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基于多目标优化理论的耦合无关恒压输出型LCC/S补偿感应电能传输系统

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电工技术学报 2023年第24期38卷 6565-6580页

作者：焦超群杨旭杨俊峰魏斌吴晓康北京交通大学电气工程学院北京100044 中国电力科学研究院有限公司北京100192

基于传统完全谐振参数设计方法的感应电能传输(IPT)系统只有在发射线圈和接收线圈完全耦合时才能表现出最佳性能。实际的IPT系统多为变耦合系统,耦合系数变化可能导致输出电压大范围波动和效率降低等问题。该文提出一种基于多目标优化... 详细信息

基于传统完全谐振参数设计方法的感应电能传输(IPT)系统只有在发射线圈和接收线圈完全耦合时才能表现出最佳性能。实际的IPT系统多为变耦合系统,耦合系数变化可能导致输出电压大范围波动和效率降低等问题。该文提出一种基于多目标优化理论的补偿拓扑参数设计方法,在耦合系数和负载变化的情况下仍然可以获得相对恒定的输出电压且能够高效运行。首先,利用基波近似分析法建立LCC/S补偿IPT系统的系统方程。其次,以补偿参数为优化变量,以减小输出电压波动、提升系统效率为优化目标,以电感最大通过电流、电容最大承受电压和零电压开关为约束条件建立多目标优化模型。然后,利用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解所建立的多目标优化模型,并得到Pareto最优解集。最后,根据实际需要,从Pareto最优解集中选择合适的补偿方案,并进行仿真分析和实验验证。实验结果表明,优化方案的电压波动率(VFR)约为传统方案的45%,且优化方案的最低传输效率(87.5%)仍大于传统方案的最高传输效率(86.3%)。该方法可用于优化满足耦合和负载无关恒定输出、高效率、零电压开关等特性的补偿拓扑。

关键词：感应电能传输多目标优化耦合无关恒压输出多目标粒子群优化(MOPSO) 算法 Pareto解集

基于输出能效最优的感应电能传输系统耦合线圈设计

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电工技术学报 2022年第8期37卷 1904-1914页

作者：郝文美张立伟蔡娇杨瑞修三木北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京交通大学电气工程学院北京100044 交通部水运科学研究院北京100088

无网受流列车作为一种新型城市轨道交通车辆,摆脱了传统的架空接触网,借助耦合线圈进行电能传输,耦合线圈作为重要的传输媒介,其配置与布局既要与应用目标车型相匹配,又要保证感应电能传输系统的传输性能及稳定性。基于此,该文首先提出... 详细信息

无网受流列车作为一种新型城市轨道交通车辆,摆脱了传统的架空接触网,借助耦合线圈进行电能传输,耦合线圈作为重要的传输媒介,其配置与布局既要与应用目标车型相匹配,又要保证感应电能传输系统的传输性能及稳定性。基于此,该文首先提出一种适用于实际工程应用的耦合线圈设计及配置方法,从硬件设计的角度出发,综合考虑系统能效因素,给出一种针对目标车型的线圈设计方案,在目标控制策略下,系统应用该耦合线圈设计方案始终保持高效能的输出。然后针对实际车辆参数及线圈配置参数搭建仿真模型,仿真结果表明,该方法能够满足系统运行需求,并能实现较优的能效输出。最后基于提出的线圈设计方法,搭建1.5kW小型实验平台验证设计方案的合理性。

关键词：感应电能传输线圈设计优化输出功率效率

具有抗偏移恒压输出特性的复合式双频感应电能传输系统研究

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中国电机工程学报 2023年第18期43卷 7232-7239页

作者：黎祎阳杨斌何双江吕天奇陈阳麦瑞坤西南交通大学电气工程学院四川省成都市611756

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统的线圈偏移难以避免,导致系统输出电压平稳性下降。由于全桥逆变器产生方波电压,使谐波难以完全消除。为利用谐波提升系统抗偏移能力,该文设计一种基于基波-谐波并行传输的复合式双频IP... 详细信息

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统的线圈偏移难以避免,导致系统输出电压平稳性下降。由于全桥逆变器产生方波电压,使谐波难以完全消除。为利用谐波提升系统抗偏移能力,该文设计一种基于基波-谐波并行传输的复合式双频IPT系统,耦合机构接收端选取双极性结构线圈以消除副边线圈间的交叉耦合,结合系统参数设计方法使系统在耦合机构发生偏移的情况下实现自适应恒定电压输出,该系统耦合机构采用单发射双接收结构,较传统基波-谐波并行IPT系统采用双发射双接收的结构所用线材更少,且无需复杂反馈控制。最后,搭建一个200W原理样机验证所提方法正确性和有效性,耦合机构横向偏移33%,同时负载在24~40Φ变化时,系统输出电压波动始终保持在5%以内。

