CN106849678B - 多逆变器并联感应电能传输***的功率调节方法 - Google Patents

多逆变器并联感应电能传输***的功率调节方法 Download PDF

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Abstract

一种多逆变器并联感应电能传输***功率调节方法，通过使高频逆变器模块处于续流状态将匹配变压器单元原边绕组短路的方法改变匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值；***k台高频逆变器模块中，全部k台高频逆变器模块处于工作状态时，匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为UP，m台高频逆变器模块处于工作状态，(k‑m)台高频逆变器模块处于续流状态时，m＝1,2,3,...,k，匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k。同时将***额定输出功率P分为k个功率等级，每个等级为m×P/k。检测***输出功率Po并与额定输出功率P比较，当***输出功率Po大于(m‑1)×P/k且小于等于m×P/k时，控制m台高频逆变器模块处于工作状态，(k‑m)台高频逆变器模块处于续流状态，使匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k。

Description

多逆变器并联感应电能传输***的功率调节方法
技术领域
本发明涉及一种多逆变器并联感应电能传输***的高频逆变器功率调节方法。
背景技术
感应电能无线传输技术逐渐进入工业和生活领域，应用于电动汽车充电和轨道交通车辆供电是今后的发展趋势，现有轨道交通车辆多采用受电弓或者第三轨方式供电。由于轨道交通车辆运行时，受电弓或者第三轨摩擦容易产生碳积，导致接触不良，车辆脱网断电，降低了供电***的可靠性，也影响车辆供电***设备使用寿命，而且受电弓或者第三轨需要高额的维护成本。应用电磁感应原理的感应电能传输实现了电能无接触传递，解决了接触供电产生火花、摩擦、碳积等问题，避免了潮湿、水下等环境用电设备存在电击的潜在危险，具有安全，可靠，方便，无污染等优点，能够取代既有电气化交通设备受电弓加接触网或者第三轨供电模式，可极大地提高供电安全性和可靠性。
但是轨道交通领域牵引功率较大，单台高频逆变器模块受电力电子器件容量的限制，无法满足大功率场合的需求，因此需要多台高频逆变器模块的串联或并联来达到轨道交通领域大功率的设计要求。同时，***还要满***通车辆负载变化情况下输出电压的质量要求。传统的感应电能功率传输***功率调节方式可分为幅值调节、频率调节、移相调节、脉冲密度调节、倍频调节、谐波移相调节等。在传统多逆变器并联的感应电能传输***控制模式中，无论负载如何变化，所有高频逆变器模块都同时工作，所有开关管都处于高频开关状态，将导致***在轻载状况下，开关损耗大，所以降低了***效率。
Kim J H,Lee B S,Lee J H在文献“Development of 1-MW inductive powertransfer system for a high-speed train[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2015,62(10):6242-6250.”中描述了一种电路拓扑结构，可实现大功率输出，但是没有对控制方式进行研究和说明。
Vicente Esteve,Jose Jordan在文献“Enhanced Pulse-Density-ModulatedPower Control for High-Frequency Induction Heating Inverters[J].IEEETransaction on Industrial Electronics,2015,62(11):6905-6914.”中描述了一种新型的PDM控制方式，该方法能够有效提高轻载时***工作效率，但该方法并没有针对多逆变器模块并联结构的控制方式进行研究。
李勇,麦瑞坤,陆立文等在文献“一种采用级联型多电平技术的IPT***谐波消除与功率调节方法[J].中国电机工程学报,2015,35(20):5278-5285.”中描述了一种级联型逆变器，采用阶梯波合成技术消除谐波，提高了***的输出功率，但是没有考虑***负载变化时如何进行控制。***在轻载时，全部级联的逆变器仍然处于高频开关动作状态，导致开关损耗较大，影响***效率。
