基于傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)的改進(jìn)型無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

0 引言

WPT技術(shù)近幾年來(lái)受到了國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，未來(lái)具有明確的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 。為適應(yīng)不同的要求，國(guó)內(nèi)外提出了一些新型的補(bǔ)償拓?fù)洌渲?，雙LCL型WPT系統(tǒng)的研究最為突出。由于其具有系統(tǒng)諧振工作頻率穩(wěn)定、原邊發(fā)射線圈電流恒定以及系統(tǒng)輸出電流恒定等優(yōu)良特性，可在電動(dòng)汽車充電、桌面多負(fù)載供電等場(chǎng)合進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用 。但是，在系統(tǒng)輕載時(shí)，逆變器輸出電流畸變嚴(yán)重，針對(duì)此問(wèn)題，本文提出串聯(lián)LC濾波器的改進(jìn)方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此改進(jìn)方法降低了逆變器輸出電流的諧波畸變率。

1 雙LCL型WPT系統(tǒng)工作原理分析

圖1為雙LCL型WPT系統(tǒng)的電路等效模型，其中，Ud為直流電壓源；S1~S4為IGBT，D1~D4分別為其反并聯(lián)二極管；Lp、LS分別是原、副邊線圈的自感，M為其互感；L1、C1分別為原邊補(bǔ)償電感、原邊補(bǔ)償電容；L2、C2分別為副邊補(bǔ)償電感、副邊補(bǔ)償電容；Uin、Iin分別是逆變器輸出電壓、輸出電流；Ip、Is分別是原邊線圈電流、副邊線圈電流；R為系統(tǒng)等效電阻負(fù)載；Io為系統(tǒng)輸出電流。系統(tǒng)工作頻率為f，其中，f0為系統(tǒng)諧振工作頻率。

通過(guò)文獻(xiàn)［5］中理論分析可知，當(dāng)圖1中各系統(tǒng)參數(shù)滿足如（1）關(guān)系式時(shí)

由式（2）、式（3）分別可以看出原邊線圈電流Ip的大小、系統(tǒng)輸出電流Io的大小均與系統(tǒng)等效電阻負(fù)載R的大小無(wú)關(guān)，可以說(shuō)明系統(tǒng)具有原邊線圈恒流特性以及系統(tǒng)輸出電流恒定的特性。同時(shí)，由式（4）可以看出逆變器輸出系統(tǒng)總阻抗Zin始終呈現(xiàn)純阻性，即，系統(tǒng)等效電阻負(fù)載R的改變不會(huì)影響系統(tǒng)的固有諧振工作頻率，系統(tǒng)具有穩(wěn)頻特性。

前文分析是基于逆變器輸出電壓Uin的基波成份進(jìn)行的，并未考慮逆變器輸出電壓的諧波分量。傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)采用電壓型全橋逆變電路，在驅(qū)動(dòng)電路180°導(dǎo)通方式控制的情況下，逆變器輸出電壓uin的表達(dá)式為：

同理，可以求得逆變器輸出電流iin的3次諧波分量和5次諧波分量分別為

`

由圖2可以看出，在負(fù)載R較小時(shí)，逆變器輸出電流諧波畸變率較大，這將導(dǎo)致逆變器損耗較大，系統(tǒng)效率降低，同時(shí)也加劇了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。針對(duì)雙LCL型WPT系統(tǒng)在輕載時(shí)存在的此問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)方法，如下將具體分析。

2 改進(jìn)型雙LCL型WPT系統(tǒng)理論分析

在原系統(tǒng)C1所在支路增加LC濾波器，改進(jìn)后的系統(tǒng)電路如圖3所示。

其中，Lf1與Cf1滿足如下關(guān)系式：

此時(shí)，在只考慮uin基波成份的情況下，逆變器輸出端后級(jí)系統(tǒng)總阻抗Zinf11為：

其中，Zr3和Zr5分別如式（12）、式（13）所示。

從圖4中可以看出，在負(fù)載R較小時(shí)，即系統(tǒng)輕載時(shí)，改進(jìn)型系統(tǒng)的逆變器輸出電流諧波畸變率相較改進(jìn)前系統(tǒng)下降明顯，說(shuō)明改進(jìn)型系統(tǒng)取得了較好的效果。

3 系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上文理論分析的正確性，本文確定了如表1中所示的仿真以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3.1 仿真分析

根據(jù)表1中的仿真參數(shù)以及圖1、圖3分別搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型。

當(dāng)選取負(fù)載電阻R為10 Ω時(shí)，原系統(tǒng)以及改進(jìn)型系統(tǒng)的逆變器輸出電流分別如圖5（a）、5（b）所示。

從圖5中可以看出，改進(jìn)后系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形相較于原系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形較為平滑，直觀上可以看出改進(jìn)型系統(tǒng)取得了較好的效果。

對(duì)圖5中的所有波形分別進(jìn)行傅里葉分析得到其諧波柱狀圖如圖6所示。

從圖6可以看出，相較原系統(tǒng)，改進(jìn)型系統(tǒng)總諧波畸變率下降了70.27％，從數(shù)據(jù)上可以看出，改進(jìn)型系統(tǒng)均可以取得較好的效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及圖1、圖3分別搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

當(dāng)選取負(fù)載電阻為10 Ω時(shí)，原系統(tǒng)以及改進(jìn)型系統(tǒng)的逆變器輸出電流波形分別如圖7（a）、7（b）所示。

從圖7可以看出，改進(jìn)型系統(tǒng)的逆變器輸出電流實(shí)驗(yàn)波形比原系統(tǒng)的逆變器輸出電流實(shí)驗(yàn)波形要平滑，可以取得較好的效果，與前文理論分析以及仿真分析相吻合。

使用Fluke Norma 4000高精度功率分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效率進(jìn)行測(cè)試，并將結(jié)果繪制成折線如圖8所示。

從圖8中可以看出，改進(jìn)型WPT系統(tǒng)比原系統(tǒng)均具有較高的傳輸效率，而且在系統(tǒng)輕載時(shí)尤為明顯，說(shuō)明改進(jìn)型系統(tǒng)能提高系統(tǒng)整體效率，具有明顯的有益效果。

4 結(jié)論

在此對(duì)傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)存在的逆變器輸出電流在系統(tǒng)輕載時(shí)畸變較為嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，分析了導(dǎo)致此問(wèn)題的根本原因，基于此提出了一種改進(jìn)型方法，并分別從理論分析、仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面證明了兩種改進(jìn)方法的有效性。改進(jìn)方法能較好的解決傳統(tǒng)雙LCL型WPT系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)于改善逆變器輸出電流波形、減小逆變器開(kāi)關(guān)損耗從而提高系統(tǒng)效率均能取得較好的效果。