关键词：感应电能传输双频谐波并行传输恒压输出

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感应电能传输系统死区开关特性的研究

中国电机工程学报 2014年第21期34卷 3561-3568页

作者：程志远宋凯魏国逯仁贵朱春波哈尔滨工业大学电气工程学院黑龙江省哈尔滨市150001

目前,在寻求最大功率输出的控制方法中,通常采用变频方式使系统工作在谐振点附近。然而,对于大功率感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统来说,开关管的工作频率较低,死区时间相对较长,如果控制不当,会在谐振点附近的死区范... 详细信息

目前,在寻求最大功率输出的控制方法中,通常采用变频方式使系统工作在谐振点附近。然而,对于大功率感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统来说,开关管的工作频率较低,死区时间相对较长,如果控制不当,会在谐振点附近的死区范围内出现电压与电流波形畸变,极易造成开关管的损毁,导致系统停机,从而降低了系统的稳定性能。因此,首先研究在高频逆变电压超前、滞后于原边谐振电流以及谐振点附近情况下谐振变换器的开关特性,分析产生电压与电流波形畸变的机理,通过理论推导给出避免波形畸变的运行条件。最后,通过相位滞后控制策略稳定系统的输出,并搭建25 kW、气隙20 mm的大功率IPT试验平台,通过试验验证理论分析的正确性。

关键词：感应电能传输死区开关特性相位滞后反映阻抗谐振变换器

感应电能传输中矩形螺线线圈互感耦合的解析建模与分析

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电工技术学报 2018年第3期33卷 680-688页

作者：吴德会何天府王晓红孙起升厦门大学航空航天学院机电工程系厦门361005

线圈之间的互感是感应电能传输(IPT)系统设计的一个关键参数,准确地计算两个线圈之间的互感是优化IPT系统结构及提高传输效率的理论依据。该文利用二阶矢量位建立了两个矩形螺线线圈之间互感的解析模型。首先,将矩形螺线线圈简化为一系... 详细信息

线圈之间的互感是感应电能传输(IPT)系统设计的一个关键参数,准确地计算两个线圈之间的互感是优化IPT系统结构及提高传输效率的理论依据。该文利用二阶矢量位建立了两个矩形螺线线圈之间互感的解析模型。首先,将矩形螺线线圈简化为一系列矩形截面的同轴单矩形线圈,从而将矩形螺线线圈的磁场分布及其互感计算问题转为多个同轴单矩形线圈相应问题的叠加。然后,基于二阶矢量位公式,推导了矩形发射线圈的标势表达式,并在此基础上计算了穿过矩形接收线圈的磁通量。最后,推导了含有二重广义积分项的矩形螺线线圈互感的解析表达式,并以两个相同形状的矩形螺线线圈为例进行了模型验证,计算结果与实验测量值吻合良好。该方法可以为使用矩形螺线线圈作为耦合器件的IPT系统提供参数优化依据。

关键词：互感矩形螺线线圈二阶矢量位解析模型耦合系数感应电能传输

感应电能传输系统中多拾取线圈互感补偿方法及输出功率平衡策略

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电工技术学报 2018年第17期33卷 3998-4006页

作者：范满义史黎明殷正刚姜龙斌张发聪中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(中国科学院电工研究所) 北京100190 中国科学院大学北京100049

多拾取线圈能够有效提高感应电能传输系统的输出功率,满足轨道车辆等大功率场合的需求。但由于制作工艺等因素的影响,各拾取线圈的自感存在着一定的差异,导致各拾取模块谐振频率不一致,从而引起输出电流不均衡并降低系统输出功率。首先... 详细信息

多拾取线圈能够有效提高感应电能传输系统的输出功率,满足轨道车辆等大功率场合的需求。但由于制作工艺等因素的影响,各拾取线圈的自感存在着一定的差异,导致各拾取模块谐振频率不一致,从而引起输出电流不均衡并降低系统输出功率。首先分析了拾取线圈自感参数不一致带来的电流不均衡问题以及降低输出功率的原因;为消除自感参数差异导致的电流不均衡,提出了一种采用相邻拾取线圈间互感补偿拾取线圈自感差异的机理和方法,并给出补偿电容的设计方法,使各拾取模块的输出功率不受线圈间互感的影响。基于研制的感应电能传输工程样机的实验结果表明,该方法能够实现各拾取线圈输出电流的均衡,同时提高系统输出功率。

关键词：感应电能传输多拾取线圈均流大功率互感

感应电能传输系统基于阶梯波合成技术的谐波消除和脉冲密度功率调节方法

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中国电机工程学报 2017年第22期37卷 6516-6523页

作者：范满义史黎明殷正刚姜龙斌张发聪中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室(中国科学院电工研究所) 北京市100190 中国科学院大学北京市100049

为提高感应电能传输系统输出功率,满足轨道交通大功率供电需求,该文采用一种基于三重级联的多电平逆变器拓扑结构,通过阶梯波合成消除3次、5次谐波的同时提出采用脉冲密度调节输出功率的方法。首先,建立谐波消除方程,分析在只消除3次谐... 详细信息

