CN219499050U - 串联-串联型补偿无线电能传输*** - Google Patents

串联-串联型补偿无线电能传输*** Download PDF

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CN219499050U CN202223151055.1U CN202223151055U CN219499050U CN 219499050 U CN219499050 U CN 219499050U CN 202223151055 U CN202223151055 U CN 202223151055U CN 219499050 U CN219499050 U CN 219499050U
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薄强
赵瑞斌
王启江
申旭辉
付明志
张钧阳
秦猛
李铮
高跃
张达
范吉祥
许林红
刘子靖
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Abstract

本申请关于一种串联‑串联型补偿无线电能传输***。具体方案为：该***包括多个无线电能传输模块，多个无线电能传输模块并联连接，多个无线电能传输模块均包括高频逆变器、发射侧补偿模块、接收侧补偿模块、耦合线圈和整流器，多个高频逆变器的输入端之间并联连接；多个整流器的输出端之间并联连接；高频逆变器的输出端与耦合线圈的输入端连接，耦合线圈的输出端与整流器的输入端连接；高频逆变器的输出端与耦合线圈的输入端之间的线路上连接有补偿模块；耦合线圈的输出端与整流器的输入端之间的线路上连接有补偿模块。本申请满足了无线电能传输***的大功率输出需求，减小了单个耦合线圈的尺寸。

Description

串联-串联型补偿无线电能传输***
技术领域
本申请涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种串联-串联型补偿无线电能传输***。
背景技术
相关技术中，将无线电能传输技术用在分布式光伏户用***中，可以为分布式光伏电能传输提供新的方向，由于不需要多次对房屋墙体进行开槽、打孔，可以为安全可靠新能源用电的深入研究奠定基础。在大容量的无线电能传输场合，没有足够的房屋空间在接收端安装单台大尺寸耦合线圈，而小尺寸耦合线圈会降低无线电能传输的功率密度。
发明内容
为此，本申请提供一种串联-串联型补偿无线电能传输***。本申请的技术方案如下：
根据本申请实施例的第一方面，提供一种串联-串联型补偿无线电能传输***，所述***包括多个无线电能传输模块，所述多个无线电能传输模块并联连接，所述多个无线电能传输模块均包括高频逆变器、发射侧补偿模块、接收侧补偿模块、耦合线圈和整流器，其中，
所述多个高频逆变器的输入端之间并联连接；
所述多个整流器的输出端之间并联连接；
每个所述高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈的输入端连接，每个所述耦合线圈的输出端均与所属同一无线电能传输模块的整流器的输入端连接；
每个所述高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块；
每个所述耦合线圈的输出端与对应的所述整流器的输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块。
根据本申请的一个实施例，所述多个耦合线圈贴合设置。
根据本申请的一个实施例，每个高频逆变器的输出端均包括高频逆变器第一输出端和高频逆变器第二输出端，每个所述发射侧补偿模块包括发射侧补偿电容，每个所述耦合线圈的输入端包括耦合线圈第一输入端、耦合线圈第二输入端，其中，
每个所述高频逆变器第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述发射侧补偿电容的第一端连接；
每个所述发射侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述耦合线圈第一输入端连接；
每个所述高频逆变器的第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述耦合线圈第二输入端连接。
根据本申请的一个实施例，每个所述高频逆变器均包括两个逆变桥臂，每个所述逆变桥臂均包括两个逆变子模块，每个所述逆变子模块均包括开关管和二极管，其中，
所述多个高频逆变器的输入端之间并联连接；
所属同一无线电能传输模块的两个所述逆变桥臂并联连接，所属同一逆变桥臂的两个逆变子模块均串联连接，所属同一逆变子模块的二极管与开关管反向并联连接；
每个所述逆变桥臂的两端均与直流电源的两端并联连接；
