CN113517763B - 一种无线电能传输***的周期能量控制方法 - Google Patents

一种无线电能传输***的周期能量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种无线电能传输***的周期能量控制方法，包括：步骤1，根据直流源类型与补偿拓扑，选定用于检测的状态变量；步骤2，计算每一时刻直流源输入到网络的能量，并使用选择好的状态变量来消除积分计算，简化计算过程；步骤3，根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值，并将能量输入能量参考值转为对状态变量的阈值上限和下限；步骤4，检测对应状态变量来计算每一时刻***输入能量WAB，当控制变量达到阈值上限或下限时，切换开关状态，实现这一周期输入到谐振网络的能量调节；下一周期重复该步骤。本发明能够有效抑制***状态发生改变时产生的过电压或过电流，响应速度快，且在互感变化的场景应用具有突出优势。

Description

一种无线电能传输***的周期能量控制方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线电能传输***的周期能量控制方法。
背景技术
无线电能传输(WPT)技术由于其安全等特性得到了广泛的应用，尤其是在水下、医疗等特殊场合。WPT***根据应用场合的不同追求不同的控制目标，如提高***效率和***稳定性；而其控制策略也是多种多样的，一般是根据所追求控制效果的不同，提出相应的控制策略。其中，一个WPT***的可控制结构包括，原边逆变器、副边整流桥以及在原、副边增加DC/DC结构来实现更高维度的控制。已知的控制方法是将以上可控制结构的执行频率，占空比以及输出幅值作为控制参数。WPT***的本质是将能量从原边传输到副边，已有的控制方法都是根据***特性，通过控制某些参数间接控制输出能量，然而，直接将能量作为控制目标将具有更快的响应速度。目前，没有人提出对输入谐振网络的能量进行精确控制的控制方法。
WPT***输入到谐振网络的能量由直流源通过原边的逆变器提供，在众多的控制方法中，原边控制也最为常见，如变频控制、移相控制和幅值控制，它们的控制参数是逆变器的输出交流电压或者电流的频率或者幅值。由于WPT***针对不同频率信号的增益不同，变频控制通过改变逆变器的输出交流电压(或电流)频率来控制WPT***输出电压；移相控制是通过改变逆变器输出交流电压(或电流)的占空比来改变逆变器输出电压或者电流的等效幅值进而控制WPT***的输出电压；而幅值控制则直接改变逆变器输出电压(或者电流)的幅值来改变***输出电压。在实际闭环***中，***将控制目标量作为反馈输入到控制器，经过计算产生PWM波驱动逆变器的MOSFET工作，实现对逆变器输出电压(或者电流)的改变。然而，传统的对于输出电压的直接反馈控制在追求控制速度的同时，难以抑制***的过电压(或过电流)，其根本原因就是传统的控制方式无法严格控制每个周期输入到网络的能量大小。另外，对于传统的变频控制而言，WPT***的输出电压随着频率的变化并非单调曲线，不满足PI控制器需要***电压增益随频率单调变化的要求。最后，对于许多工况而言，WPT***的互感是难以保持恒定的，尤其是对于移动式WPT***，一般的原边控制方式都需要知道互感值的大小从而进行控制量与控制时机的计算。
发明内容
本发明目的在于提供一种无线电能传输***的周期能量控制方法，它能够有效抑制***状态发生改变时产生的过电压或过电流，响应速度快，且在互感变化的场景应用具有突出优势。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种无线电能传输***的周期能量控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据直流源类型与补偿拓扑，选定用于检测的状态变量；
步骤2，计算每一时刻直流源输入到网络的能量，并使用选择好的状态变量来消除积分计算，简化计算过程；
步骤3，根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值，并将能量输入能量参考值转为对状态变量的阈值上限和下限；
步骤4，检测对应状态变量来计算每一时刻***输入能量WAB，当控制变量达到阈值上限或下限时，切换开关状态，实现这一周期输入到谐振网络的能量调节；下一周期重复该步骤。
本发明进一步的改进在于，步骤1的具体实现方法如下：
根据直流源类型与补偿拓扑，选定用于检测的状态变量，若是原边串联补偿无线电能传输***，采用电压源逆变器时，选择检测的状态变量为原边串联电容的电压u1；若是原边并联补偿无线电能传输***，采用电流源逆变器时，选择检测的状态变量为原边电感的电流i1和副边电感的电流i2。