为提高感应电能传输系统输出功率,满足轨道交通大功率供电需求,该文采用一种基于三重级联的多电平逆变器拓扑结构,通过阶梯波合成消除3次、5次谐波的同时提出采用脉冲密度调节输出功率的方法。首先,建立谐波消除方程,分析在只消除3次谐波的条件下,调节脉宽或移相角调节输出功率时存在的输出功率调节范围小或电压谐波失真值较大的问题。为提高系统工作效率,选择同时消除合成输出电压中的3次和5次谐波,并计算出最优脉宽和移相角。为实现在消除3次和5次谐波条件下输出功率的调节,提出一种基于阶梯波合成技术的脉冲密度调制策略。在研制的基于三重隔离变压器级联拓扑结构的感应电能传输样机上验证该方法的可行性和有效性。测试结果表明,提出的方法可降低谐波在IPT系统中产生的额外损耗,特别是降低轻载时功率器件的开关损耗,进一步提高系统的工作效率。

关键词：感应电能传输阶梯波合成谐波消除脉冲密度功率调节

基于电路与磁路结合设计的抗偏移感应电能传输系统研究

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基于电路与磁路结合设计的抗偏移感应电能传输系统研究

作者：谢兆杰西南交通大学

学位级别：硕士

在感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)很多应用领域中,耦合机构发生偏移是不可避免的,然而线圈偏移会引起耦合系数发生变化,导致系统输出功率不稳定,影响系统工作的可靠性和安全性。为了实现输出功率的平稳,设计具有强抗偏移... 详细信息

在感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)很多应用领域中,耦合机构发生偏移是不可避免的,然而线圈偏移会引起耦合系数发生变化,导致系统输出功率不稳定,影响系统工作的可靠性和安全性。为了实现输出功率的平稳,设计具有强抗偏移能力的IPT系统具有重要的意义。目前,为了简化IPT系统的控制复杂性,提高系统抗偏移能力主要途径有电路设计或磁路设计。但采用上述任意其中一类设计方法来提高系统抗偏移能力都是有限的。为此,本文提出一种电路与磁路相结合的设计方法能够更好地解决IPT系统在耦合机构发生大范围偏移时的功率波动问题。本文首先对SS补偿拓扑在不同失谐状态下的输出功率和系统效率进行分析和总结,选择具有抗偏移特性且系统效率与失谐率无关的原边失谐-副边谐振补偿拓扑。同时,为了实现系统高效率,保证高频逆变电路开关管达到软开关状态,需原边失谐采用电容欠补偿方式,即原边失谐率取正值。其次,通过有限元仿真软件Maxwell分析常见线圈结构在相同尺寸下的抗偏移能力。基于互感抵消原理构建均匀磁场的想法,选取抗偏移能力最优的方形线圈与反向互感很强的“田”形线圈进行结合,提出一种新型抗偏移能力较强的“方+田”线圈结构,并且该结构具有很好的适用性。最后,将原边失谐-副边谐振的SS拓扑与“方+田”线圈结构结合,构建了电路-磁路新型复合IPT系统。对原边失谐-副边谐振的SS拓扑进行参数设计,得到原边失谐率以及输出功率最小波动下的耦合系数变化率。利用其耦合系数变化率对“方+田”线圈结构进行优化设计使得IPT系统具有强抗偏移特性。本文通过搭建1.8k W的复合IPT系统原理样机验证所提方法的有效性。实验结果表明:在沿X轴方向偏移-220mm～+220mm,Y轴方向偏移-220mm～+220mm(最大线圈尺寸55%),输出功率波动程度在5%以内,系统效率始终高于90.0%,最高值达92.4%。

关键词：感应电能传输功率波动失谐抗偏移

感应电能传输——电力电子及电气自动化的新领域

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中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2022年第10期 165-168页

作者：刘昱含张彤彤郭朝阳华北水利水电大学电气工程学院河南郑州450046

目前,科学技术的进步和发展为人类的生产和日常生活带来了极大的影响,自第二次工业革命之后,人类开启了“电气新时代”,电能的广泛使用为人类带来便利的同时,也使得人类对电能的依赖性逐渐扩大。因此,众多专家学者都加入至电能传输的研... 详细信息

目前,科学技术的进步和发展为人类的生产和日常生活带来了极大的影响,自第二次工业革命之后,人类开启了“电气新时代”,电能的广泛使用为人类带来便利的同时,也使得人类对电能的依赖性逐渐扩大。因此,众多专家学者都加入至电能传输的研究中。现阶段,一种新型的电能传输系统逐渐显现在人们的眼前,即感应电能传输系统,这标志着人类的“电气时代”已跨入新纪元。基于此,本文通过阐述感应电能传输的技术,对其基本电路加以分析。然后对电路简化,并探索无需采用双向开关的简单电路的输出特性。最后,通过模拟证明电路的有效性。

关键词：感应电能传输基本电路电路简化