每个所述耦合线圈第一输入端均与所属同一无线电能传输模块的所述发射侧补偿电容的第二端连接，每个所述发射侧补偿电容的第一端均通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的其中一个所述逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上；
每个所述耦合线圈第二输入端通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的另一个所述逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上。
根据本申请的一个实施例，每个所述整流器的输出端均包括整流器第一输入端和整流器第二输入端，每个所述接收侧补偿模块均包括接收侧补偿电容，每个所述耦合线圈的输出端均包括耦合线圈第一输出端、耦合线圈第二输出端，其中，
每个所述耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述接收侧补偿电容的第一端连接；
每个所述接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流器第一输入端连接；
每个所述耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流器第二输入端连接。
根据本申请的一个实施例，每个所述整流器均包括整流桥，其中，
所述多个高频逆变器的输出端之间并联连接；
每个所述耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述接收侧补偿电容的第一端连接；
每个所述接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流桥的第一输入端连接；
每个所述耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流桥第二输入端连接。
根据本申请的一个实施例，每个所述整流器还包括储能电容，其中，
每个所述储能电容的第一端均与所属同一整流器的所述整流桥的第一输出端连接；
每个所述储能电容的第二端均与所属同一整流器的所述整流桥的第二输出端连接。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
本申请通过将多个无线电能传输模块并联设置，满足了无线电能传输***的大功率输出需求，同时降低无线电能传输***耦合线圈上较高的电应力，减小了单个耦合线圈的尺寸，进而实现了大功率输出；另外，通过将高频逆变器输出阻抗的虚部设置为零，消除了多个耦合线圈之间的互感，进而消除了容性无功功率，提高了电能的传输效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例中提出的一种串联-串联型补偿无线电能传输***的电路图；
图2为本申请实施例中提出的一种串联-串联型补偿无线电能传输***的参数配置方法流程图。
附图标记
101、第一高频逆变器；102、第一发射侧补偿电容；103、第一耦合线圈；104、第一接收侧补偿电容；105、第一整流器；106、第二高频逆变器；107、第二发射侧补偿电容；108、第二耦合线圈；19、第二接收侧补偿电容；110、第二整流器。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
需要说明的是，相关技术中，将无线电能传输技术用在分布式光伏户用***中，可以为分布式光伏电能传输提供新的方向，由于不需要多次对房屋墙体进行开槽、打孔，可以为安全可靠新能源用电的深入研究奠定基础。在大容量的无线电能传输场合，没有足够的房屋空间在接收端安装单台大尺寸耦合线圈，而小尺寸耦合线圈会降低无线电能传输的功率密度。
基于上述问题，本申请提出了一种串联-串联型补偿无线电能传输***，可以实现本申请通过将多个无线电能传输模块并联设置，满足了无线电能传输***的大功率输出需求，同时降低无线电能传输***耦合线圈上较高的电应力，减小了单个耦合线圈的尺寸，进而实现了大功率输出；另外，通过将高频逆变器输出阻抗的虚部设置为零，消除了多个耦合线圈之间的互感，进而消除了容性无功功率，提高了电能的传输效率。
本申请实施例中的提出一种串联-串联型补偿无线电能传输***。
该串联-串联型补偿无线电能传输***包括：多个无线电能传输模块，多个无线电能传输模块并联连接，多个无线电能传输模块均包括高频逆变器、发射侧补偿模块、接收侧补偿模块、耦合线圈和整流器。
其中，多个高频逆变器的输入端之间并联连接；多个整流器的输出端之间并联连接；每个高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈的输入端连接，每个耦合线圈的输出端均与所属同一无线电能传输模块的整流器的输入端连接；每个高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块；每个耦合线圈的输出端与对应的整流器的输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块。在本申请一些实施例中，多个耦合线圈贴合设置。
