程虹，王寧，代韜，趙貫超

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南曲靖655000；2.中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院，北京100070）

0前言

無(wú)線電能傳輸技術(shù)（W ireless Power Transm ission，簡(jiǎn)稱WPT）因其無(wú)電纜、無(wú)機(jī)械連接的優(yōu)點(diǎn)，避免了因機(jī)械摩擦、電火花引起的故障。無(wú)線功率傳輸最早在十九世紀(jì)初Tesla 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[1]，麻省理工學(xué)院Marin Solijacic的研究團(tuán)隊(duì)基于強(qiáng)耦合的共振能量傳輸系統(tǒng)從兩米外點(diǎn)亮了60W 的燈泡，且傳輸效率達(dá)到40%左右[2]。國(guó)內(nèi)中科院電工所武瑛教授、浙江大學(xué)馬皓教授、重慶大學(xué)孫躍教授等對(duì)非接觸供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償方法以及電路建模分析做了很多研究[3-5]；天津工業(yè)大學(xué)楊慶新教授在磁共振模式的無(wú)線電能傳輸技術(shù)上、空間電磁場(chǎng)的理論分析和優(yōu)化方面進(jìn)行了深入研究[6]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱春波教授、東南大學(xué)黃學(xué)良教授等在電動(dòng)汽車以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究中取得了多項(xiàng)科研成果[7-8]；西安交通大學(xué)卓放教授在無(wú)線電能傳輸頻率分叉和可分離變壓器接收功率控制方面進(jìn)行研究[9]。無(wú)線傳能的效率及功率提升一直是近幾年科研工作者的主要目標(biāo)。王廣柱研究了雙重移相控制的回流功率優(yōu)化問(wèn)題，并提到可以增加系統(tǒng)功率容量[10]；王輝提到了雙重移相控制在微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用，并得出了可以增加系統(tǒng)工作效率的結(jié)論[11]；趙彪通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)比較了雙移相控制和單移相控制方法的優(yōu)劣[12]。利用移相控制在LC諧振式無(wú)線電能傳輸電路中提高傳輸效率值得研究，文中主要對(duì)LC 諧振式無(wú)線電能傳輸中逆變電源采用移相控制，以探討傳輸功率提升效果。

1 無(wú)線傳能電路中的移相控制基本原理

1.1移相控制基本原理

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在接收線圈側(cè)采用主動(dòng)控制開(kāi)關(guān)代替整流二極管，而且接收線圈控制開(kāi)關(guān)與發(fā)射線圈側(cè)的控制開(kāi)關(guān)同頻率，保持控制開(kāi)關(guān)間存在相位差，利用發(fā)射端和接收端的相位差進(jìn)行輸出功率調(diào)整和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[13-14]，電路拓?fù)淙鐖D1所示。如圖，發(fā)射端側(cè)的開(kāi)關(guān)Q1、Q2與串聯(lián)電容和電感組成半橋驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)關(guān)管并聯(lián)續(xù)流二極管D1、D 2和緩沖電容C3、C4，接收端側(cè)的開(kāi)關(guān)Q3、Q4和續(xù)流二極管D 3、D4和緩沖電容C7、C8組成主控整流，與C9、C10構(gòu)成倍壓整流，C11為穩(wěn)壓電容。

圖1移相控制補(bǔ)償電路

1.2移相控制無(wú)線電能傳輸電路等效模型

根據(jù)無(wú)線電能傳輸電路的不同拓?fù)湫问剑梢詫㈦娐吩谝葡嗫刂茣r(shí)等效為電感模型和LC模型。

1）等效電感模型

在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射線圈端等效為一電壓源U1=i2jωM，接收線圈端等效為一電壓源，U2=i1jωM若將線圈間的互感和漏感整體等效為一電感L電路原理圖如圖2，等效電路為圖3，其中發(fā)射線圈自感L_1、接收線圈自感L_2、線圈間漏感統(tǒng)一等效為一電感L_s。

兩等效電壓源頻率相同，相位不同，通過(guò)控制相位角即可實(shí)現(xiàn)控制能量的流動(dòng)方向和無(wú)功功率的大小[16]。

圖2移相控制方式的原理圖

其中，Vin為電源輸入電壓，V0為負(fù)載端電壓，ip為電感Ls電流，V1為發(fā)射端上橋臂并聯(lián)電容電壓，V2為發(fā)射端下橋臂并聯(lián)電容電壓，V3為接收端上橋臂并聯(lián)電容電壓，V4為接收端下橋臂并聯(lián)電容電壓，將移相工作的一周期分為0,φ1、φ1,π、π,φ2、φ2，2π四個(gè)區(qū)間，相位差為Δφ=φ1。

圖3等效電感移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D

則在一個(gè)周期內(nèi)相位差與輸出功率如表1所示。

表1相位差與輸出功率

圖4 LC移相控制方式的原理圖

2）等效LC 模型

在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，若采用LC諧振拓?fù)?，則須考慮諧振電容在等效模型中的作用，由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感遠(yuǎn)大于其等效漏感，可以將等效漏感忽略，LC諧振拓?fù)涞乃神詈献儔浩鱐 等效模型簡(jiǎn)化圖如圖4 所示，為簡(jiǎn)化分析，發(fā)射端和接收端均采用相同結(jié)構(gòu)并使用同頻方波驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頻率為ωs，LC移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐啡鐖D5所示。

