基于谐波通讯的无线电能与反向信号同步传输技术

针对现有无线电能与反向信号同步传输(simultaneous wireless power and reverse signal transmission,SWPRST)系统存在较大无功功率、负载电压易受信号传输发生波动或需要额外增加高频信号源等问题,提出一种基于谐波通讯的SWPRST技术,通过利用逆变器输出方波电压中的基波分量传输电能,三次谐波分量传输信号。不需要外加高频信号发射电路,实现了可靠的电能与反向信号同步传输。首先,给出基于谐波通讯的SWPRST系统结构,对其工作模式和基本原理进行分析;接着,建立系统等效数学模型,分析系统参数取值对信号与电能传输之间的互扰影响;然后,对信号的调制解调电路进行设计,分析信号检测通道参数对信号传输速率的影响;最后,搭建实验平台对理论分析进行验证,实验结果表明,该方法在有效实现了无线电能与反向信号同步传输的同时,信号无误码率传输速率可达5 kbps,同时系统具有无功小,输出负载电压几乎无波动(电压波动率0.33%)等优点。该方法采用谐波作为信号载体,为多频利用式实现电能与反向信号同步传输系统提供一种新的思路,具有较好的理论意义与实际工程应用价值。

无线电能传输系统最大效率追踪及恒压输出复合控制方法

针对无线电能传输(WPT)系统的传输效率受耦合线圈之间的互感以及负载影响的特点,该文提出一种基于阻抗匹配技术的最大效率追踪及基于前馈PI控制的恒压输出复合控制方法。首先,对双边LCC型WPT系统的参数和传输效率进行分析,通过调整系统参数优化系统的传输效率。其次,在二次侧使用DC-DC变换器采用阻抗匹配的方法实现最大效率追踪,同时在一次侧采用DC-DC变换器利用前馈PI控制器闭环控制负载端电压实现恒压输出。该方法中,效率追踪和电压控制之间相互独立,互不干扰。此外,该方法还通过系统工作时的电路参数来估算线圈间的互感值,并通过线性拟合的方法对该估算互感值进行修正,得到更精确的互感估算值。最后,通过搭建实验平台验证了该方法的可行性和有效性。与PI控制相比,前馈PI控制方法在快速性和抗扰动性上均具有明显优势。

高抗偏移集成LCC-S型无线电能传输系统研究

为了进一步提高LCC-S型无线电能传输(WPT)系统的抗偏移性能,设计了一种高抗偏移集成LCC-S型的WPT系统。首先,通过对集成LCC-S型电路进行分析,得出集成LCC-S型电路内3个耦合系数与电压增益的关系。其次,在Ansys Maxwell软件上对所选耦合机构进行仿真,初步证明了集成LCC-S型具有优越的抗偏移特性。最后,搭建了一台150 W的实验样机,实验结果证明了集成LCC-S型系统能够在偏移较大范围内实现恒压输出,证明了系统抗偏移特性的有效性。

抗偏移混合拓扑恒流无线充电系统研究

针对电动汽车无线充电系统因偏移导致充电效率降低的实际问题,提出一种新型强抗偏移的恒流无线充电系统。首先,在磁耦合设计上,引入DDQD大解耦线圈有效减缓X、Y两方向偏移耦合系数衰减,通过与DDQ线圈的对比体现所提出的DDQD线圈在抗偏移方面的优越性。然后,在补偿拓扑设计上,通过DDQD线圈将随耦合系数呈不同变化趋势的LCC拓扑和LC拓扑进行串联,使输出功率变化平缓,进一步提高了系统的抗偏移能力,并且使系统具有恒流输出特性。最后,通过仿真实验验证了该方案的有效性,在磁耦合机构发生偏移时,减缓了无线充电系统的线圈耦合系数和传输效率的下降程度,具有一定的现实意义。

光伏阵列输出变化下光伏并网点恒定潮流控制方法

随着可再生能源的大规模并网,光伏系统需要考虑更多控制目标,为此,提出了一种新型光伏并网点恒定潮流控制方法。首先,以分布式输出补偿原理为核心,构建分布式潮流控制结构;其次,利用相似日理论和BP神经网络预测出光伏阵列输出情况,推导出潮流恒定值;然后,以其误差累积量最小、总网损最小为目标,设置目标函数;最后,采用结合非线性递增策略的非线性扩散粒子群算法求解,获取最佳控制参数。结果显示,该控制方法实施70 h后,光伏并网运行网损均值为2.2 kW/h,证明了该方法的实用性。

