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icpt系统多自由度电能拾取机构设计方法研究

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ICPT系统多自由度电能拾取机构设计方法研究

作者：余细雨重庆大学

学位级别：硕士

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,简称icpt)技术属于无线电能传输技术之一,该技术通过感应耦合的方式向负载提供能量,以其安全、灵活、方便、适应性强等特点得到了飞速发展。近年来,icpt技术在理论研究与应用中取... 详细信息

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,简称icpt)技术属于无线电能传输技术之一,该技术通过感应耦合的方式向负载提供能量,以其安全、灵活、方便、适应性强等特点得到了飞速发展。近年来,icpt技术在理论研究与应用中取得了巨大的进步,其应用前景得到了广泛的关注,对传统icpt系统相关理论、设计方法、多自由度电能拾取问题进行了较为深入的研究,这些成果对科学研究和实际应用有着很好的指导意义。为提升拾取机构的多自由度电能拾取能力,针对目前存在的拾取机构或受电设备的空间位置局限性以及相关技术问题,本文将对电能拾取机构进行设计,使系统能够实现多自由度电能拾取。本文以icpt系统多自由度电能拾取机构为研究重点,主要包括以下内容:①对多自由度电能拾取无线电能传输系统原理进行分析,包括系统的基本组成、电路拓扑结构的选取以及现有耦合机构的对比分析,并确定本课题多自由度电能拾取机构的几何模型。②确定多自由度电能拾取线圈的个数以及摆放位置;并结合法拉第电磁感应定律、楞次定律以及右手螺旋定则等理论知识,计算出拾取线圈在空间内旋转时不同绕线方式的互感变化趋势,经统计、分析后,最终确定拾取线圈的绕线方向。③给出了多个串联线圈的自感计算公式,运用Maxwell仿真环境,分析出所设计的拾取机构两串联线圈之间磁力线加强或减弱的效果,得出拾取线圈电感矩阵。提出了线圈参数设计流程,并根据此流程,对多自由度电能拾取机构、发射机构的几何尺寸、匝数、磁芯、线径等进行仿真设计,对比线圈不同参数时磁感应线的分布情况设计出合理的耦合机构并加以验证。④通过Matlab/Simulink仿真平台对理论分析的结果进行验证,说明了该系统设计的正确性,同时搭建实验平台,得出在拾取机构不同竖直偏移下360度旋转时,系统在硬、软开关条件下实现多自由度电能拾取的可行性。

关键词：多自由度 icpt系统绕线方向模型仿真

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icpt系统电能质量控制研究

ICPT系统电能质量控制研究

作者：夏岚岚重庆大学

学位级别：硕士

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术是一种基于电磁感应原理,综合利用现代电力电子技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术和现代控制理论等技术的一种新兴无线电能传输技术,具有广阔的应用前景。近年来,... 详细信息

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术是一种基于电磁感应原理,综合利用现代电力电子技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术和现代控制理论等技术的一种新兴无线电能传输技术,具有广阔的应用前景。近年来,国内外的科研团队和企业对icpt技术的研究和应用开发越来越深入,但是目前对icpt系统的研究主要集中在电能变换和补偿、耦合机构设计、主电路控制策略、谐振电路拓扑和输出稳压等方面。然而,电力电子技术在给人们的生活带来方便的同时,也产生了新问题,系统会产生大量谐波电流,对电网造成严重谐波污染,电网的谐波污染问题受到了越来越多的关注,随着绿色电网的推行,对电能质量的要求越来越高,谐波抑制技术也成为一个研究热点,但是在icpt系统的谐波抑制技术的研究还是比较少。本文主要对icpt系统谐波治理问题进行研究。首先介绍了icpt技术和电能质量控制技术的国内外研究现状、研究的目的及意义和论文的主要研究内容。论文介绍了icpt系统的基本组成和工作原理,为了对icpt系统的谐波进行详细的分析,基于谐波的定义,在MATLAB/SIMULINK仿真平台下建立的icpt系统仿真模型,对系统的谐波进行了测量和详细分析。本文的研究重点是对icpt系统谐波抑制技术方案的研究,通过对有源电力滤波技术和无源滤波技术的分析,提出在icpt系统采用有源滤波的方案。分析有源滤波器的基本组成和控制原理,结合icpt系统输出电压可调的要求,提出了在icpt系统中采用基于Buck-Boost结构的改进型的APF,并对该电路拓扑进行了分析和设计,并详细研究了傅里叶变换、瞬时无功功率理论的谐波检测和基于滞环控制的电流跟踪控制的办法。最后使用MATLAB/SIMULINK建立系统仿真模型,通过仿真结果验证了所提出的谐波抑制方案的理论正确性。