圖5 LC移相補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐穲D

其電路模型為：

其中，發(fā)射端和接收端等效阻抗為：

諧振頻率定義為：

接收線圈端的復(fù)功率為：

a.當(dāng)ωs<ωx，電路呈容性，接收線圈端的有功功率為：

當(dāng)移相角φ<0時(shí)，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)時(shí)，傳送有功功率為最大值為：

b.當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，有ωs=ωx，電路呈阻性，接收線圈端的有功功率為：

由于系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，cosφ≈1，上式可化簡(jiǎn)為：

當(dāng)VCi>VC0時(shí)，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)移相角φ=0時(shí)，傳送有功功率為最大值為：

c.當(dāng)ωs>ωx，電路呈感性，接收線圈端的有功功率為：

當(dāng)移相角φ>0時(shí)，P>0，發(fā)射端向接收端傳送功率，當(dāng)時(shí)，傳送有功功率為最大值。

當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率確定后，可以依照系統(tǒng)工作狀態(tài)計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)囊葡嘟?，?duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行輸出功率控制。

2系統(tǒng)仿真分析

2.1電路仿真

在MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)搭建半橋移相控制電路仿真模型，采用等效LC模型分析，電路參數(shù)如表2所示，發(fā)射端電路參數(shù)與接收端電路參數(shù)相同，采用PI 控制調(diào)相角度，達(dá)到輸出電壓幅值穩(wěn)定。

表2 LC諧振移相電路仿真參數(shù)

對(duì)于不同的目標(biāo)電壓值，仿真結(jié)果如圖6所示。其中紅色波形為接收端目標(biāo)電壓值，黑色波形為發(fā)射端電壓值。系統(tǒng)諧振頻率為55 kHz，當(dāng)工作頻率為40 kHz 時(shí)，電路呈容性，當(dāng)移相角φ>0時(shí)，發(fā)射端向接收端傳送功率，在移相角為0至π/2的區(qū)間內(nèi)，傳送功率隨相位差的增大而增大，當(dāng)φ=π/2時(shí)，接收端電壓為最大值100 V。

2.2磁場(chǎng)仿真

對(duì)移相控制電路的線圈間磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定后，改變移相角度從0，系統(tǒng)從容性區(qū)過(guò)渡到感性區(qū)，由于接收線圈端直連接負(fù)載，在忽略電容儲(chǔ)能的條件下，屬于能量消耗而無(wú)能量?jī)?chǔ)備，設(shè)定系統(tǒng)能量的傳輸從發(fā)射線圈端流向接收線圈端，無(wú)能量反向流動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)改變移相角度從0進(jìn)行線圈間磁場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6移相控制的仿真結(jié)果

圖7移相角變化時(shí)磁場(chǎng)流線圖

從圖中可看出，線圈間的耦合磁場(chǎng)強(qiáng)度隨移相角的遞增而增加，線圈的磁感應(yīng)電流也會(huì)隨之增加，傳遞能量增強(qiáng)，可以從空間磁場(chǎng)的角度理解為：在移相角從0到π/2區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)在接收線圈端產(chǎn)生容性電流，增加了線圈間的耦合系數(shù)，在容性電流的作用下，接收線圈產(chǎn)生了拉伸耦合磁場(chǎng)的作用，圖中的線圈中心部分的磁場(chǎng)流線密度有相對(duì)明顯的變化，耦合磁場(chǎng)的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸能量提高、傳輸距離的增加、電源的利用率提高。

3實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證移相控制在無(wú)線電能傳輸中的作用，在實(shí)際中搭建了移相控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置由直流電源、移相控制器、發(fā)射線圈、接收線圈、整流控制器、滑動(dòng)變阻器負(fù)載構(gòu)成。移相控制試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3移相控制試驗(yàn)參數(shù)

調(diào)整頻率使系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)，改變發(fā)射端和接收端的相位角，試驗(yàn)波形如圖8所示，其中示波器通道1 為發(fā)射端半橋驅(qū)動(dòng)電壓波形，示波器通道2為發(fā)射端線圈電流波形，示波器通道3為接收端半橋驅(qū)動(dòng)電壓波形，示波器通道4為接收端線圈電流波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)諧振工作點(diǎn)頻率為28.8 kHz，當(dāng)系統(tǒng)工作在28.4 kHz 時(shí)，電路呈感性，當(dāng)改變發(fā)射端半橋驅(qū)動(dòng)和接收端半橋驅(qū)動(dòng)的相位時(shí)，接收端功率發(fā)生改變，當(dāng)在區(qū)間（0-π/2）時(shí)，增加移相角度，接收端功率增加，當(dāng)移相角度為π/2 時(shí)，接收端功率達(dá)到最大，在區(qū)間（π/2-π）時(shí)，增加移相角度，接收端功率減小，當(dāng)移相角度為π 時(shí)，接收端功率降為最低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于無(wú)線電能傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)較多，特別是在特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，因而無(wú)線電能傳輸很有研究意義，但由于無(wú)線電能傳輸?shù)膫鬏斝始肮β实南拗?，使其發(fā)展緩慢。本文從電源側(cè)研究提高無(wú)線電能傳輸功率的方法，采用雙移相控制方式，通過(guò)改變移相角來(lái)提高無(wú)線電能傳輸功率，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。由仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)論可知，當(dāng)移相角在（0-π/2）變化時(shí)，傳輸功率逐漸增大，在π/2 時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)移相角在（π/2-π）時(shí)，傳輸功率逐漸減小。因而在無(wú)線電能傳輸應(yīng)用中可以利用移相控制方式增加傳輸功率。