基于多目标优化理论的耦合无关恒压输出型LCC/S补偿感应电能传输系统

基于传统完全谐振参数设计方法的感应电能传输(IPT)系统只有在发射线圈和接收线圈完全耦合时才能表现出最佳性能。实际的IPT系统多为变耦合系统,耦合系数变化可能导致输出电压大范围波动和效率降低等问题。该文提出一种基于多目标优化理论的补偿拓扑参数设计方法,在耦合系数和负载变化的情况下仍然可以获得相对恒定的输出电压且能够高效运行。首先,利用基波近似分析法建立LCC/S补偿IPT系统的系统方程。其次,以补偿参数为优化变量,以减小输出电压波动、提升系统效率为优化目标,以电感最大通过电流、电容最大承受电压和零电压开关为约束条件建立多目标优化模型。然后,利用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解所建立的多目标优化模型,并得到Pareto最优解集。最后,根据实际需要,从Pareto最优解集中选择合适的补偿方案,并进行仿真分析和实验验证。实验结果表明,优化方案的电压波动率(VFR)约为传统方案的45%,且优化方案的最低传输效率(87.5%)仍大于传统方案的最高传输效率(86.3%)。该方法可用于优化满足耦合和负载无关恒定输出、高效率、零电压开关等特性的补偿拓扑。

动态无线充电系统功率波动抑制技术研究

设计了一种新型的双通道动态无线充电系统耦合机构,以解决动态无线充电系统在分段式发射导轨切换处的功率跌落问题。通过LCC-LCC型补偿拓扑,设计了两路能量传输通道,利用LCC-LCC补偿拓扑的恒流特性,推导了系统输出以及损耗与两通道耦合参数之间的关系,实现了较为稳定的功率传输,提升了系统的抗偏移特性以及抗跌落能力。最后对所提方法进行了仿真和实验,验证了双通道动态无线电能传输方案的可行性。

多中继无线供电系统线圈-电路参数优化设计研究

多中继无线供电系统包含线圈自感、互感、内阻、工作频率、补偿电容等众多设计参数。在满足负载功率需求的前提下,如何优化这些参数来设计系统输入输出特性并提升系统效率仍不明确。为此,该文以系统传输效率最优为目标,以同时实现恒压输出和零相角(zero phase angle,ZPA)输入特性为约束条件,提出了一种多中继无线供电系统线圈-电路参数优化设计方法。首先,基于二端口网络模型分析了恒压输出和ZPA输入的实现条件,以及传输效率的关键影响因素;其次,基于耦合系数与品质因数乘积指标对宽频率范围内的线圈最优匝数进行了分析;并根据所得到的最优线圈参数,提出了考虑恒压输出与ZPA输入特性的系统电路参数优化设计方法;最后,基于优化的线圈和电路参数搭建了一套五线圈无线供电系统样机,对线圈特性、输入输出特性以及系统效率进行了实验,验证了所提出参数优化设计方法的有效性。

微电网恒输出功率“光伏+储能”系统的功率和储能容量研究

在电网有充电限制的条件下,根据“光伏+储能”系统需在每天固定时间段内恒定输出功率的要求,提出了一种通过综合考虑“光伏+储能”系统平准化度电成本和净现值收益率来分步确定此类系统最大恒输出功率及储能容量的方法,并以某项目为例,利用MATLAB软件进行了模拟仿真验证。仿真结果表明:所述计算方法有效解决了微电网恒输出功率要求下储能设备容量选择问题。该方法可作为解决同类型问题的参考。