作为一种可能的示例，多个耦合线圈贴合设置，从而在满足了无线电能传输***的大功率输出需求的同时，减小了该***的占用空间。
在本申请一些实施例中，每个高频逆变器的输出端均包括高频逆变器第一输出端和高频逆变器第二输出端，每个发射侧补偿模块包括发射侧补偿电容，每个耦合线圈的输入端包括耦合线圈第一输入端、耦合线圈第二输入端，其中，每个高频逆变器第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的发射侧补偿电容的第一端连接；每个发射侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈第一输入端连接；每个高频逆变器的第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈第二输入端连接。
在本申请一些实施例中，每个高频逆变器均包括两个逆变桥臂，每个逆变桥臂均包括两个逆变子模块，每个逆变子模块均包括开关管和二极管，其中，多个高频逆变器的输入端之间并联连接；所属同一无线电能传输模块的两个逆变桥臂并联连接，所属同一逆变桥臂的两个逆变子模块均串联连接，所属同一逆变子模块的二极管与开关管反向并联连接；每个逆变桥臂的两端均与直流电源的两端并联连接；每个耦合线圈第一输入端均与所属同一无线电能传输模块的发射侧补偿电容的第二端连接，每个发射侧补偿电容的第一端均通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的其中一个逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上；每个耦合线圈第二输入端通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的另一个逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上。
在本申请一些实施例中，每个整流器的输出端均包括整流器第一输入端和整流器第二输入端，每个接收侧补偿模块均包括接收侧补偿电容，每个耦合线圈的输出端均包括耦合线圈第一输出端、耦合线圈第二输出端，其中，每个耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的接收侧补偿电容的第一端连接；每个接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的整流器第一输入端连接；每个耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的整流器第二输入端连接。
在本申请一些实施例中，每个整流器均包括整流桥，其中，多个高频逆变器的输出端之间并联连接；每个耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的接收侧补偿电容的第一端连接；每个接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的整流桥的第一输入端连接；每个耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的整流桥第二输入端连接。
在本申请一些实施例中，每个整流器还包括储能电容，其中，每个储能电容的第一端均与所属同一整流器的整流桥的第一输出端连接；每个储能电容的第二端均与所属同一整流器的整流桥的第二输出端连接。
举例来说，如图1所示，第一高频逆变器101的输出端与第一发射侧补偿电容102的输入端相连接，第一发射侧补偿电容102的输出端与第一耦合线圈103的输入端相连接，第一耦合线圈103的输出端与第一接收侧补偿电容104的输入端相连接，第一接收侧补偿电容104的输出端与第一整流器105的输入端相连接；与此相同，第二高频逆变器106的输出端与第二发射侧补偿电容107的输入端相连接，第二发射侧补偿电容107的输出端与第二耦合线圈108的输入端相连接，第二耦合线圈108的输出端与第二接收侧补偿电容109的输入端相连接，第二接收侧补偿电容109的输出端与第二整流器110的输入端相连接。第一高频逆变器101的输入端与第二高频逆变器106的输入端并联连接，第一整流器105的输出端与第二整流器110的输出端也是并联连接。
