感应耦合电能传输系统非线性行为与稳压控制策略研究
发布时间：2021-10-08 17:24
感应耦合电能传输（Inductively Coupled Power Transfer,ICPT）技术是指基于电磁感应原理实现电能从电源端到用电设备端的无电气连接传输技术,其具有供电灵活、安全可靠、维护成本低等优点,在电动汽车、植入医疗和轨道交通等领域取得了广泛的应用。ICPT系统是一类集高频电力电子变换器、功率电磁耦合机构、信号处理与控制于一体的电磁综合系统,具有高阶非线性和参数不确定等典型特性。这些特性使得系统动力学行为非常复杂,会使系统出现工作状态不稳定、鲁棒性差等问题,极大程度上限制了ICPT系统的推广应用。本文为解决系统随参数摄动发生的低频振荡和鲁棒性差等问题,分别提出了ICPT系统参数优化策略和基于非支配排序遗传算法-II（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA-II）的自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller,ADRC）,实现闭环控制系统的稳定性和鲁棒性的提升,主要工作及贡献包括:首先,介绍了论文的研究背景,简要介绍了ICPT系统的一般组成结构及其工作原理,对ICP...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ICPT系统
1绪论3MMCPCSLPLSLPLSCPCSRPRPRSRS(c)P/P补偿(d)P/S补偿图1-3ICPT系统基本谐振补偿电路Figure1-3BasicresonantcompensationcircuitforICPTsystem通过选取合适的补偿电容值，使系统工作谐振状态，降低系统的无功能量，使系统工作在整功率因数状态。当系统角频率用ω表示时，全谐振状态下的补偿电容参数如式子（1-1）所示：2PP2SS=1=1CLCL(1-1)除了上述单一元件补偿外，学者们也对含有多个元件的高阶补偿拓扑进行了深入。如图1-4（a）所示，LCL（Inductor-Capacitor-Inductor）补偿拓扑实现了原边线圈电流和负载的解耦，能够灵活地实现阻抗变换，因而受到广泛关注。但是在参数选取时，通常使补偿电感值和该侧磁耦合机构线圈电感值相等，这样会使补偿电感体积较大并且成本较高。奥克兰大学在LCL基础上增加一个与线圈串联的电容实现LCCL补偿[34]，如图1-4（b）所示。LPC2L1C1ReqLPL1C1Req(a)LCL补偿(b)LCCL补偿图1-4ICPT系统复合型谐振补偿电路Figure1-4CompositeresonantcompensationcircuitforICPTsystem（3）磁耦合机构在ICPT中，将用于实现气隙间能量交换的机构称为磁耦合机构，其主要由利兹线圈、磁芯、金属屏蔽和安装槽等组成，是实现系统电能传输的关键。常见的ICPT系统磁耦合结构包括了环形线圈、螺线管线圈、DDQ线圈等。(a)环形平面线圈(b)螺线管线圈(c)DDQ线圈图1-5ICPT系统的磁耦合机构Figure1-5MagneticcouplingmechanismofICPTsystem
5仿真与实验研究49参考图5-2所示的结构框图，在MATLAB/Simulink环境下搭建如图5-3所示的S/S型ICPT系统的闭环控制仿真模型，其中ICPT系统内部仿真电路采用如图5-1所示主电路，这里不再赘述。图5-3基于自抗扰控制的ICPT系统仿真模型Figure5-3SimulationModelofICPTSystemBasedonADRC5.2.2非线性现象验证分析根据文章3.2节分析可知，当耦合系数k不小于0.79时，系统处于稳定状态。当k在0.6到0.79之间时，系统会发生低频振荡。当k小于0.6时，占空比达到饱和下限，低频振荡程度加深，出现严重的环形破裂和边界碰撞现象。因此，k=0.79是系统的稳定工作边界，k=0.6是发生边界碰撞的边界，同时，系统的低频振荡现象随着减小而增强，这里选取了k=0.5来证明上述结论。因此，选择k=0.79、0.6和0.5作为典型的耦合系数来研究系统中的非线性行为。如图5-4表示系统的运行结果，其中图（a）、（b）分别表示系统在典型耦合系数下的输出电压和滤波电感电流波形图。505152535455t(ms)23252729vC(V)31k=0.79k=0.6k=0.5505152535455t(ms)0246iL(A)k=0.79k=0.6k=0.58(a)输出电压波形图(b)电感电流波形图图5-4典型耦合系数k下的电路仿真波形图Figure5-4Circuitsimulationwaveformsundertypicalcouplingcoefficientk从上图可以看出，当系统耦合系数较高，如k=0.79时，即线圈位置相对偏移较小，系统处于稳定运行状态，电压电流纹波较小；当耦合系数k=0.6时，电感电流与输出电压纹波较大，出现了低频振荡现象，产生振荡的频率约为开关频率的1/10；当耦合系数k=0.5时，系统处于不稳定状态，低频振荡的程度加深，vC与iL
