LCC-S型双激励MC-WPT系统互感与负载识别方法及其输出控制策略研究

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基于电磁感应原理的磁感应耦合式无线电能传输(Magnetic Coupling Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术具有灵活,环保,易于维护等优点,在许多复杂的用电场景不仅较传统电缆供电更为安全,且能实现传统电缆供电无法达到的功能要求,经过不断地积累沉淀,现如今,许多生产生活中该技术愈益不可替代。在MC-WPT系统的实际应用过程中,由于工作环境的复杂性,不可避免地会发生互感和负载参数因实际应用需求而变化的情况,这些参数的改变将直接影响系统的输出特性,造成系统在能量传递过程中输出能效发生改变。针对MC-WPT系统在工作过程中互感和负载发生变化的情况,如何进行互感和负载的辨识进而控制系统实现能量的稳定准确输出是目前亟待解决的问题。针对这一问题,目前国内外的一些研究取得了一些成果,但仍存在辨识参数单一,面向的系统简单不实用,辨识控制精度低等问题。本文针对适用于大功率应用场景下的LCC-S型双激励MC-WPT系统进行参数识别方法和输出控制策略的研究,双激励系统较传统单激励系统多了一个原边能量发射线圈,因此较单激励系统多了一个辨识的互感参数,且两原边线圈之间的交叉耦合带来系统高度非线性,参数间强耦合的问题,参数辨识与输出控制不易实现。本文基于阻抗分析法,分析了双激励MC-WPT系统的基本拓扑特性以及参数设计方法,分析了LCC-S的拓扑参数设计方法并基于设计方法搭建了LCC-S型双激励MC-WPT系统,并推导得出了系统的参数配置方法以实现原边双激励线圈之间的互感解耦,分析了互感负载变化对系统输出电压,系统输出功率,系统效率的影响关系。为了实现本文围绕的具有多参数,多线圈,复杂谐振拓扑网络的无线传能系统的参数辨识。基于阻抗分析法,建立了含高次谐波的系统稳态辨识模型,将实际系统的参数辨识问题转化为对稳态模型非线性参数方程的求解问题,在此基础上,提出了基于粒子群算法(PSO:Particle Swarm Optimization)的系统参数辨识方法,给出了PSO算法的具体实现流程,将参数方程求解问题转化为粒子寻优问题。考虑到实际应用需求以及辨识精度问题,分别就互感双参数辨识和互感负载三参数辨识两种参数辨识模式进行研究,构建了相应的适应度函数,给出了辨识方法,并通过在Matlab/Simulink中搭建系统参数辨识仿真模型验证了辨识方法的有效性。为了实现对系统的输出电压以及输出功率的控制,以及在系统参数变化时保持系统恒电压、恒功率的输出,本文结合系统输出电压,输出功率与互感负载的关系,基于PSO参数辨识算法,提出了原边DC-DC变换的系统输出控制方法。并通过在Matlab/Simulink中搭建系统输出控制仿真模型验证了控制策略的有效性。该控制方法所有的硬件电路和实现手段均在原边侧完成,无需原副边通信,降低了系统设计难度,有利于提升系统能量发射端的适用性,在一定程度上提升系统的鲁棒性以及易维护性。基于理论分析和仿真研究,搭建系统实验验证平台,分别对系统参数辨识,输出恒压控制,输出恒功率控制进行了实验验证。实验结果证实了本文所提出的参数辨识方法和输出控制策略的有效性和可行性。
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