实现3kW功率与50Mb/s速率的电能-数据同步无线传输的解耦设计技术

相较于传统注入式同步无线电能和数据传输(Simultaneous Wireless Power and Data Transfer,SWPDT),“共口径”SWPDT方案具有电能传输功率大、转换效率高、数据传输速率高、可靠性好的优点。针对共口径集成后高压大功率电能传输通道与通信链路强耦合导致通信速率下降乃至失败的问题,结合D型传能松耦合变压器,提出基于耦合电感的双边LCC拓扑、DD型通信线圈及滤波网络协同设计的解耦设计技术,实现传能线圈谐波优化和电能-通信空域解耦,提升了通信链路通带阻抗匹配和带外抑制能力,增强了与传能线圈的频域解耦。分析了功率传输链路和数据传输链路的设计及解耦实现原理,构建了一台270 V输入、270 V/3 kW恒压输出、传能30 mm的SWPDT原理样机。实验结果证明了所提解耦设计技术的可行性和先进性,在实现94.89%电能转换效率的同时可实现50 Mb/s的高速数据同步传输。

新型恒流量钻井泵活塞运动规律研究

针对以曲柄连杆机构作为动力端的钻井泵,吸入与排出管路存在较大的流量和压力波动,从而导致一系列不利影响,提出采用凸轮传动机构作为恒流量钻井泵的动力端,并选择摆线运动规律与等速运动规律组合(即摆线加速-等速-摆线减速)作为凸轮机构恒流量钻井泵活塞拟定运动规律。既发挥摆线运动规律的位移、速度、加速度连续的优点,又发挥等速运动规律中加速度幅值为零的优点,可实现流量恒定、压力无波动的输出特性。根据活塞运动规律表达式进行综合评价分析,结果表明:既无刚性冲击也无柔性冲击,最大无量纲跃动度幅值JM、最大无量纲扭矩TM均减小,有利于提高恒流量钻井泵工作稳定性和可靠性,显著改善钻井泵的运动与动力性能。

基于频率切换的LCC-S型IPT系统恒流/恒压输出研究

为实现感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)系统在变负载条件下的恒流/恒压高效输出,提出一种基于频率切换的LCC-S型IPT系统参数配置及优化方法。从LCC-S补偿拓扑入手,分别得到系统恒流或恒压零相位角(Zero Phase Angle,ZPA)输出的条件方程,并推导了电流增益、电压增益与系统参数之间的定量关系;进一步通过定义系统的输出增益比,分析了恒流/恒压模式下输出增益、负载电阻与整体效率的关系;在此基础上,通过选取最佳的输出增益值,使得系统整体效率达到了全局最大化。仿真结果表明,负载电阻在3~300Ω的变化范围内包括恒流/恒压模式切换瞬间都能保持稳定的输出,并且恒流/恒压模式下均能实现ZPA运行,同时系统整体效率都维持在90%以上。

能馈型功率因数可调单相交流电子负载设计

交流电子负载作为电源测试不可或缺的设备之一,主要用于模拟真实环境中的各种负载。文中根据能馈型功率因数可调单相交流电子负载性能需求,提出基于UCC28019的能馈型功率因数可调单相交流电子负载总体设计方案。以STM32F103C8T6为控制核心,设计了PFC校正电路、PFC调整电路、辅助供电电路、SPWM驱动电路、逆变电路、保护电路。基于移相控制策略构建了电压闭环控制链路,实现了系统功率因数可调和恒压稳定输出。通过搭建样机实验装置,验证了系统方案的可行性。

单级式无线电能传输实验平台建设

目前的无线电能传输系统一般为多级功率变换结构,存在可靠性低、成本高、传输效率低、功率密度低等问题,极大地影响了这一技术的应用普及。该文提出一种基于Boost全桥AC-AC变换器的单级式全桥无线电能传输供电方案,并通过建立实验平台进行了验证。文章介绍了该单级式无线电能传输供电方案的电路结构、工作原理、相应的调制方式及具有恒压输出特性的S-LCC补偿网络,对系统主电路参数及磁耦合器进行了设计,搭建了系统仿真模型,借助仿真结果建立了实验平台,最后通过实验验证了所提方案的正确性。该综合实验平台包含的硬件和多种软件,可用于电力电子教学。

额定风速以上风力发电机组的恒功率H∞鲁棒控制

风力发电机组由于机械结构以及电气负荷承受能力的限制存在着转速限制和功率限制,额定风速以上时,需要通过控制桨距角来实现额定恒功率输出,同时保持转速在额定转速处.本文建立了风力发电机组的详细机理模型,将H∞控制理论应用到额定风速以上时风力发电机组的恒功率输出的控制器设计,建立了标准H∞恒功率控制问题.利用LMI方法求解,得到了桨距角的H∞控制器.仿真结果表明该H∞控制器能够成功实现额定风速以上时的恒功率输出控制,并且具有良好的鲁棒性.

