《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種改進(jìn)型雙LCL無線電能傳輸系統(tǒng)研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
楊克立1，程 輝2,，聶 瀅3
1.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心,，河南 鄭州450007；2.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,，河南 鄭州450007,； 3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410000
摘要： 由于雙LCL型無線電能傳輸（WPT）系統(tǒng)具有恒流輸出特性以及較好的魯棒性,，故其已經(jīng)在無線電能傳輸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。但是，在系統(tǒng)輕載時(shí),，逆變器輸出電流存在畸變,，此為雙LCL型無線電能傳輸系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)。針對(duì)此問題,，在不影響系統(tǒng)原特性的基礎(chǔ)上,，提出了一種改進(jìn)方法，并從理論上分析了改進(jìn)方法的工作原理以及可取得的良好效果,。最后,，通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明了理論分析的正確性。
中圖分類號(hào)： TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172545
中文引用格式： 楊克立,，程輝,，聶瀅. 一種改進(jìn)型雙LCL無線電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018,，44(3)：147-150.
英文引用格式： Yang Keli,，Cheng Hui，Nie Ying. Research on an improved double LCL wireless power transmission system[J]. Application of Electronic Technique,，2018,，44(3)：147-150.

Research on an improved double LCL wireless power transmission system
Yang Keli1，Cheng Hui2,，Nie Ying3
1.Industrial Training Centre,，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007,，China,； 2.College of Electrical and Information Engineering,，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 450007,，China,； 3.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University,，Changsha 410000,，China
Abstract： Because of the double LCL wireless power transmission(WPT) system has the characteristics of constant output current and better robustness, it has been widely used in the field of WPT system. However, when the system is light loaded, the output current of the inverter is distorted, which is the inherent shortcoming of the double LCL WPT system. To solve this problem, an improved method is proposed on the basis of not affecting the original characteristics of the double LCL WPT system. The working principle of the improved method and the good results can be obtained theoretically. Finally, simulation analysis and experimental verification prove the correctness of the theoretical analysis.
Key words : wireless power transmission；double LCL,；distortion,；improvement

0 引言

    WPT技術(shù)近幾年來受到了國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，未來具有明確的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-2],。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)?，其中?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/雙LCL" title="雙LCL" target="_blank">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[3-4]。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)此問題,，本文提出串聯(lián)LC濾波器的改進(jìn)方法，并通過仿真與實(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,。

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    通過文獻(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)

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    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的大小無關(guān)，可以說明系統(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：

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    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

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    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,。

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    其中,，Lf1與Cf1滿足如下關(guān)系式：

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    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：

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其中,，Zr3和Zr5分別如式(12),、式(13)所示。

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    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),。

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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。

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    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,。

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    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。

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    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。

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    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)重的問題進(jìn)行了理論分析,，分析了導(dǎo)致此問題的根本原因，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)存在的問題,，對(duì)于改善逆變器輸出電流波形,、減小逆變器開關(guān)損耗從而提高系統(tǒng)效率均能取得較好的效果。

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作者信息:

楊克立1,，程  輝2,，聶  瀅3

（1.中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州450007,；2.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,，河南 鄭州450007；

3.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,，湖南 長(zhǎng)沙410000）

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