基于多电平及多拾取线圈的IPT系统功率提升技术研究

发布时间：2018-04-05 18:15

本文选题：感应电能传输　切入点：钳位五电平　出处：《西南交通大学》2017年硕士论文

【摘要】：近年来随着电力电子技术的技术的发展,感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术在大功率应用方面得到了长足进步,这使得IPT系统取代接触网以非接触的方式为轨道机车供电成为可能;由于轨道机车的额定功率达兆瓦,受功率半导体器件耐压、耐流限制,使得IPT系统的功率容量难以满足大功率轨道机车的需求,因此有必要优化IPT系统的功率特性以满足大功率负载的工作需求。一般来说,功率容量和工作效率是IPT系统两大关键的技术指标。为提高IPT系统的功率容量,使得决定输入功率的逆变器和和决定输出功率的拾取机构成为IPT系统的重点优化对象。然而受半导体器件容量限制,传统的基于单相全桥逆变器和单拾取线圈的IPT系统输出功率很难满足大功率负载需求。在现有半导体容量下,利用多电平逆变器和多拾取线圈成为提高IPT系统功率容量的一种快捷有效途径。另外,由于IPT系统的最优电阻会随着机车运动导致的互感变化而改变,同时IPT系统的负载功率变化会改变其等效电阻,进而影响IPT系统的工作效率,因此有必要提出一种效率优化方法以实现IPT系统实时高效地为移动负载供电。(1)利用钳位多电平逆变器的高耐压特性,以提高输入电压的方式提高逆变器的功率容量。由于逆变器输出电压的低次谐波会影响IPT系统的稳定性及其工作效率,而逆变器输出电压的谐波含量直接与其控制信号的移相角以及脉宽有关,因此根据五电平逆变器输出电压的傅里叶级数表达式,建立各次谐波与移相角、脉宽之间的关系表达式,并结合移相控制技术控制五电平逆变器输出电压的谐波含量,以此达到消除五电平逆变器输出电压中含量较高的三次、五次及其奇数倍次谐波的目的。(2)利用多拾取线圈的并联大电流特性,以增大输出电流的方式来提高拾取机构的输出功率。拾取线圈间的互感会使IPT系统失谐,进而降低IPT系统的功率容量和工作效率,各拾取线圈的输出功率也会严重失衡。当发射线圈与拾取线圈间互感相等时,各拾取线圈的感应电压相同,此时利用电容补偿的方式可以有效消除拾取线圈间互感对IPT系统的影响。当发射线圈与拾取线圈间互感不相等时,各拾取线圈感应电压相同,此时通过控制拾取线圈的电流相等并结合电容补偿的方式可以消除拾取线圈间互感对IPT系统的影响。(3)当IPT系统为轨道机车等移动负载供电时,IPT系统的最优电阻会随着机车运动导致的互感变化而改变;同时IPT系统的等效电阻会随轨道机车加速、减速等不同工况下的功率需求变化而改变,同样会影响IPT系统的工作效率。因此将基于扰动观察法的最优电阻跟踪技术来优化IPT系统对移动负载供电时的工作效率。实验结果表明,利用钳位五电平技术的高频逆变器可以有效提高IPT系统的输入功率,并结合移相控制法可以有效消除五电平逆变器输出电压三次、五次及其奇数倍次谐波;利用多拾取线圈并联的拾取机构可以有效提高IPT系统的输出功率并结合拾取线圈电流跟随控制以及电容补偿的方法可以有效消除拾取线圈间互感对IPT系统的影响;利用基于扰动观察法的最优电阻跟踪技术可以实现IPT系统对移动负载供电时工作效率实时最大。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM464;TM724

【参考文献】