本发明进一步的改进在于，原边串联补偿无线电能传输***采用SS补偿无线电能传输***。
本发明进一步的改进在于，原边并联补偿无线电能传输***采用PP补偿无线电能传输***。
本发明进一步的改进在于，步骤2的具体实现方法如下：
计算出每一时刻直流源输入到网络的能量，若是原边串联补偿无线电能传输***，采用电压源逆变器时，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量表示为
Figure BDA0003142369200000031
使用电容电压与电流关系
Figure BDA0003142369200000032
将其化简为
Figure BDA0003142369200000033
其中，Uin为输入直流电压源的有效值，U1_PN为逆变器输出电压由+Uin切换到-Uin时刻电容C1两端的电压值，U1_NP为逆变器输出电压由-Uin切换到+Uin时刻电容C1两端的电压值；
若是原边并联补偿无线电能传输***，采用电流源逆变器时，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量表示为
Figure BDA0003142369200000041
使用电压与电流关系
Figure BDA0003142369200000042
将其化简为
Figure BDA0003142369200000043
其中，Iin为输入直流电流源的有效值，I1_PN和I2_PN为逆变器输出电流由+Iin切换到-Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值，I1_NP和I2_NP为逆变器输出电流由-Iin切换到+Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值。
本发明进一步的改进在于，步骤3的具体实现方法如下：
根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值，忽略***损耗，***输入能量与输出电压或电流是单调关系，如控制目标为输出电压，则有
Figure BDA0003142369200000044
因此，根据参考输出电压或电流来计算唯一的一个能量参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤4的具体实现方法如下：
检测对应状态变量来计算每一时刻***输入能量WAB，当控制变量达到阈值上限或下限时，切换开关状态，实现这一周期输入到谐振网络的能量调节；下一周期重复该步骤。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，该控制方法将逆变器输入到谐振网络的能量作为控制目标，根据给定参考值严格控制每半个开关周期输入到网络的能量。作为一个无源网络，输入能量决定了***的输出能量，这种控制能够有效抑制由于***状态发生改变导致的能量过大对***造成的过电压或过电流，并且具有更快的响应速度。此外，周期能量控制的控制变量对互感变化灵敏度较低，因此，它在互感变化的场合应用具有突出优势。
本发明可对输入谐振网络的能量进行精确控制，适用于所有补偿拓扑的WPT***。本发明能够在响应速度快的条件下，有效抑制***状态发生改变时产生的过电压或过电流；本发明直接控制的输入能量是和输出电压或电流正相关的，因此满足PI控制器需要***电压增益随频率单调变化的要求；本发明可以在耦合线圈互感变化的条件下，控制变量对互感具有较低灵敏度。
附图说明
图1是感应耦合无线电能传输***的基本框图。
图2是不同直流源类型下电压电流的波形，其中图2(a)为采用电压源型逆变器的电压电流的波形，图2(b)为采用电流源型逆变器的电压电流的波形。
图3(a)是基于SS补偿的WPT***等效电路，图3(b)是基于PP补偿的WPT***等效电路。
图4(a)是基于SS补偿的***主要状态变量波形，图4(b)是基于PP补偿的***主要状态变量波形。
图5是谐振网络的输入能量与输出电压的关系曲线。
图6是本发明在SS补偿WPT***下应用的框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
请参阅图1，它给出了感应耦合无线电能传输***的基本框图。周期能量控制是将每个周期输入到网络的能量作为控制目标，为了实现对谐振网络输入能量的精确控制，需要计算出每一时刻直流源输入到网络的能量，根据电路理论，无线电能传输***直流源输出的能量以及经过逆变器输入到谐振网络的能量可以由公式(1)表示。
