非接触电能传输系统的负载识别算法研究

1、非接触电能传输系统的负载识别算法研究孙跃1，2 黄卫1 苏玉刚1，2（1.重庆大学自动化学院 重庆 4000442.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 400044）摘要：非接触电能传输系统中，负载的大小及性质对于系统的稳定性以及品质有非常重要的影响，实时甄别负载对于实现系统的稳定运行和优化控制有着十分重要的意义。本文从系统初级回路导轨支路和次级回路整流网络前端参数变化情况入手，分别就负载为阻性和阻感性两种情况进行了负载识别技术及算法进行了分析，并对系统处在这两种不同性质负载情况进行了仿真研究，实现对负载的识别。关键字：非接触;负载识别;并联谐振;等效负载Study of load

2、identify algorithm of contactless Power Transmission systemSun yue1，2 Huang wei1 Su yugang1(Chongqing University Chongqing 400044 Chinaphotoelectricity technology and system Ministry of Education key laboratory of Chongqing University chongqing 400044 )Abstract: Contactless power transmission system

3、, the size and nature of load is very important to the systems stability and quality. timely screening load is very significance for the achievement of stable operation and optimizing control of the system. This paper from the slip road track of the primary circuit and the front of sub-network recti

4、fier circuit current and voltage and the change of phase angle between them, respectively on the load for anti- and the anti- perceptual two kind situations has carried on carried on the load recognition technology and the algorithm, analysis the system under the two different load nature of the sim

5、ulation study, realize the load identification.Key words: contactless ；load identify ；parallel resonance；equivalent load1 引言非接触电能传输系统综合利用电磁感应耦合技术、高频电力电子逆变技术以及现代控制技术子技术实现了电能的非接触传输。它克服了传统供电方式带来的冲击、电火花、磨损等一系列缺点和不足，实现了既可以为静止设备，也可以为移动设备的非接触供电。其系统原理图如图1所示，单相工频交流电经过整流、逆变后转换成高频电流供给导轨，次级线圈接收能量后经过谐振补偿、整流变换后提供

6、给负载。 图1 非接触系统构成原理图 Fig .1 The general structure of loosely coupled ICPT system在非接触电能传输系统中，初级回路与次级回路具有相同的运行频率。但是，我们发现在实际系统中，负载发生变化时会引起初级回路的谐振频率发生变化使得整个初级回路的阻抗性质发生了变化，同时次级回路的品质因数发生改变使得系统不能以最大效率进行传输，严重时甚至会影响系统的稳定运行1。本文针对阻性以及阻感性这两种性质的负载，从理论上分析了负载变化对初级回路中导轨支路与次级回路整流前端电压电流以及相位差等可检测参数的影响，从而为负载的动态识别打下了基础。基于

7、Pspice电路的仿真结果验证了该方法的仿真结果。2 系统负载识别算法分析发现，对于非接触电能传输系统，负载变化会直接影响次级回路反射阻抗大小的变化，进而影响导轨支路参量发生变化。因此可以通过先检测出导轨电压电流有效值和它们之间的相位差，计算出导轨支路的阻抗值的大小，再通过其与负载之间的关系，计算出负载大小，达到对负载识别的目的。图2 并联谐振拾取等效电路图Fig . 2 Equivalent circuit diagram of parallelTurned pick-up在对系统负载识别分析之前，为了简化模型，提出以下三点假设：（1）初级回路谐振电容的电压与导轨支路上的电流波形为理想正弦波

8、。（2）电路中的所有电感（，）和二极管中的电流都是连续的。（3）次级回路处于完全谐振状态，负载阻抗的性质为阻性或阻感性。2.1 纯阻性负载的识别算法图2为系统初级回路与次级回路都采用并联谐振模式等效电路图，其中为初级回路的补偿电容，为导轨电感，为导轨等效电阻，为拾取线圈的电感，为补偿电容，为拾取整流网络后端滤波电感，为负载等效电阻。当负载为阻性时，根据前面提出的假设，对次级回路谐振网络后端采用等效电阻来代替，而对次级采用直流等效电路来分析。由于次级回路与初级回路之间只是发射线圈与拾取线圈相互耦合关系3，负载变化对初级回路的影响直接反映在导轨支路上阻抗及阻抗角大小的变化上。因此，我们从初级回路的