刘超,李健宇,厉呈臣,梁玉民在文献“基于FPGA的均匀PDM感应加热电源的研究[J].电力电子技术,2013,04:36-38.”中提出了一种采用脉冲密度控制策略调节输出功率，但是在轻负载时脉冲密度数较小，会导致逆变器电流不连续，造成输出电压纹波较大。
发明内容
本发明目的是为了克服现有大功率的多逆变器并联感应电能传输***在轻载、半载时***效率低以及输出直流电压纹波较大的问题，提出一种基于多逆变器并联的感应电能传输***功率调节方法。本发明在不同负载情况下，通过将匹配变压器单元原边绕组短路，改变处于工作状态的高频逆变器模块的数量，从而改变匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值；然后在处于工作状态的高频逆变器模块中采用脉冲密度调节***输出电压和输出功率，所有处于工作状态的高频逆变器模块驱动保持一致。
本发明采用模块化的高频逆变器实现大功率、高电压的输出。在轻载时，多逆变器并联感应电能传输***中只有m台高频逆变器模块处于工作状态，与传统的无论负载如何变化，全部高频逆变器模块都处于工作状态的控制方式相比，该方法使处于工作状态的高频逆变器模块的脉冲密度数提高到k/m倍(k为高频逆变器模块数量)，高频逆变器模块输出电压脉冲更加密集，高频逆变器模块输出电流更加连续，从而降低输出电压纹波；轻载时，通过减少处于工作状态的高频逆变器模块的数量，可以减少处于高频开关状态的开关管数量，从而减少开关损耗，提高***效率。
本发明解决技术问题采用的技术方案如下：
所述多逆变器并联感应电能传输***包括：直流电源，多台高频逆变器模块组成的高频逆变器组，多个匹配变压器单元组成的匹配变压器组，分离式变压器，原边补偿电容，副边补偿电容，高频整流器，以及负载。直流电源的输出端分别与多台高频逆变器模块的输入端相连接，多台高频逆变器模块的输出端分别与多个匹配变压器单元原边绕组相连接，匹配变压器单元的副边绕组依次串联连接；匹配变压器组输出端的一端与分离式变压器原边线圈的一端连接，匹配变压器组输出端的另一端与原边补偿电容的一端相连接；分离式变压器原边线圈的另一端与原边补偿电容的另一端相连接；分离式变压器副边线圈的一端与副边补偿电容一端相连接，分离式变压器副边线圈的另一端与高频整流器的输入端的一端相连接；副边补偿电容的另一端与高频整流器的输入端的另一端相连接；高频整流器的输出端与负载的输入端相连接。
所述直流电源1可由工频交流电经过整流获得，或者由蓄电池，超级电容获得直流电压源。
所述高频逆变器组由k台高频逆变器模块组成，开关管S1_1、S1_2、S1_3、S1_4构成第一高频逆变器模块，开关管S2_1、S2_2、S2_3、S2_4构成第二高频逆变器模块，开关管Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4构成第k高频逆变器模块，k为正整数。各高频逆变器模块的输入端可与同一个直流电源的两个输出端相连接，同时各高频逆变器模块的输入端也可与不同的直流电源的输出端分别连接。
所述匹配变压器组由n个匹配变压器单元组成，每个匹配变压器单元原边绕组分别与每台高频逆变器模块的输出端相连，n个匹配变压器单元与k台高频逆变器模块连接,n﹦k；各匹配变压器单元的副边绕组依次串联相接。
所述分离式变压器由分离式变压器原边线圈和分离式变压器副边线圈组成。分离式变压器原边线圈沿地面轨道铺设，分离式变压器原边线圈与原边补偿电容串联相接，组成谐振电路，然后与匹配变压器组的输出端相连。分离式变压器副边线圈位于分离式变压器原边线圈上方的运动的车体上，副边补偿电容与分离式变压器副边线圈串联组成与原边谐振频率一致的谐振电路，分离式变压器副边线圈与副边补偿电容组成的谐振电路的两端与高频整流器输入端相连接。
所述的高频整流器可以由不控整流桥和滤波电容组成，也可以由可控整流桥或者其他将交流转变为直流的拓扑和滤波电容组成。所述高频整流器的输出端与负载输入端相连接，得到直流输出电压。
所述的负载的输入端与高频整流器的输出端相连接。
本发明多逆变器并联感应电能传输***的输出功率调节方法如下：