Figure BDA0003142369200000061
其中，uAB表示原边逆变器输出电压，iAB表示原边逆变器输出电流，WAB表示一个开关周期内逆变器输入到谐振网络的能量。
无线电能传输***具有很好的选频特性，因此补偿网络中的电流或者电压通常为正弦形式，如图2(a)、(b)所示。
可以发现，当采用电压源逆变器(VSI)时，以SS补偿为例，逆变器输出的电压在每半个开关周期内为恒定值，由于***出色的选频特性，逆变器的输出电流为正弦形式。逆变输出电压在稳态时呈现半周期奇对称。将原边逆变器输入电压记为Uin，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量可以表示为：
Figure BDA0003142369200000062
根据图3(a)可以发现，SS补偿的WPT***逆变器输出的主回路上串联了一个电容，根据电容电压与电流关系
Figure BDA0003142369200000063
其中，i1和u1分别表示原边电感电流、原边电容电压。
因此，WAB可以化简为
Figure BDA0003142369200000064
其中，Uin为输入直流电压源的有效值，U1_PN为逆变器输出电压由+Uin切换到-Uin时刻电容C1两端的电压值，U1_NP为逆变器输出电压由-Uin切换到+Uin时刻电容C1两端的电压值。从公式(4)可知，本发明可以根据电容电压来评估输入网络的能量，因此在实际应用中可以通过直接测量电容电压来计算输入能量。
当采用电流源逆变器(CSI)时，以PP补偿为例，同理，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量可以表示为：
Figure BDA0003142369200000071
同样，根据图3(b)，应用PP补偿的WPT***中电压电流关系对上式进行化简，即：
Figure BDA0003142369200000072
由拉普拉斯变换，公式(6)可以变换为
UAB(s)＝U1(s)＝sL1I1(s)-L1i1(0-)-sMI2(s)+M2i2(0-) (7)
由于网络的初始状态为0，因此有
UAB(s)＝sL1I1(s)-sMI2(s) (8)
根据公式(5)和公式(8)，可以得到能量计算的简化形式
Figure BDA0003142369200000073
其中，Iin为输入直流电流源的有效值，I1_PN和I2_PN为逆变器输出电流由+Iin切换到-Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值，I1_NP和I2_NP为逆变器输出电流由-Iin切换到+Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值。
由于不同补偿拓扑要求的直流源类型不同，它们能量计算的化简方式有所不同。以上分别对两种直流源类型的简单拓扑的能量计算方式进行简化，在实际应用中，高阶补偿的具有很多优势，如LCL，LCC补偿，它们可以保证WPT***的发射线圈电流恒定，为了实现周期能量控制在所有WPT***补偿拓扑的应用，本发明对不同补偿拓扑WPT***输入到谐振网络的能量进行数学推导，理论上本发明可以获得所有补偿拓扑的能量计算方式，表1中总结了目前实验中经常用到的拓扑的输入能量的计算方法。可以发现，在这些拓扑中，本发明最多需要测量两个状态变量就可以实现对输入到谐振网络能量的评估。
表1不同拓扑下谐振网络输入能量的计算方式
Figure BDA0003142369200000081
Figure BDA0003142369200000091
完成对谐振网络输入能量的评估之后，根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值。忽略***损耗，***输入能量与输出电压(或电流)是单调关系，如公式(10)与图5所示，因此，可以根据输出电压(或电流)来计算唯一的一个能量参考值。
Figure BDA0003142369200000092
图6是本发明在SS补偿的WPT***下应用的框图。实验装置包括功率主电路、数字控制电路、采集处理电压信号的模拟电路以及产生控制信号的逻辑电路。由公式(4)可知，可以通过测量补偿电容C1两端电压u1来评估输入到谐振网络的能量，实验中对u1经过衰减和抬升调整到控制器的可输入范围，DSP的DAC产生uthH和uthL对应于公式(4)的电压上限和下限，经过比较器、RS触发器以及死区产生电路就可以产生控制逆变器的驱动信号。定义uthH和uthL的差为uth_Hy，因此调整DAC的输出就可以调节输入到谐振网络的能量，从而调节***的输出电压，并且提升***的动态性能。