具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器

针对直流测试电源等宽范围的应用场合,提出一种具有恒功率特性的输出宽范围可调的变结构DC-DC变换器,该变换器是对传统隔离型直流变换器的拓展,由多级可串并联输出的单元模块嵌套组成。详细阐述变换器的基本结构、工作原理和工作序列,研究恒功率控制策略和平滑切换控制策略及通用的系统模型。并以某级嵌套为例,进行实验研究和同类变换器的对比分析,结果验证了理论分析的正确性和可行性,以及该变换器在宽范围领域应用的优越性。

定功率下加热器端差对机组热经济性的影响

定功率分析机组的热经济性有非常重要的意义。该文基于热力系统矩阵热平衡方程式与热耗变换系数的理论,通过严密的数学推导,建立了定功率条件下加热器端差对机组热经济性影响的简易数学模型。该数学模型考虑了热力系统的结构特点和辅助汽水系统的影响,并分别针对不同类型的加热器及在加热器之间采用不同连接方式时对机组热效率与加热器端差之间的依变关系进行了讨论。以某600MW机组为例,分别计算了其各级加热器端差增大2℃对机组热经济性的影响。研究表明,加热器端差对机组热经济性的影响可以用端差大小、热耗变换系数及相关的流量系数来描述。

液压型风力发电机组的转速和转矩解耦控制

以液压型风力发电机组为研究对象,输出高质量电能为研究目标,针对机组存在的转速和转矩解耦问题展开研究。建立定量泵-变量马达液压传动系统数学模型。从液压传动系统出发,探究影响机组电能输出质量的关键因素,分析该多输入-多输出系统存在的耦合问题,并采用前馈解耦补偿控制方法解耦。分析变量马达和比例节流阀对液压系统输出转速与转矩的控制规律,得到基于高电能质量控制的转速和转矩解耦控制器。以30kVA液压型风力发电机组半物理仿真实验台为基础,针对提出的控制方法展开研究。仿真和实验结果表明:液压型风力发电机组输出的转速和转矩实现了解耦控制,有效地实现了液压传动系统的稳速控制和传输功率波动的平滑控制。研究结果为液压型风力发电机组高质量电能输出控制和电网友好性能提高奠定了基础。

恒功率输入恒流输出的电容器充电电源

常规恒流充电电源输入端的功率随着输出电压的升高而逐渐增加,充电结束时输入端的功率由最大值迅速降为0,不仅需要电网能够提供近2倍于平均值的峰值功率,还会造成电网电压的波动,特别是在重复频率与工频接近的大功率应用场合时,可能造成电网滤波系统的振荡,影响供电可靠性和干扰其他用电设备。提出了一种带有储能环节的电路拓扑,使得在对负载恒流充电期间,输入端的功率保持在平均功率水平。充分利用了串联谐振电路断续工作模式的特点,无需辅助变换器,仅通过双向开关对电流的控制,可将充电初期多余能量存储到储能环节,并在充电后期逐渐将此能量向负载释放,在充电启停时刻储能环节的净增能量为0。将上述拓扑电路添加到基于DC-link的恒流充电电源中,进行了分析和控制参数推导,并在输出电流8A、最高输出电压5kV的电源上进行了实验,结果表明:充电期间直流母线提供的电流基本稳定,幅值为常规方案中最大母线电流的一半左右。

风轮机桨距角的数据驱动预测控制

数据驱动预测控制方法是数据驱动和预测控制相结合而产生的一种新型控制策略。传统的模型预测控制(MPC)方法使用的预测模型一般都是近似线性系统预测模型。在具有强非线性的工业过程中,数据驱动预测控制方法对系统模型要求更低,控制效果更好。针对额定风速以上风轮机桨距角的控制问题,利用输入输出数据在线设计控制器,将数据驱动预测控制方法较好的应用于风力发电系统中,实现额定风速以上系统的恒功率控制。仿真结果表明该方法能够成功控制风轮机桨距角,达到系统恒功率输出的控制目标,同时保持转速在额定值附近。