1)首先，通过使高频逆变器模块的处于续流状态将匹配变压器单元原边绕组短路的方法改变匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值。***的k台高频逆变器模块中，m台高频逆变器模块处于工作状态，(k-m)台高频逆变器模块处于续流状态，m＝1,2,3,…,k；全部k台高频逆变器模块处于工作状态时，匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为UP；m台高频逆变器模块处于工作状态，(k-m)台高频逆变器模块处于续流状态时，匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k；
2)其次，检测多逆变器并联感应电能传输***输出功率Po，并将其与***额定输出功率P比较，当***输出功率Po大于(m-1)×P/k且小于等于m×P/k时，控制m台高频逆变器模块处于工作状态，(k-m)台高频逆变器模块处于续流状态，使匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k；
3)在处于工作状态的高频逆变器模块中，采用脉冲密度调节方法控制***直流输出电压，调节***输出功率，所有处于工作状态的高频逆变器模块驱动保持一致。
通过将高频逆变器模块的上方的两个开关管Sk_1、Sk_3同时导通，或者下方的两个开关管Sk_2、Sk_4同时导通，使高频逆变器模块处于续流状态，即可实现与此高频逆变器模块相连接的匹配变压器单元原边绕组处于短路状态，副边绕组输出电压为0。将匹配变压器单元原边绕组处于短路状态的控制方式不会改变***谐振等效电路。
与现有技术相比，本发明具有的优势：
在轻载时，多逆变器并联感应电能传输***中只有m台高频逆变器模块处于工作状态，与传统的无论负载如何变化，全部高频逆变器模块都处于工作状态的传统控制方式相比，该方法使处于工作的高频逆变器模块的脉冲密度数提高到k/m倍，逆变器模块输出电压脉冲更加密集，高频逆变器模块输出电流更加连续，从而降低输出电压纹波；轻载时，通过减少处于工作状态的高频逆变器模块的数量，可以减少处于高频开关状态的开关管数量，从而减少开关损耗，提高***效率。
附图说明
图1是多逆变器并联的感应电能传输***；
图2是单台高频逆变器模块工作状态时开关状态；
图3是单台高频逆变器模块续流状态时开关状态；
图4是本发明输出功率调节方法原理图；
图5是不同脉冲密度数时，单台高频逆变器模块输出电压脉冲时序；
图1中，1直流电源，2并联高频逆变器组，21第一高频逆变器模块，22第二高频逆变器模块，2k第k高频逆变器模块，S1_1、S1_2、S1_3、S1_4、S2_1、S2_2、S2_3、S2_4Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4开关管，3匹配变压器组，31第一匹配变压器单元，32第二匹配变压器单元，3k第k匹配变压器单元，4分离式变压器，41分离式变压器原边线圈，42分离式变压器副边线圈，5原边补偿电容，6副边补偿电容，7高频整流器，8负载。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1所示为本发明实施例三台逆变器并联感应电能传输***的基本组成。
如图1所示，本发明实施例三台逆变器并联(即k＝3)感应电能传输***包括直流电源1，并联高频逆变器组2，高频逆变器模块21、22、2k，匹配变压器组3，匹配变压器单元31、32、3k，分离式变压器4，分离式变压器原边线圈41，分离式变压器副边线圈42，原边补偿电容5，副边补偿电容6，高频整流器7，以及负载8。
直流电源1的输出端分别与高频逆变器模块21、22、2k的输入端相连接；高频逆变器组由3台高频逆变器模块21、22、2k组成，高频逆变器模块21、22、2k的输出端分别与匹配变压器单元31、32、3k的原边绕组相连接；匹配变压器组3由3个匹配变压器单元31、32、3n组成，各个匹配变压器单元31、32、3n的原边绕组分别与各高频逆变器模块的输出端相连，其中n＝k，各个匹配变压器单元的副边绕组依次串联相接，匹配变压器组3输出端的一端与分离式变压器原边线圈41的一端连接，匹配变压器组3输出端的另一端与原边补偿电容5的一端相连接；分离式变压器原边线圈41的另一端与原边补偿电容5的另一端相连接；分离式变压器的副边线圈42的一端与副边补偿电容6一端相连接，分离式变压器副边线圈42的另一端与高频整流器7的输入端的一端相连接；副边补偿电容6的另一端与高频整流器7的输入端的另一端相连接；高频整流器7的输出端与负载8的输入端相连接。