关键词： icpt系统电能质量滤波

基于混杂自动机的多负载icpt系统建模方法研究

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武汉大学学报（工学版） 2020年第8期53卷 712-720页

作者：林宝成李若琼兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730300

多负载icpt系统是由一个原边发射线圈与多个副边接收线圈构成的无线电能传输系统,能够为多个负载提供电能。由于系统中存在高频逆变电路,使得系统在离散状态与连续状态间不断转换,所以该系统为典型的混杂系统,而副边接收线圈之间的耦合... 详细信息

多负载icpt系统是由一个原边发射线圈与多个副边接收线圈构成的无线电能传输系统,能够为多个负载提供电能。由于系统中存在高频逆变电路,使得系统在离散状态与连续状态间不断转换,所以该系统为典型的混杂系统,而副边接收线圈之间的耦合关系又使得建立的模型不准确。针对上述问题,本文利用LCL-S型三负载icpt系统模型,首先对副边线圈之间的互感进行解耦,然后确定系统的离散状态并对不同离散状态下的电路工作状态进行分析,建立其状态空间模型,最后利用混杂系统理论对其连续状态与离散状态之间的切换关系进行分析,建立了三负载icpt系统的混杂自动机模型。通过Matlab/Simulink的Stateflow工具箱搭建了仿真模型,分析了在混杂自动机控制下三负载icpt系统的稳定性及其传输特性。

关键词：多负载 icpt系统混杂系统混杂自动机稳定性 Stateflow

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多拾取端icpt系统的输出控制策略研究

多拾取端ICPT系统的输出控制策略研究

作者：罗赛重庆大学

学位级别：硕士

感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled Power Transfer，简称icpt）是一种新型的电能传输技术，它通过感应耦合方式向负载提供电能，以其安全、环保、低维护、适应性强等优点得到了迅速的发展。近几年，icpt技术在实际应用中取得... 详细信息

感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled Power Transfer，简称icpt）是一种新型的电能传输技术，它通过感应耦合方式向负载提供电能，以其安全、环保、低维护、适应性强等优点得到了迅速的发展。近几年，icpt技术在实际应用中取得了诸多的成功案例，其广阔的应用前景得到了展示。人们对传统icpt技术相关理论及其设计方法和控制问题进行了较为深入的研究分析，这些研究成果对实际应用有着良好的指导作用。但是这些应用和研究多是针对单对单的磁耦合结构展开的，在面临多拾取端多负载的应用场合时，这些研究成果虽然也有着一定的指导作用，但是却不能更深入的指导实践。本文主要对多拾取端icpt系统的磁路结构和稳压输出控制方法展开分析与研究，在不增加系统输入电源的容量的前提下，实现稳压输出的控制要求。本文以多拾取端icpt系统为研究对象，主要工作包括以下几点：①在已有的研究基础上，分析常用磁路结构适合的应用场合，给出了一种适用于带气隙互感电路的M值的测量方法以及K值和线圈电感的计算方法。并通过Maxwell软件对文中提到的新型磁路结构进行仿真，选取最优的空间摆放位置。仿真结果表明新型磁路结构可以很好的提高系统拾取电能的能力。②针对系统的输出稳定性分别从拓扑结构和副边电路两方面出发，对系统的工作原理进行详细解析，选取适当的谐振模型和补偿结构，并设计适合该系统的稳压输出控制策略，从理论上对比分析了这些算法的稳压效果和应用范围。③通过Matlab/Simulink平台针对文中给出的多拾取端icpt模型，主要围绕PID控制算法和智能分段控制算法进行仿真，得到了较为理想的稳压输出效果，对控制算法的有效性进行了验证。④在已有条件下对多拾取端icpt系统的理论研究和仿真结果进行实验验证。实验结果表明本文设计的多拾取端icpt系统在负载变化的情况下具有较好的稳定性，并验证了输出控制策略能够满足输出电压稳定性的需求。