9、电路状况开始分析。设系统的谐振频率为，初级回路谐振电容两端的电压为，导轨支路上的电流，为电压与电流之间的相位差。导轨支路的阻抗模为 (1）副边反射阻抗为 (2)由文献3可知，次级回路阻抗与反射阻抗之间的关系为 (3)次级回路阻抗为 (4） 式中为整流网络前端的等效电阻。从图2中可以看出由于整流网络后端滤波电感的存在，在对纯阻性负载进行识别时，可能会引起对负载大小的错误识别。而由文献4可知在直流稳态电路中电感是当作短路来处理, 这样消除滤波电感的影响，因此对次级回路中整流网络与滤波网络，我们采用直流等效稳态模型来分析。其稳态模型如图3所示。图 3 整流网络与滤波网络稳态模型Fig 3 relia

10、ble model of rectifier network and filter network由文献4可知等效负载与实际负载的关系为 (5）由式（3）（4）（5）推导出负载与导轨支路阻抗检测电压和电流之间的关系式为 (6） 其中 (7) (8) (9)2.2阻感性负载的识别算法当负载表现为阻感性时，前面分析阻性负载时对整流网络和滤波网络采用的方法不再适用，这是因为在直流电路中稳态时电感是当作短路情况来分析的，如果用来分析阻感性负载，只能分析出阻性特征，而不能分析感性特征，为了解决这一问题，决定采用交流小信号模型对系统进行分析，同时为了降低分析的复杂程度，将系统从时域经拉氏变换到S域分析4（

11、原理图参照图2） 设和为检测导轨支路电压与电流值，为电压与电流之间的相位差， 与为次级感应电压和电流。图中为阻感性负载的等效阻抗。导轨支路阻抗： (10)次级回路的反射阻抗 ： (11)又次级回路阻抗与反射阻抗之间的关系为5： (12) 次级回路中整流网络的等效阻抗为 (13)采用交流小信号模型分析，整流网络前端与滤波网络的等效电路如图4所示。 图4整流网络与滤波网络的交流小信号等效电路Fig 4 small ac signal equivalent circuit of rectifier network and filter network其中与为整个次级回路的输入电压和电流，与为整流网络

12、的输入电压与电流，与滤波网络的输入电压与电流。由文中的假设和文献6可知, 次级整流电路可以看成是一个理想的变压器，且匝数之比为： (14）整流网络前端开环输入阻抗为： (15）整流网络的输出阻抗为： (16）由式（12）和（13）可得出： (17）将s=j代入式（14）、（15）、（16）、（17），整理得负载与初级回路导轨支路的电压与电流之间的关系为： (18) 其中 (19） (20） (21） (22）分析表明，负载一定时，系统谐振频率为某一常数，故导轨回路中的电压与电流及相位角也为某特定值，因此式（18）中阻抗与检测导轨电压电流及相位差是一一对应的。3 负载性质判别方法由上面的分析可知

13、负载变化会引起导轨参数发生变化，但是仅通过这些参数的变化是很难识别出负载性质。这是因为不同性质的负载可能引起导轨参数发生相同的变化，从而容易引起对负载性质的误判。从式（5）与（17）可以看出等效负载与真实负载之间是呈线性关系的，根据性质不同的负载其电压与电流的相位差不同的关系，通过检测次级回路整流网络前端的电压电流的相位角，再经过相应的算法判断来实现对负载性质的识别。设次级回路谐振补偿电路后端的电压为，电流为，电压与电流的相位差为，则等效负载为： (23）若由式（23）计算出等效负载为阻性，则真实负载性质为阻性，若等效负载为阻感性，则真实负载为阻感性。对负载识别具体的处理过程如程序流程图5所示