当直流电输入到第一高频逆变器101的输入端，由第一高频逆变器101将直流电逆变为高频交流电，而高频交流电经过第一发射侧补偿电容102输入到第一耦合线圈103，其中，第一发射侧补偿电容102的作用是负责补偿功率传输中的无功功率和滤除高频谐波，而第一耦合线圈103的作用是负责将电能从发射侧传输至接收侧，然后接收端的电能经过第一接收侧补偿电容104输入到第一整流器105的输入端，其中，第一接收侧补偿电容104的作用是负责补偿功率传输中的无功功率和滤除高频谐波，而第一整流器105的作用是将高频交流电整流为直流电。
在本申请一些实施例中，耦合线圈的发射线圈外侧、接收线圈外侧均固定有平面磁片，平面磁片为锰锌铁氧体材质。
作为一种可能实施的示例，耦合线圈的发射线圈外侧以及接收线圈外侧固定有平面磁片，平面磁片可以是锰锌铁氧体，以减小无线充电过程中的漏磁场问题，提高无线充电***的功率传输能力。需要说明的是，与发射线圈对应的平面磁片，固定在发射线圈远离接收线圈的一侧；与接收线圈对应的平面磁片，固定在接收线圈远离发射线圈的一侧。
根据本申请实施例的串联-串联型补偿无线电能传输***，通过将多个无线电能传输模块并联设置，满足了无线电能传输***的大功率输出需求，同时降低无线电能传输***耦合线圈上较高的电应力，减小了单个耦合线圈的尺寸，进而充分利用现有的单台无线电能传输***实现模块化的大功率输出。
图2为本申请实施例中提出的一种串联-串联型补偿无线电能传输***的参数配置方法流程图。
如图2所示，该串联-串联型补偿无线电能传输***的参数配置方法，包括：
步骤201，基于每个高频逆变器的输出电压和每个高频逆变器的输出电流，建立每个高频逆变器阻抗的计算关系式。
步骤202，基于阻抗计算关系式，获取高频逆变器阻抗的虚部。
步骤203，获取多个耦合线圈各自的自感值和多个耦合线圈之间的互感值。
步骤204，将高频逆变器阻抗的虚部设置为0，基于获取多个耦合线圈各自的自感值和多个耦合线圈之间的互感值，分别确定发射侧补偿电容的电容值和接收侧补偿电容的电容值。
需要说明的是，为满足无线电能传输***的大功率输出需求，同时降低无线电能传输***耦合线圈上较高的电应力并且减小单个耦合线圈的尺寸，提出串联-串联型补偿无线电能传输***，可以充分利用现有的单台无线电能传输***实现模块化的大功率输出。但是多个无线电能传输模块并联需要解决耦合线圈的同侧磁耦合对功效特性的不利影响，需要通过对补偿网络的参数设置，消除同侧磁耦合对多个无线电能传输模块并联导致的耦合线圈之间互感。
作为一种可能实施的示例，如图1所示，Lp1为第一耦合线圈103发射侧的自感，和Ls1为第一耦合线圈103接收侧的自感，Lp2为第二耦合线圈108发射侧的自感，Ls2为第二耦合线圈108接收侧的自感，Mp1s1为Lp1与Ls1的主耦合互感，Mp2s2为Lp2与Ls2的主耦合互感，Mp1p2为Lp1与Lp2的同侧耦合互感，Ms1s2为Ls1与Ls2的同侧耦合互感，Mp1s2为Lp1与Ls2的交叉耦合互感，Mp2s1为Lp2与Ls1的交叉耦合互感。
补偿网络参数配置的作用有三个方面，一是保证第一高频逆变器101和第二高频逆变器106的等效输出阻抗为纯阻性，二是补偿无功功率，三是消除两台串联-串联补偿无线电能传输***同侧磁耦合Mp1p2和Ms1s2对***特性的影响。传统的补偿网络参数配置方法仅通过补偿耦合线圈的自感而没有考虑同侧磁耦合Mp1p2和Ms1s2的影响，导致第一高频逆变器101和第二高频逆变器106的等效输出阻抗为非纯阻性，从而无法使***工作在谐振状态。本发明通过求出考虑同侧磁耦合的第一高频逆变器101和第二高频逆变器106的输出阻抗，并令输出阻抗的虚部为零，则可得下式：
其中，Ui1和Ui2分别为和逆变器的输出电压，Ip1和Ip2分别为和逆变器的输出电流，imag()代表取虚部，ω为谐振角频率，单位为rad/s，j为虚数单位，Cp1为第一发射侧补偿电容的电容值，Cs1为第一接收侧补偿电容的电容值，Cp2第二发射侧补偿电容的电容值，Cs2为第二接收侧补偿电容的电容值。
求解式(1)可得Cp1、Cs1、Cp2和Cs2的参数配置方法为式(2)：
在以上各式的求解中，由于第一高频逆变器101和第二高频逆变器106输出阻抗的虚部为零，因此各逆变器的输出阻抗为纯阻性，不存在感性或容性无功功率，也消除了同侧磁耦合Mp1p2和Ms1s2对***特性的影响。
根据本申请实施例的串联-串联型补偿无线电能传输***的参数配置方法，考虑了同侧磁耦合的影响后，基于串联-串联补偿无线电能传输***的和逆变器输出阻抗的虚部为零，因此输出阻抗为纯阻性；另外，考虑同侧耦合互感Mp1p2和Ms1s2的补偿网络参数配置补偿了***中的无功功率，即此时***不存在感性或容性无功功率，可提高输出功率和传输效率；另外，第一高频逆变器和第二高频逆变器的等效输出阻抗为纯阻性，组成各逆变器的开关管可以实现零损耗开关，即此时各逆变器容易实现软开关。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种串联-串联型补偿无线电能传输***，其特征在于，所述***包括多个无线电能传输模块，所述多个无线电能传输模块并联连接，所述多个无线电能传输模块均包括高频逆变器、发射侧补偿模块、接收侧补偿模块、耦合线圈和整流器，其中，