本发明提出了周期能量控制方法，将输入谐振网络的能量作为控制目标，并通过WPT***的电路方程，推导出谐振网络输入能量的简化表达式，通过有限的传感器就可以实现对输入谐振网络能量的评估，并通过数学推导将其推广到WPT***所有补偿拓扑。通过实验验证了周期能量控制的有效性，并且证明了其在响应速度、超调抑制以及互感变化场合应用具有突出优势。

Claims (7)

1.一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据直流源类型与补偿拓扑，选定用于检测的状态变量；
步骤2，计算每一时刻直流源输入到网络的能量，并使用选择好的状态变量来消除积分计算，简化计算过程；
步骤3，根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值，并将能量输入能量参考值转为对状态变量的阈值上限和下限；
步骤4，检测对应状态变量来计算每一时刻***输入能量WAB，当控制变量达到阈值上限或下限时，切换开关状态，实现这一周期输入到谐振网络的能量调节；下一周期重复该步骤。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，步骤1的具体实现方法如下：
根据直流源类型与补偿拓扑，选定用于检测的状态变量，若是原边串联补偿无线电能传输***，采用电压源逆变器时，选择检测的状态变量为原边串联电容的电压u1；若是原边并联补偿无线电能传输***，采用电流源逆变器时，选择检测的状态变量为原边电感的电流i1和副边电感的电流i2。
3.根据权利要求2所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，原边串联补偿无线电能传输***采用SS补偿无线电能传输***。
4.根据权利要求2所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，原边并联补偿无线电能传输***采用PP补偿无线电能传输***。
5.根据权利要求2所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，步骤2的具体实现方法如下：
计算出每一时刻直流源输入到网络的能量，若是原边串联补偿无线电能传输***，采用电压源逆变器时，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量表示为
Figure FDA0003142369190000021
使用电容电压与电流关系
Figure FDA0003142369190000022
将其化简为
Figure FDA0003142369190000023
其中，Uin为输入直流电压源的有效值，U1_PN为逆变器输出电压由+Uin切换到-Uin时刻电容C1两端的电压值，U1_NP为逆变器输出电压由-Uin切换到+Uin时刻电容C1两端的电压值；
若是原边并联补偿无线电能传输***，采用电流源逆变器时，每个开关周期T逆变器输入到谐振网络的能量表示为
Figure FDA0003142369190000024
使用电压与电流关系
Figure FDA0003142369190000025
将其化简为/>
Figure FDA0003142369190000026
其中，Iin为输入直流电流源的有效值，I1_PN和I2_PN为逆变器输出电流由+Iin切换到-Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值，I1_NP和I2_NP为逆变器输出电流由-Iin切换到+Iin时刻原边线圈和副边线圈电流的值。
6.根据权利要求5所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，步骤3的具体实现方法如下：
根据控制目标的参考值计算输入到谐振网络的能量参考值，忽略***损耗，***输入能量与输出电压或电流是单调关系，如控制目标为输出电压，则有
Figure FDA0003142369190000031
因此，根据参考输出电压或电流来计算唯一的一个能量参考值。
7.根据权利要求6所述的一种无线电能传输***的周期能量控制方法，其特征在于，步骤4的具体实现方法如下：
检测对应状态变量来计算每一时刻***输入能量WAB，当控制变量达到阈值上限或下限时，切换开关状态，实现这一周期输入到谐振网络的能量调节；下一周期重复该步骤。
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