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(wú)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.
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[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(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,。
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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)