所述多个高频逆变器的输入端之间并联连接；
所述多个整流器的输出端之间并联连接；
每个所述高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈的输入端连接，每个所述耦合线圈的输出端均与所属同一无线电能传输模块的整流器的输入端连接；
每个所述高频逆变器的输出端均与所属同一无线电能传输模块的耦合线圈输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块；
每个所述耦合线圈的输出端与对应的所述整流器的输入端之间的线路上均连接有一个补偿模块。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述多个耦合线圈贴合设置。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每个高频逆变器的输出端均包括高频逆变器第一输出端和高频逆变器第二输出端，每个所述发射侧补偿模块包括发射侧补偿电容，每个所述耦合线圈的输入端包括耦合线圈第一输入端、耦合线圈第二输入端，其中，
每个所述高频逆变器第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述发射侧补偿电容的第一端连接；
每个所述发射侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述耦合线圈第一输入端连接；
每个所述高频逆变器的第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述耦合线圈第二输入端连接。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，每个所述高频逆变器均包括两个逆变桥臂，每个所述逆变桥臂均包括两个逆变子模块，每个所述逆变子模块均包括开关管和二极管，其中，
所述多个高频逆变器的输入端之间并联连接；
所属同一无线电能传输模块的两个所述逆变桥臂并联连接，所属同一逆变桥臂的两个逆变子模块均串联连接，所属同一逆变子模块的二极管与开关管反向并联连接；
每个所述逆变桥臂的两端均与直流电源的两端并联连接；
每个所述耦合线圈第一输入端均与所属同一无线电能传输模块的所述发射侧补偿电容的第二端连接，每个所述发射侧补偿电容的第一端均通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的其中一个所述逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上；
每个所述耦合线圈第二输入端通过线路连接于所属同一无线电能传输模块的另一个所述逆变桥臂均的两个逆变子模块之间的线路上。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每个所述整流器的输出端均包括整流器第一输入端和整流器第二输入端，每个所述接收侧补偿模块均包括接收侧补偿电容，每个所述耦合线圈的输出端均包括耦合线圈第一输出端、耦合线圈第二输出端，其中，
每个所述耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述接收侧补偿电容的第一端连接；
每个所述接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流器第一输入端连接；
每个所述耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流器第二输入端连接。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，每个所述整流器均包括整流桥，其中，
所述多个高频逆变器的输出端之间并联连接；
每个所述耦合线圈第一输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述接收侧补偿电容的第一端连接；
每个所述接收侧补偿电容的第二端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流桥的第一输入端连接；
每个所述耦合线圈第二输出端均与所属同一无线电能传输模块的所述整流桥第二输入端连接。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，每个所述整流器还包括储能电容，其中，
每个所述储能电容的第一端均与所属同一整流器的所述整流桥的第一输出端连接；
每个所述储能电容的第二端均与所属同一整流器的所述整流桥的第二输出端连接。
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