基于电流前馈控制的动态无线供电输出波动抑制策略研究

作     者：张百川 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董帅

授予年度：2022年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：动态无线电能传输系统 输出波动抑制策略 三电平Buck变换器 小信号模型 

摘      要：相比于静态无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT),动态WPT技术允许移动设备在运行过程中进行充电,极大地提高了充电效率与灵活性,且越来越向着更高功率等级发展。由于动态磁耦合机构的自身特性与不连续的发射线圈切换过程,系统的输出电压或电流往往会随着设备的运动而不断波动,进而影响到充电效率与电池寿命。因此,本文将应用于大功率场合的三电平Buck(Three Level Buck,Buck TL)作为动态WPT系统接收端DC-DC变换器,对接收端系统输出波动抑制的控制策略进行研究。首先,研究了WPT系统低阶与高阶谐振网络接收端等效电源特性,分析了动态WPT系统中不同谐振补偿拓扑的适用性;之后对Buck TL变换器基本工作原理与稳态特性进行分析,给出了一种可行的飞跨电容平衡控制策略;分别建立WPT系统接收端等效电压源和电流源输入的Buck TL变换器小信号模型,对比分析两种模型的开环与闭环特性,相比恒压源系统,恒流源输入的Buck TL模型阶数为3阶,且存在右半平面零点,因而闭环稳定性更低。其次,以分段线圈型与长导轨型磁耦合机构为例,研究了耦合波动对接收端DC-DC变换器的影响以及输出波动原因;对恒流源输入的Buck TL变换器的闭环特性进行分析,说明了传统比例-积分(PI)控制策略无法有效抑制动态WPT系统输出波动的原因,基于恒流源Buck TL传递函数模型,设计了一种接收端电流前馈控制策略,从理论上说明了该策略在提高系统输出功率稳定性的同时可提升系统暂态性能,并通过仿真验证了所提出控制策略的有效性。最后,研制了动态无线充电Buck TL接收变换器实验样机,从系统拓扑、主功率电路、辅助电源电路、驱动与采样电路方面进行设计;设计了动态WPT系统的静态模拟方案并通过仿真和实验验证该方案可行性;在此方案和实验样机基础上,进行所提出控制策略的2.6k W实验验证,实验结果表明,所提出的控制策略在不影响接收端Buck TL系统效率的同时,相比PI控制,在电阻负载时可将系统输出低频电压纹波由13%降低至4.4%,在电池负载时将系统输出充电电流低频纹波由22%降低至9%,同时暂态实验也证明所提出的控制策略可以提高系统响应速度,提升系统的暂态性能。