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁耦合谐振式无线电能传输系统中锥形谐振线圈结构优化[J]. 倪晨睿,陈海川,李登帅,周聪. 四川大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]Buck-Boost变换电路DCM动态建模分析[J]. 孙雷强,王冲,王丽艳,赵银峰,詹行行. 电机与控制应用. 2019(11)
[3]互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J]. 苏玉刚,吴学颖,赵鱼名,卿晓东,唐春森. 电工技术学报. 2019(14)
[4]DC/DC变换器并联系统混沌现象的控制策略[J]. 丁烨,葛芦生,吴津庆,张瑞. 常州工学院学报. 2018(03)
[5]双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究[J]. 刘方,陈凯楠,蒋烨,赵争鸣. 电工技术学报. 2019(05)
[6]基于滑模双环控制的感应耦合电能传输系统设计[J]. 龚明,李强. 西南交通大学学报. 2018(03)
[7]基于遗传算法的SS型磁耦合WPT系统负载与互感识别方法[J]. 苏玉刚,陈龙,吴学颖,卿晓东,唐春森. 电工技术学报. 2018(18)
[8]基于LCL-S拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法[J]. 林天仁,李勇,麦瑞坤. 电工技术学报. 2018(01)
[9]基于滑模控制的感应耦合电能传输系统输出电压控制研究[J]. 罗博,陈丽华,李勇,麦瑞坤. 电工技术学报. 2017(23)
[10]基于跳频控制策略的串联-串联谐振无线电能传输系统的参数优化设计方法[J]. 蒋勇斌,王跃,刘军文,刘铭,雷万钧. 电工技术学报. 2017(16)
博士论文
[1]感应耦合式无线能量传输系统的拓扑与控制研究[D]. 鞠兴龙.北京理工大学 2016
[2]DC-DC变换器高阶系统动力学量化分析及其控制[D]. 谢帆.华南理工大学 2014
硕士论文
[1]基于LCC/S补偿拓扑的感应耦合无线电能传输研究[D]. 梁阗.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3424617
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ICPT系统
1绪论3MMCPCSLPLSLPLSCPCSRPRPRSRS(c)P/P补偿(d)P/S补偿图1-3ICPT系统基本谐振补偿电路Figure1-3BasicresonantcompensationcircuitforICPTsystem通过选取合适的补偿电容值，使系统工作谐振状态，降低系统的无功能量，使系统工作在整功率因数状态。当系统角频率用ω表示时，全谐振状态下的补偿电容参数如式子（1-1）所示：2PP2SS=1=1CLCL(1-1)除了上述单一元件补偿外，学者们也对含有多个元件的高阶补偿拓扑进行了深入。如图1-4（a）所示，LCL（Inductor-Capacitor-Inductor）补偿拓扑实现了原边线圈电流和负载的解耦，能够灵活地实现阻抗变换，因而受到广泛关注。但是在参数选取时，通常使补偿电感值和该侧磁耦合机构线圈电感值相等，这样会使补偿电感体积较大并且成本较高。奥克兰大学在LCL基础上增加一个与线圈串联的电容实现LCCL补偿[34]，如图1-4（b）所示。LPC2L1C1ReqLPL1C1Req(a)LCL补偿(b)LCCL补偿图1-4ICPT系统复合型谐振补偿电路Figure1-4CompositeresonantcompensationcircuitforICPTsystem（3）磁耦合机构在ICPT中，将用于实现气隙间能量交换的机构称为磁耦合机构，其主要由利兹线圈、磁芯、金属屏蔽和安装槽等组成，是实现系统电能传输的关键。常见的ICPT系统磁耦合结构包括了环形线圈、螺线管线圈、DDQ线圈等。(a)环形平面线圈(b)螺线管线圈(c)DDQ线圈图1-5ICPT系统的磁耦合机构Figure1-5MagneticcouplingmechanismofICPTsystem
