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专利号: 2018105922460
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,系统包括原边侧和副边侧,其中原边侧的组成是:直流电源、逆变器、原边补偿电容、原边线圈依次相连;副边侧的组成是:与原边线圈松耦合的副边线圈、副边补偿电容、整流桥、负载依次相连,其特征在于:所述方法步骤为:

步骤(1)、推导得出串联补偿拓扑IPT系统电压增益表达式,并分析系统在不同参数配置下电压增益随耦合线圈间互感的变化特性;

步骤(2)、通过测量得到所优化IPT系统的基本参数,并设定系统参数优化条件;

步骤(3)、根据步骤(1)所求的串联补偿拓扑IPT系统电压增益表达式与步骤(2)中的测量所得基本参数与设定的系统参数优化条件,采用枚举法的参数优化方法,在保证系统开关管工作在零电压开关状态下,求取系统原副边电路的最优参数配置;

所述参数优化方法步骤(3)具体为:

设定标准电压增益值并根据公式(12)得出电压增益波动范围,其中,GVup、GV1o分别为电压增益波动上下限值:

其中,电压增益波动比例±a%,在所设原副边电路电抗系数α、β取值范围内选取一对α、β后,根据步骤(1)中推导的电压增益公式与步骤(2)中测量所得基本参数绘制出不同负载下电压增益随互感系数的变化曲线,结合该曲线求取互感系数可允许变化区间,GVmax为系统最大电压增益,当GVup>GVmax时,由判据(13)求得所有满足电压增益波动范围的互感系数点,进而得到互感系数可允许变化区间[λmin,λmax]与对应区间长度Δλ,其中,λ为互感系数,且λ>0,

GV(λ0,Rmin)≥GVlo&GV(λ0,Rmax)≤GVup     (13),其中,Rmin为最小负载电阻,Rmax为最大负载电阻,在同一点λ0处,电压增益最大值为GV(λ0,Rmax),最小值为GV(λ0,Rmin),当GVup

2.根据权利要求1所述的基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,其特征在于:所述参数优化方法步骤(1)具体为:步骤(11)、推导得出串联补偿拓扑IPT系统电压增益表达式:定义UP、US分别为逆变器输出电压与整流桥输入电压,IP、IS分别为原副边电路电流,LP、LS分别为原副边耦合线圈自感,CP、CS分别为原副边电路补偿电容,M为原边线圈与副边线圈间互感,R为交流侧等效负载,列写串联补偿拓扑IPT系统简化基波等效电路的KVL方程,以输出电压UP为参考相量,即 可得:其中,Z11、Z22分别为原副边耦合线圈串联补偿电容后的等效电抗值,Z12为原边线圈与副边线圈间互感M对应电抗值, 为原边电压向量, 为原边电路电流向量, 为副边电路电流向量,求解(1)式可得原边电路与副边电路的电流表达式:进一步求得输出电压表达式如公式(3),并计算出电压增益表达式如公式(4):设系统参考电抗值为X0(X0>0),则Z11、Z22、Z12可分别表示为:其中,将表达式(5)带入电压增益表达式(4),并进行化简后可得电压增益绝对值表达式(6):

步骤(12)、分析系统在不同参数配置下电压增益随耦合线圈间互感的变化特性:当电路处于完全谐振状态时,进行输出特性分析:当电路完全谐振时,电抗Z11、Z22为0,对应α=β=0,代入表达式(6)得出系统完全谐振时电压增益表达式:可得在负载固定时,电压增益GV0与互感系数λ呈反比;同时,在负载变化情况下,不同负载下电压增益随互感系数的变化曲线没有交点,当电路处于非谐振状态时,进行输出特性分析:在电路非谐振状态下,即α≠0,β≠0,对电压增益表达式(6)关于λ求导,并令其导数为0,求解得唯一正根,即电压增益的极值点:进一步分析得电压增益的单调性:

得出在负载固定时,电压增益在[0,λd]随互感系数增大而增大,之后便随互感系数增大而减小,在λd点取得最大值,在负载变化情况下,其余参数确定时,极值点λd的值随负载值R增大而增大。

3.根据权利要求2所述的基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,其特征在于:所述参数优化方法步骤(1)中对系统电压增益的表达式进行化简可得:当 时,GV=λ/α,即在该 点处电压增益不受负载影响,为电路的恒电压输出点,当 时,在其余参数相同的情况下,电压增益GV随负载值R增大而增大,因此当负载变化范围为Rmin~Rmax时,可推出电压增益的最大值在λd(Rmax)处取得,即:GVmax=GV(λd(Rmax))     (11)。

4.根据权利要求1所述的基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,其特征在于:所述参数优化方法步骤(2)具体为:对系统的耦合机构进行测量,得出原副边耦合线圈自感LP、LS,以及系统耦合机构在沿水平方向、垂直方向偏移过程中互感的变化区间并设定标准互感系数值,同时,设定系统参数优化条件:原副边电路的电抗系数α、β与互感系数λ的取值范围、电压增益波动比例±a%和标准电压增益值GVopt取值范围及负载R波动范围,上述α、β、λ、±a%、GVopt、R参数取值范围的确定依据及取值特点为:

1)参考电抗值X0与互感系数λ范围的确定依据为:首先,通过测量得到系统耦合机构的最大互感值,并计算出该最大互感值对应的电抗值Xm,则标准参考电抗值设定为X0=Xm/1+n(0

2)其余参数的取值特点为:对于α、β、GVopt这三个枚举参数,可根据系统对非谐振程度与电压增益取值的实际限制要求进行设置,当枚举边界值设置越宽,得到的最优参数取值越具全局最优性,对于电压增益波动比例a,可根据系统对输出平稳性的要求进行设定,对输出平稳性的要求越高,可将a的值设置得越小,对于交流侧等效负载R,可根据系统在运行过程中负载值的实际波动范围进行设定。

5.根据权利要求2所述的基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,其特征在于:所述参数优化方法步骤(3)还包括判断得到的最优α、β取值能否保证系统阻抗呈感性步骤,步骤具体为:首先系统阻抗Zinv可由公式(14)求出:将表达式(5)带入公式(14)中得:阻抗虚部为:

要使阻抗呈感性,即其虚部为正,需满足以下条件:进一步推导得最优α、β满足的表达式为:经判断若最优α、β取值满足表达式(18),则该最优α、β值能使系统输入阻抗呈感性,满足零电压开关条件,若不成立,则选取互感系数区间长度次大的情况,重新对α、β取值进行判断,直到其值满足零电压开关条件,得到最优原副边自阻抗系数αopt、βopt,对应GVopt为最优标准电压增益值opt(GVopt),对应[λmin,λmax]为最优互感系数区间Max[λmin,λmax],再根据表达式(19)计算出该系统原副边最优补偿电容值CPopt、CSopt,以此对系统补偿电容参数进行配置:

其中,ω为频率。

6.根据权利要求5所述的基于串联补偿拓扑IPT系统的电路参数优化方法,其特征在于:根据表达式(18)判断最优α、β取值的具体过程为:表达式(18)中,若α、β取值状态为②,即原边电路呈感性副边电路呈容性,对应不等式恒成立,若α、β取值状态为③,即原边电路呈容性副边电路呈感性,对应不等式恒不成立,若α、β取值状态为①或④,则需要代入具体α、β取值,判断该①或④相应不等式是否成立。