关键词：多拾取端 icpt系统输出控制建模仿真

双LCL拓扑icpt系统最优效率跟踪及稳压输出综合控制策略研究

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双LCL拓扑ICPT系统最优效率跟踪及稳压输出综合控制策略研究

作者：孙琪琪中国矿业大学

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感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术利用电磁感应原理实现电能从电源侧到负载侧的无线传输,具有安全、操作灵活和使用便捷等优点,并因其传输功率和效率等方面的优势在理论研究和市场应用方面有较好的发展... 详细信息

感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术利用电磁感应原理实现电能从电源侧到负载侧的无线传输,具有安全、操作灵活和使用便捷等优点,并因其传输功率和效率等方面的优势在理论研究和市场应用方面有较好的发展前景。在icpt系统实际应用中,负载的不确定性会对系统产生影响,容易出现输出不稳定、电能品质下降和传输效率降低等问题。面对负载的变化,如何保证系统同时满足输出稳定、效率高、负载兼容能力强等要求是icpt技术研究的关键问题。为此,本文主要针对负载摄动的情况,通过结合最优效率跟踪控制方法和鲁棒H控制方法,提出一种具有较强参数变化适应能力的高效跟踪、稳压和强鲁棒性的多性能综合控制策略。论文的主要研究工作如下:首先,介绍了论文的研究背景和icpt系统的基本原理,并对icpt系统建模方法、稳压控制策略和效率提升的研究现状进行详细的阐述分析。接着,从LCL拓扑电路入手,对其原理和特性进行研究分析。选择LCL谐振网络作为原边补偿拓扑,针对LCL-S拓扑、LCL-P拓扑和双LCL拓扑分别从电压增益、电流增益、传输功率和效率角度进行对比分析,研究表明双LCL拓扑在较宽负载变化范围内具有较强的参数兼容性,且可以维持稳定、较高的效率,因此本文以双LCL补偿拓扑作为设计和分析对象。再接着,针对双LCL拓扑icpt系统,采用交流阻抗法建立系统效率模型,设计了基于Buck-Boost阻抗变换器的最优效率跟踪控制,通过调节变换器的占空比,实现最优效率的跟踪。在最优效率跟踪控制的基础上,为了同时满足高效、稳压等多个性能需求,结合鲁棒H控制提出了一种双闭环综合控制方法,并根据解耦条件使得两种设计方法独立控制,降低了系统设计复杂度。然后,通过广义状态空间平均(Generalized State Space Averaging,GSSA)建模方法和线性分式变换(Linear Fraction Transformation,LFT)原理建立系统负载摄动的不确定性模型,设计了闭环反馈系统的鲁棒H控制。从频域角度采用结构奇异值验证系统的标称性能、抑制参数摄动的鲁棒稳定性以及抗外部扰动的鲁棒性能,同时从时域角度验证系统的动态跟踪性能和抗干扰性能。最后,搭建了双闭环反馈控制系统实验平台,分析系统在参数摄动下和干扰作用下的动静态性能。实验结果表明:本文提出的综合控制方法不仅可以实现负载较大变化范围内跟踪较高效率,而且能保证系统在负载及输入电压变化的情况下具有良好的动态参考跟踪性能、扰动抑制性能、稳压性能和鲁棒性。