所述直流电源1可由工频交流电经过整流获得，或者由蓄电池，超级电容获得直流电压源。
所述并联高频逆变器组2由并联的3台高频逆变器模块21、22、2k组成。开关管S1_1、S1_2、S1_3、S1_4构成第一高频逆变器模块21，开关管S2_1、S2_2、S2_3、S2_4构成第二高频逆变器模块22，Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4构成第k高频逆变器模块2k，每台高频逆变器模块输出端与各匹配变压器单元31、32、3k的原边绕组连接。所述的匹配变压器组3由n个匹配变压器单元31、32、3n组成，其中n＝k＝3。各个匹配变压器单元的副边绕组依次串联相接。
所述的分离式变压器4由分离式变压器原边线圈41和分离式变压器副边线圈42组成，分离式变压器原边线圈41沿地面轨道铺设，分离式变压器原边线圈41与原边补偿电容5连接组成谐振电路，然后与匹配变压器组3的输出端相连。分离式变压器副边线圈42位于分离式变压器原边线圈41上方的运动的车体上，分离式变压器副边线圈42与副边补偿电容6相连接组成与原边谐振频率一致的谐振电路，分离式变压器副边线圈42与副边补偿电容6组成的谐振电路的两端接入高频整流器7。
所述的整流器7可以由不控整流桥和滤波电容组成，也可以由可控整流桥或者其他将交流转变为直流的拓扑和滤波电容组成。
所述负载8可以是实际电阻负载，也可以经过其他电能变换环节后供给负载，即等效负载。
本发明多逆变器并联的感应电能传输***的输出功率的调节方法如下：
1)首先，通过使高频逆变器模块的处于续流状态将匹配变压器单元原边绕组短路的方法改变匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值。***3台高频逆变器模块中，m台高频逆变器模块处于工作状态，(3－m)台高频逆变器模块处于续流状态，使得匹配变压器组3合成输出电压脉冲为m×UP/3。1台高频逆变器模块处于工作状态，2台高频逆变器模块处于续流状态时，匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为UP/3；2台高频逆变器模块处于工作状态，1台高频逆变器模块处于续流状态时，匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为2×UP/3；3台高频逆变器模块全都处于工作状态，匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为UP。
2)其次，检测多逆变器并联的感应电能传输***的输出功率Po，并将其与***额定输出功率P比较，当***输出功率Po大于0且小于等于P/3时，控制第一高频逆变器模块21处于工作状态，第二高频逆变器模块22、第三高频逆变器模块23处于续流状态，使匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为UP/3；当***输出功率Po大于P/3且小于等于2P/3时，控制第一高频逆变器模块21和第二高频逆变器模块22处于工作状态，第三高频逆变器模块23处于续流状态,使匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为2UP/3；当***输出功率Po大于2P/3且小于等于P时，控制三台高频逆变器模块处于工作状态，使匹配变压器组3合成输出电压脉冲幅值为UP，如图4所示。图4中由上到下依次为第一高频逆变器模块输出的电压脉冲，第二高频逆变器模块输出的电压脉冲，第三高频逆变器模块输出的电压脉冲，匹配变压器组3合成输出电压脉冲。
3)在处于工作状态的高频逆变器模块中，采用脉冲密度调节控制***直流输出电压，调节***输出功率，所有处于工作状态的高频逆变器模块驱动逻辑保持一致。
为使高频逆变器模块处于续流状态，可将高频逆变器模块的上方的两个开关管Sk_1、Sk_3同时导通或者下方的开关管Sk_2、Sk_4同时导通，如图3所示。具体操作是：为使第三高频逆变器模块处于续流状态，将第三高频逆变器模块上方的两个开关管S3_1、S3_3同时导通或者下方的两个开关管S3_2、S3_4同时导通；为使第二高频逆变器模块处于续流状态，将第二高频逆变器模块的上方的两个开关管S2_1、S2_3同时导通或者下方的两个开关管S2_2、S2_4同时导通。与处于续流状态的高频逆变器模块相连接的匹配变压器单元原边绕组处于短路状态，副边绕组输出电压为0。将匹配变压器单元原边绕组处于短路状态的控制方式不会改变***谐振等效电路。