5仿真与实验研究49参考图5-2所示的结构框图，在MATLAB/Simulink环境下搭建如图5-3所示的S/S型ICPT系统的闭环控制仿真模型，其中ICPT系统内部仿真电路采用如图5-1所示主电路，这里不再赘述。图5-3基于自抗扰控制的ICPT系统仿真模型Figure5-3SimulationModelofICPTSystemBasedonADRC5.2.2非线性现象验证分析根据文章3.2节分析可知，当耦合系数k不小于0.79时，系统处于稳定状态。当k在0.6到0.79之间时，系统会发生低频振荡。当k小于0.6时，占空比达到饱和下限，低频振荡程度加深，出现严重的环形破裂和边界碰撞现象。因此，k=0.79是系统的稳定工作边界，k=0.6是发生边界碰撞的边界，同时，系统的低频振荡现象随着减小而增强，这里选取了k=0.5来证明上述结论。因此，选择k=0.79、0.6和0.5作为典型的耦合系数来研究系统中的非线性行为。如图5-4表示系统的运行结果，其中图（a）、（b）分别表示系统在典型耦合系数下的输出电压和滤波电感电流波形图。505152535455t(ms)23252729vC(V)31k=0.79k=0.6k=0.5505152535455t(ms)0246iL(A)k=0.79k=0.6k=0.58(a)输出电压波形图(b)电感电流波形图图5-4典型耦合系数k下的电路仿真波形图Figure5-4Circuitsimulationwaveformsundertypicalcouplingcoefficientk从上图可以看出，当系统耦合系数较高，如k=0.79时，即线圈位置相对偏移较小，系统处于稳定运行状态，电压电流纹波较小；当耦合系数k=0.6时，电感电流与输出电压纹波较大，出现了低频振荡现象，产生振荡的频率约为开关频率的1/10；当耦合系数k=0.5时，系统处于不稳定状态，低频振荡的程度加深，vC与iL
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁耦合谐振式无线电能传输系统中锥形谐振线圈结构优化[J]. 倪晨睿,陈海川,李登帅,周聪. 四川大学学报(自然科学版). 2020(02)
[2]Buck-Boost变换电路DCM动态建模分析[J]. 孙雷强,王冲,王丽艳,赵银峰,詹行行. 电机与控制应用. 2019(11)
[3]互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J]. 苏玉刚,吴学颖,赵鱼名,卿晓东,唐春森. 电工技术学报. 2019(14)
[4]DC/DC变换器并联系统混沌现象的控制策略[J]. 丁烨,葛芦生,吴津庆,张瑞. 常州工学院学报. 2018(03)
[5]双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究[J]. 刘方,陈凯楠,蒋烨,赵争鸣. 电工技术学报. 2019(05)
[6]基于滑模双环控制的感应耦合电能传输系统设计[J]. 龚明,李强. 西南交通大学学报. 2018(03)
[7]基于遗传算法的SS型磁耦合WPT系统负载与互感识别方法[J]. 苏玉刚,陈龙,吴学颖,卿晓东,唐春森. 电工技术学报. 2018(18)
[8]基于LCL-S拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法[J]. 林天仁,李勇,麦瑞坤. 电工技术学报. 2018(01)
[9]基于滑模控制的感应耦合电能传输系统输出电压控制研究[J]. 罗博,陈丽华,李勇,麦瑞坤. 电工技术学报. 2017(23)
[10]基于跳频控制策略的串联-串联谐振无线电能传输系统的参数优化设计方法[J]. 蒋勇斌,王跃,刘军文,刘铭,雷万钧. 电工技术学报. 2017(16)
博士论文
[1]感应耦合式无线能量传输系统的拓扑与控制研究[D]. 鞠兴龙.北京理工大学 2016
[2]DC-DC变换器高阶系统动力学量化分析及其控制[D]. 谢帆.华南理工大学 2014
硕士论文
[1]基于LCC/S补偿拓扑的感应耦合无线电能传输研究[D]. 梁阗.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3424617
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