关键词： icpt系统双LCL拓扑最优效率跟踪控制鲁棒H∞控制

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温变条件下icpt系统软开关技术研究

温变条件下ICPT系统软开关技术研究

作者：刘波重庆大学

学位级别：硕士

感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer,简称icpt)技术,是一种综合利用了现代电力电子技术、磁场耦合技术、现代控制理论和大功率高频电能变换技术来实现电能无线传输的技术。由于其利用磁场作为电能的传输媒介,摆脱了传... 详细信息

感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer,简称icpt)技术,是一种综合利用了现代电力电子技术、磁场耦合技术、现代控制理论和大功率高频电能变换技术来实现电能无线传输的技术。由于其利用磁场作为电能的传输媒介,摆脱了传统用电的电气接触,从而使电源和用电设备之间更加灵活,更加安全,近年来得到长足的发展和应用。由于icpt系统原、副边之间存在一定的间距,因此,一般采用高频谐振的方式来提高系统能量传输的效率,软开关谐振变换电路也就成为icpt系统的常见主电路形式。在一些特殊的使用环境下,特别是高温条件下,温度的变化会使得系统的很多参数发生改变,导致系统的谐振频率发生偏移,降低系统的传输功率和效率,同时也加大了开关管的应力,系统工作很不稳定。因此,以石油钻井装置中的电能无线传输技术应用为背景,通过傅里叶分析谐波的方法对SS型、SP型、SN型三种拓扑进行谐波分析,选择SN型谐振电路作为本文设计的主电路拓扑。利用高温箱模拟实际的工作温度,测量并分析了影响icpt系统软开关工作的主要参数随温度变化的特性。然后通过频闪映射建模方法和周期不动点理论对SN拓扑结构进行建模分析,给出了系统谐振频率随温度变化的关系,为调整驱动频率来实现系统软开关工作提供依据。在此基础上,通过研究icpt系统软开关控制方法,给出了一种查表法和扰动观察法相结合的控制方法,尽量减少控制系统中受温度影响的器件,来保证icpt系统在宽温度范围下实现软开关控制。通过Matlab Simulink平台下建模仿真,验证了此种方案的可行性和有效性。设计了本文icpt系统的主电路、驱动电路和软开关控制电路,并对主要的元器件进行选型。最后搭建了实验装置,验证了本文提出的控制方法能够在宽温度范围下很好的实现系统的软开关控制。

关键词： icpt系统软开关温变条件扰动观察法

新型分布式多负载自适应变拓扑icpt系统研究

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新型分布式多负载自适应变拓扑ICPT系统研究

作者：庄裕海中国矿业大学

学位级别：硕士

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)尤其是感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术随着社会的不断发展已经取得了较大的进步,并展现出了较广阔的应用前景。目前研究较多、应用较成熟的icpt系统大... 详细信息