采用脉冲密度控制输出功率原理的具体实施原理如下：首先选定D个谐振周期作为一个调节周期，d为高频逆变器模块输出的脉冲密度数，在一个调节周期D内，当高频逆变器模块输出一个脉冲，脉冲密度数为1；当高频逆变器模块输出两个脉冲，脉冲密度为2；以此类推，当高频逆变器模块输出d个脉冲，脉冲密度数为d，因此d＝1,2…D。图5为D＝15时，不同脉冲密度数时，单台高频逆变器模块输出电压脉冲时序。当高频逆变器模块输出电压脉冲时，其开关管Sk_1、Sk_4和Sk_2、Sk_3交替导通，当高频逆变器模块不输出脉冲时，与高频逆变器续流工作状态相同，让Sk_1、Sk_3同时导通，或者Sk_2、Sk_2同时导通。通过改变脉冲密度数，调节***输出功率，***输出功率越大，脉冲密度数越大。在脉冲密度数较小时，高频逆变器模块输出电压脉冲较少，因此电流会衰减为零导致电流断续，从而造成***输出电压纹波较大。
对于处于工作状态的高频逆变器模块，还可以采用移相调节、脉宽调节、频率调节等方式控制***输出电压和输出功率，所有处于工作状态的高频逆变器模块驱动保持一致。

Claims (2)

1.一种多逆变器并联感应电能传输***功率调节方法，所述的多逆变器并联感应电能传输***包括直流电源，多台高频逆变器模块组成的高频逆变器组、多个匹配变压器单元组成的匹配变压器组、分离式变压器、原边补偿电容、副边补偿电容、高频整流器和负载；直流电源的输出端分别与多台高频逆变器模块的输入端相连接，多台高频逆变器模块的输出端分别与多个匹配变压器单元原边绕组相连接，匹配变压器单元的副边绕组依次串联连接；匹配变压器组输出端的一端与分离式变压器原边线圈的一端连接，匹配变压器组输出端的另一端与原边补偿电容的一端相连接；分离式变压器原边线圈的另一端与原边补偿电容的另一端相连接；分离式变压器副边线圈的一端与副边补偿电容一端相连接，分离式变压器副边线圈的另一端与高频整流器的输入端的一端相连接；副边补偿电容的另一端与高频整流器的输入端的另一端相连接；高频整流器的输出端与负载的输入端相连接；开关管S1_1、S1_2、S1_3、S1_4构成第一高频逆变器模块，开关管S2_1、S2_2、S2_3、S2_4构成第二高频逆变器模块，开关管Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4构成第k高频逆变器模块，k为正整数；n个匹配变压器单元组成匹配变压器组，n为正整数，且k＝n，各高频逆变器模块的输入端与直流电源的输出端相连接，其特征在于，所述的多逆变器并联感应电能传输***功率调节方法步骤如下：
1)首先，通过使高频逆变器模块处于续流状态将匹配变压器单元原边绕组短路的方法改变匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值；***的k台高频逆变器模块中，全部k台高频逆变器模块处于工作状态时，匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为UP；m台高频逆变器模块处于工作状态，(k-m)台高频逆变器模块处于续流状态，m＝1,2,3,…,k；匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k；
2)其次，检测多逆变器并联感应电能传输***的输出功率Po并与***额定输出功率P比较，当多逆变器并联感应电能传输***的输出功率Po大于(m-1)×P/k且小于等于m×P/k时，控制m台高频逆变器模块处于工作状态，(k－m)台高频逆变器模块处于续流状态，使匹配变压器组合成输出电压脉冲幅值为m×UP/k；
3)所有处于工作状态的高频逆变器模块驱动逻辑保持一致，采用脉冲密度调节(PDM)控制多逆变器并联感应电能传输***输出电压和输出功率。
2.按照权利要求1所述的多逆变器并联感应电能传输***功率调节方法，其特征在于，将高频逆变器模块的上方的两个开关管Sk_1、Sk_3同时导通，或下方的两个开关管Sk_2、Sk_4同时导通，使第k高频逆变器模块处于续流状态，与此高频逆变器模块相连接的匹配变压器单元原边绕组处于短路状态，副边绕组输出电压为0。
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