14、。图5 程序流程图Fig 5 Flow chart of the simulation program4.仿真及分析根据以上对阻性负载和阻感性负载的分析，我们分别对系统在这两种负载情况下进行了仿真实验，将在Pspice仿真电路检测到的导轨电压电流和相位差代入到式（6）与（15）中得到的结果与Pspice电路实际负载值进行了对比并做出了分析。采用的仿真系统具体参数如下：=31.6；=2；=0.2；=210；=0.3；=300，M=2310-6。表1、2为负载呈阻性时，系统处于f1=18000HZ（非谐振频率）和f2=20500HZ（谐振频率）下，导轨支路电压、电流及阻抗角与负载的关系（假定导轨电

15、压保持恒定）。表1非谐振频率时阻性负载条件下对负载识别的结果Tab 1 The result to identify load under the condition of non-resonant frequency and resistive load（V）（A）（°）（）（）55.0016.7286.490.13055.0016.5684.069.661055.0014.9876.6848.765055.0013.3076.9097.5310055.0012.1380.02199.0220055.0011.6983.34396.69400表2非谐振频率时阻性负载条件下对负载识别

16、的结果Tab 2 The result to identify load under the condition of resonant frequency and resistive load（V）（A）（°）（）（）55.0014.6686.940055.0014.6384.719.911055.0014.5275.8549.565055.0013.4265.1498.8410055.0012.3245.37196.5220055.0011.4113.60396.38400表3，4为负载呈阻感性时，系统处于f1=18000HZ（非谐振频率）和f2=20500HZ（谐振频率）下，导

17、轨支路电压、电流及阻抗角与阻抗中包含的电阻值以及电感值的关系。表3非谐振频率时阻感性负载条件下对负载识别的结果Tab 3 The result to identify load under the condition of non-resonant frequency and obstruction of emotional（V）（A）（°） （） (mH) () (mH)55.0015.2286.830000.0055.0012.8685.889.330.96101.0055.0013.6684.1649.222.93503.0055.0013.0283.8198.664.8910

18、05.0055.0012.4283.78198.257.012007.0055.0012.4284.52399.568.974009.00表4谐振频率时阻感性负载条件下对负载识别的结果Tab 4 The result to identify load under the condition of resonant frequencyand obstruction of emotional（V）（A）（°）（） (mH) () (mH)55.0012.9587.30000055.0011.9385.369.330.99101.0055.0011.9376.2749.222.96503.

19、0055.008.9664.2698.664.881005.0055.007.9640.65198.256.952007.0055.008.855.59399.568.994009.00(表中是阻性负载的识别大小，为Pspice电路中设定的阻性负载的大小，与为识别出阻感性负载中等效阻抗与电感大小，与为Pspice电路中设定的阻感性负载中等效阻抗与电感大小。)从表中可以看出，当负载为阻性，系统处在谐振频率时导轨电流值变化很小，接近恒流，而负载为阻感性时，导轨电流逐渐递减，且递减的幅度比阻性时要大；当系统处在非谐振频率时，导轨电压与电流的相位差在负载为阻性以及阻感性时都是先减小后增大，但负载为阻性

20、时导轨电流初始值比负载为阻感性时大。表中检测出来的负载与实际的负载之间有一定的误差，经分析表明，次级回路的拾取磁芯与初级回路中导轨线圈之间的耦合程度、导轨线圈的等效电阻和系统的谐振频率的变化都会影响对负载的识别。因此系统必须按要求来设计，尽量减少干扰，以提高对负载识别的准确度。5结论由以上理论与仿真分析可以看出，当系统负载为不同性质负载时，它们对初级回路导轨支路的影响是不相同的，因此可以通过检测原边导轨支路上的电压与电流以及两者之间的相位差，并根据不同性质负载下系统的特性，计算出负载的大小及其性质，实现对负载的识别。参考文献1 武瑛，严陆光，徐善纲.新型无接触电能传输系统的稳定性分析.中国电机工程学报J，2004-