无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)尤其是感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,icpt)技术随着社会的不断发展已经取得了较大的进步,并展现出了较广阔的应用前景。目前研究较多、应用较成熟的icpt系统大多数采用的是单负载icpt技术,而单负载供电模式大都采用狭义的“点对点”供电模式,该模式对于多负载供电场合存在很大的局限性,虽然目前已有国内外学者研究多负载icpt技术的相关理论,但大都是基于单负载icpt技术,虽然有一定的指导意义,但却存在着在诸多不足之处,如负载位置偏移容忍度低、各负载供电不均衡、效率不一致、供电负载个数受限等实际问题。本论文以国家自然科学基金“自配置非对称无线蜂窝网供电机制及关键技术研究(基金号:51307173)”为依托,主要围绕分布式多负载icpt技术进行研究,并结合桌面分布式多负载并行供电技术,研究一种新型分布式多负载自适应变拓扑icpt系统。论文首先对分布式多负载icpt技术的国内外研究与发展现状做了详细的介绍,对现有的分布式多负载icpt系统的结构形式和工作原理进行了详细分析,并分别以一种单相多负载icpt系统和三相多负载icpt系统为例对其电路结构特性及传输特性进行了分析与研究,最终给出了分布式多负载icpt系统的关键电路的选型与整体系统一般性设计方案。紧接着,论文针对目前传统分布式多负载icpt系统存在问题,提出了一种新型分布式多负载自适应变拓扑icpt系统,该系统可以根据检测出的供电负载的数量及位置,自动改变系统工作拓扑并选择最优系统工作模式,从而基于一种广义“点对点”模式为各负载高效地无线供电。论文从该新型分布式多负载icpt系统的工作原理出发,详细分析与研究了该系统各工作模式及相应工作模式下控制策略与传输特性,并对新型分布式多负载自适应变拓扑icpt系统的主电路以及控制电路的各组成部分进行了详细分析与设计。最后,以桌面分布式多负载无线供电系统为例,搭建新型分布式多负载自适应变拓扑icpt系统的MATLAB仿真模型及实验模型,进一步验证该新型分布式多负载icpt系统的理论分析的可行性与正确性。两者结果同时表明,该新型分布式icpt系统可以有效实现空间自由分布多负载的并行恒定高效供电,对于多负载在桌面无线供电领域的设计与应用有着广泛的应用指导意义。

关键词： icpt系统分布式可变拓扑智能控制传输特性

用于电动汽车无线充电的电压源型icpt系统最优电容补偿参数选择方法

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电力自动化设备 2021年第6期41卷 53-58页

作者：刘坤葛佳蔚杨富尧陈新康锦萍赵海森华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206 全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室北京102211

电压源型感应耦合电能传输(icpt)系统通常被用于电动汽车无线充电,该系统在采用串联电容补偿时,耦合系数较大会引起输出功率降低,工程实际中通常采用提高电压达到预期输出功率,但这对电源提出了更高要求且易引起过电流。为了解决这一问... 详细信息

电压源型感应耦合电能传输(icpt)系统通常被用于电动汽车无线充电,该系统在采用串联电容补偿时,耦合系数较大会引起输出功率降低,工程实际中通常采用提高电压达到预期输出功率,但这对电源提出了更高要求且易引起过电流。为了解决这一问题,研究了串联电容补偿icpt系统的补偿特性,得出了补偿电容值偏离谐振点后系统的工作特性,并利用非线性规划方法对电容参数进行优化,实现了在耦合系数较大确保icpt系统输出功率的同时,使得系统效率下降幅度最小。利用一台3 kW无线充电样机验证了优化结果的有效性,结果表明当系统输出功率从1.2 kW提高至3 kW时,系统效率仅下降1.3%,且在偏移情况下利用电容切换仍能确保输出功率的同时系统效率不低于94%。

关键词：电动汽车 icpt系统串联补偿电容补偿特性优化非线性规划

基于LCL-S型icpt系统的恒流输出分析与控制

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电源学报 2017年第2期15卷 109-114页

作者：国玉刚李超群崔纳新山东大学控制科学与工程学院济南250061

针对电动汽车无线充电的需求,提出了一种兼顾调控效果与传输效率的恒流控制方法。针对LCL-S型的磁耦合谐振无线电能传输系统建立模型,对其进行工作特性分析,进而根据副边电流输出特性及传输效率特性曲线确定了系统高效运行的频率区间,... 详细信息

针对电动汽车无线充电的需求,提出了一种兼顾调控效果与传输效率的恒流控制方法。针对LCL-S型的磁耦合谐振无线电能传输系统建立模型,对其进行工作特性分析,进而根据副边电流输出特性及传输效率特性曲线确定了系统高效运行的频率区间,将此区间作为系统恒流工作的调频区。并对比各种功率控制方式的优缺点,进而提出了变频控制与移相调压相结合的恒流控制策略。实验设计了PI闭环控制程序,验证了负载变化时的恒流控制效果。实验表明该控制策略基本实现了无静差、无超调的快速响应控制。

关键词：无线电能传输 icpt系统 LCL补偿恒流控制