基于传统双LCL型WPT系统的改进型无线电能传输系统研究设计.docx

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1、基于传统双1C1型WPT系统的改进型无线电能传输系统研究设计O引言WPT技术近几年来受到了国际和国内学者的广泛关注，未来具有明确的实用价值和广阔的应用前景，可以带来显著的经济和社会效益。为适应不同的要求，国内外提出了一些新型的补偿拓扑，其中，双1C1型WPT系统的研究最为突出。由于其具有系统谐振工作频率稳定、原边发射线圈电流恒定以及系统输出电流恒定等优良特性，可在电动汽车充电、桌面多负载供电等场合进行大规模应用。但是，在系统轻载时，逆变器输出电流畸变严重，针对此问题，本文提出串联1C滤波器的改进方法,并通过仿真与实验验证此改进方法降低了逆变器输出电流的谐波畸变率。1双1C1型WPT系统工作原理

2、分析图1为双1e1型WPT系统的电路等效模型，其中，Ud为直流电压源；SS4为IGBT,D1D4分别为其反并联二极管;1p、1S分别是原、副边线圈的自感，M为其互感；1UC1分别为原边补偿电感、原边补偿电容;12、C2分别为副边补偿电感、副边补偿电容；UiaIin分别是逆变器输出电压、输出电流；Ip、IS分别是原边线圈电流、副边线圈电流；R为系统等效电阻负载；I。为系统输出电流。系统工作频率为f,其中，f为系统谐振工作频率。通过文献5中理论分析可知，当图1中各系统参数满足如（1）关系式他)=2iocoo=1/71P(：i0=11G(D1I=1PG=1可求得原边线圈电流4、系统输出电流/0以及逆

3、变器输出系统总阻抗Zn分别为：p=-(2)o=jT-(3)5)1I1iiZin=(-O-/;)C.列彳4)由式(2)、式(3)分别可以看出原边线圈电流IP的大小、系统输出电流Io的大小均与系统等效电阻负载R的大小无关，可以说明系统具有原边线圈恒流特性以及系统输出电流恒定的特性。同时，由式(4)可以看出逆变器输出系统总阻抗Zin始终呈现纯阻性，即，系统等效电阻负载R的改变不会影响系统的固有谐振工作频率，系统具有稳频特性。前文分析是基于逆变器输出电压Uin的基波成份进行的，并未考虑逆变器输出电压的谐波分量。传统双1C1型WPT系统采用电压型全桥逆变电路，在驱动电路180。导通方式控制的情况下，逆变

4、器输出电压Uin的表达式为：44Min=TrIsin+-sin3/+y-sin5+其中,=20为了分析逆变器输出电压的谐波分量对双1C1型WPT的影响，本文以3次以及5次谐波电压为例，以下将展开具体分析。在基波电压作用下系统二次侧总阻抗Z21为：2i=;j1aP,1zc2R+j312其反射到系统一次侧的总阻抗ZH为:(6)()2.Z2.3M)2;j,aP：;-+j+j03(17)jc+z同理，可以求得逆变器输出电流的3次谐波分量和5次谐波分量分别为：4,Jrf13=j31f1+(18)j3Cn+j3o+j3C+j3p+Zr3inf15=j5f1+(19)j5Cn+，/，+j5C1+-式(13)

5、所示。由此可以求得改进型系统逆变器输出电流的谐波畸变率THD为：(20)THD=(4闻3)2+(/15厂5(b)所示。(a)原系统(b)改进力系统，图5不同系统的逆变器输出电流仿之危从图5中可以看出，改进后系统的逆变器输出电流波形相较于原系统的逆变器输出电流波形较为平滑，直观上可以看出改进型系统取得了较好的效果。对图5中的所有波形分别进行傅里叶分析得到其谐波柱状图如图6所示。THD=I5.75%，2345678910谐波次数1(8642WyJ客Ioo80THD=4.34%2345678910谐波次数(a)原系统(b)改讲7系蔚一图6不同系统的逆变器输出电流谐波NN图从图6可以看出，相较原系统，

6、改进型系统总谐波畸变率下降了70.27%,从数据上可以看出，改进型系统均可以取得较好的效果。3.2实验分析根据表1中的实验参数以及图1、图3分别搭建实验平台。当选取负载电阻为10。时，原系统以及改进型系统的逆变器输出电流波形分别如图7(a)、7(b)所示。(a)原系统图7的改吃!需一不同系统的逆变器输出电流实/城形从图7可以看出，改进型系统的逆变器输出电流实验波形比原系统的逆变器输出电流实验波形要平滑，可以取得较好的效果，与前文理论分析以及仿真分析相吻合。使用FIUkeNorma4000高精度功率分析仪对实验平台的效率进行测试，并将结果绘制成折线如图8所示。从图8中可以看出，改进型WPT系统比原系统均具有较高的传输效率，而且在系统轻载时尤为明显，说明改进型系统能提高系统整体效率，具有明显的有益效果。4结论在此对传统双1C1型WPT系统存在的逆变器输出电流在系统轻载时畸变较为严重的问题进行了理论分析，分析了导致此问题的根本原因，基于此提出了一种改进型方法，并分别从理论分析、仿真以及实验验证三个方面证明了两种改进方法的有效性。改进方法能较好的解决传统双1C1型WPT系统存在的问题，对于改善逆变器输出电流波形、减小逆变器开关损耗从而提高系统效率均能取得较好的效果。