_r3(g))为将随机选取种群中的两个不同个体(X_r2(g)、X_r3(g))进行向量差缩放后的结果，即X_r2(g)、X_r3(g)的缩放作用由F控制；F为缩放因子且F＝0.4，g为第g个进化代；由于差分进化的随机性，其个体为随机选择，故定义交叉率CR且CR＝0.1；

其中，U_i,j(g+1)为将第g代种群及其变异中间体进行交叉操作，并通过交叉率选定的等位个体；

S4.3：选取个体中的最优值作为新的个体，则：

其中，X_i(g+1)为差分进化算法所选择的进入下一代种群的个体、U_i(g+1)为交叉操作所确定的等位个体、X_i(g)为第g代种群中的第i个个体、f(X_i(g))为贪婪算法所确定的选择条件函数；

当R_L＝200x₁,，f＝20x₂时，结合式(8)、式(9)可得其输出功率和传输效率为：

其中，x₁和x₂分别为负载电阻和谐振频率所对应的初始变量；M为线圈互感系数；U_s为等效电源电压。

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