基于PSO算法的IPT系统参数优化研究

发布时间：2020-07-04 22:13

【摘要】：作为一个划时代的技术,无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)以令人意想不到的无线方式实现了能量的迁移,从而打破了以往有线电能传输的技术瓶颈,受到研究者们广泛关注。作为现阶段WPT最主要的研究课题之一,感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术允许电能能够通过具有相对大气隙的磁场从电源非接触地传输到负载。基于这种原理,IPT技术具有降低导线使用成本以及提高电能传输安全性的优点。近些年来,IPT技术被应用到越来越多的特殊领域,但系统的传输效率和传输距离问题仍然影响着该技术的发展。所以,对于IPT系统的能效分析和参数优化显得格外重要。本文首先介绍了IPT系统的运行机理,并根据系统性能需求分别从逆变环节、谐振补偿网络环节以及耦合线圈结构这三个部分入手,对它们进行选型和设计。为了简化电路结构,选择推挽式逆变电路为高频逆变环节。并且考虑到系统的稳定性,选择了SS型谐振补偿网络。同时,为了确保系统在较大范围内进行非接触电能传输,对电磁耦合机构的感应线圈进行分析,将平面螺旋绕组结构与螺旋绕组结构相结合,提出了一种改进的线圈结构作为接收线圈。通过与传统线圈结构的输出功率和磁感应强度进行比较,验证了所提出改进线圈结构的有效性。针对电能的传输效率问题,本文通过理论分析对IPT系统的电磁耦合机构进行建模,并且确定影响能效的主要系统参数,将改善传输效率的问题转化为优化参数问题。具体而言,就是将传输效率的相关函数设为目标函数,并利用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),根据系统性能建立算法模型,来寻求相关参数的最优解,确保在短时间内找到主要系统参数最优值,并且在一定的参数范围内达到改善传输效率的目的。与依靠经验选择系统参数的方法相比,文中所提出的方案能够快速且精准的找到最优参数。利用仿真与实验分析了所提出优化方案的合理性与可行性。在实际应用中,由于IPT系统是一个动态系统,考虑到趋肤效应和邻近效应,传输距离对系统的影响也应纳入到对系统参数优化的研究中。因此,进一步将单目标PSO算法,扩展到基于多目标PSO算法的系统参数寻优问题。通过对系统传输距离的分析,改进了基本的单目标PSO算法,实现了系统参数的多目标PSO算法优化。仿真结果显示在一定的系统参数范围内,对于同时将传输效率和传输距离设为目标函数的情况,所使用的改进多目标PSO算法优化方案能够实现寻求参数最优解的目的。最后,总结了本文的主要研究内容,并展望了下一步的研究工作。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724;TP301.6
【图文】：

家电产品,传输技术,电能

图 1.1 基于无线电能传输技术的家电产品PT 技术的主要研究方向于 IPT 系统而言，进一步改善电能的传输效率和传输距离仍然是需要题。目前，已经有许多国内外的研究者在提高传输效率和增加传输距的工作。 1.2 展示了电能沿着传输路径在不同阶段的效率，根据不同阶段的效现有提高传输效率的方法分为三大类：耦合线圈结构设计、电路拓扑参数优化。耦合线圈结构设计。想要确保 IPT 系统的能量高效传输，其中品质因线圈的设计至关重要。在文献[26]中，通过将耦合线圈的轨道宽度比设及增加线圈的内半径来提高品质因数 Q。文献[21]中，在 IPT 系统中的加一个中间线圈，这可以有效地增加对于在谐振频率范围内初级侧的从而有效地补偿了耦合系数。在文献[37]中，设计了立体结构的感应线

均匀分布,传输效率,传输距离

第一章绪论参数方案，并通过仿真结果验证了该设计方案的有效性；在文献[39]中，以最大传输功率和效率为目标函数，提出用非线性单纯体法和混沌混合法改进遗传算法来对系统参数进行优化，当互感变化范围很大时，它确保系统具有较高的输出功率和效率。在文献[40]中，将 IPT 系统的传输效率作为目标，提出了一种结合遗传算法和模式搜索的混合算法来优化系统参数。与激光、声波、微波等能量传输类型相比，IPT 拥有高输出功率的优点。然而，对于较长距离的应用，IPT 系统还面临着挑战。由于耦合结构足够松散的影响，优化耦合系数能够改善传输范围和距离。文献[41]中提出一种基于偶极子线圈的 IPT 系统，其采用优化的阶梯式磁芯结构来均匀分布磁场密度。实验原型可以在 20HZ 的频率下提供 10.3W 的输出功率，传输距离可达 7m。此外，由于变化传输距离会对谐振频率造成影响，文献[42]中提出了电容矩阵。即通过使用有限的电容来处理由变化的传输距离引起的频率失配，从而提供预期的补偿电容。

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