基于S-S型谐振网络的单级双向无线能量传输系统

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无线能量传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)凭借其安全性、便捷性、可实现多种恶劣环境下电能的传输等优势成为了如今的研究热点。特别是近年来,随着电动汽车(Electric Vehicles,EVs)的快速发展以及能源互联网的建立,双向无线能量传输技术(Bidirectional WPT,BD-WPT)在电网与电动汽车能量交互中的应用受到了广泛的关注。这为电动汽车参与电网调度,对建设智能电网,促进社会能源结构的转变都具有重大的意义。目前,实现电网侧工频交流电到谐振网络高频交流电转变的主要方式为两级链式转换(AC-DC-AC),尽管近些年提出了以矩阵变换器作为电网侧的单级结构来实现工频交流电到高频交流电的直接转变(AC-AC)。但从开关管使用数量以及控制策略的复杂性角度考虑,两者所使用的开关管数量较多、损耗较大、无疑会造成系统传输效率的下降、设计成本的增加,并且后者所采用的换向控制策略较为复杂,存在桥臂间短路的风险。针对以上问题,本文提出了一种新型单级结构的双向无线能量传输变换器,解决目前电网侧存在开关管使用较多的问题,并就其工作原理、参数设计、控制策略展开深入的研究。所提出的电网侧新型单级结构为SPWM调制下的电压型PWM全桥电路,以全桥交流侧作为工频交流输入和高频交流输出,该单级结构可在功能上实现复用,一方面实现对电网侧功率因数的校正,另一方面将电网的工频交流电直接转变成高频交流电。相比传统两级变换网络和单级矩阵变换器,其使用的开关器件数量减半;通过对变换器工作原理的分析以及稳态数学模型的建立,推导出了变换器传输功率的表达式,同时给出了采用新型单级变换器后,EV侧充放电电流中存在100 Hz低频分量的解决方法;在变换器控制策略上,采用双闭环双极性SPWM控制方法实现对电网侧输入/输出特性的控制以及采用变移相角控制方法实现对EV侧输入/输出特性的控制。本文在Simulink中建立了所提出变换器以及上述控制策略的仿真模型,并在实验室搭建了一台实验样机。仿真与实验结果相吻合,验证了所提出变换器结构以及控制策略的正确性、有效性。样机平台在85 mm线圈间距下,可实现80 W等级功率的双向传输,传输效率高于90%,并在交流侧实现单位功率因数,以及控制交流电流谐波畸变率(THD)在5%以下。
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