感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法與流程

本發明涉及一種感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法。

背景技術：

感應電能傳輸技術已應用于軌道交通列車、電動汽車、植入式醫療設備等。它與傳統依靠導體直接接觸的電能傳輸技術相比，其傳輸電能的過程不受污垢、冰、積水以及其他化學物質的影響，沒有接觸火花以及接觸磨損問題，有效地提高了供電安全可靠性，有著良好的應用前景。

感應電能傳輸系統的結構和工作過程為：工頻交流電經過整流器整流成直流電，直流電在高頻逆變器作用下變換成高頻的交流電；高頻的交流電在初級線圈上激發高頻磁場；與初級線圈并不直接接觸的次級能量拾取線圈耦合高頻磁場感應出同頻交變電壓，經過次級電路的電能變換裝置變換成負載所需的電能形式供給負載，實現能量的非接觸式傳輸。

近年來，感應電能傳輸系統越來越多地應用到公共交通中，系統能量供給電源須要提供的功率要達到上百kVA或更大。在傳統單逆變器單初級線圈作為能量供給側的方案下，由于逆變器中的高耐壓、高耐流和高頻率的半導體器件相當昂貴或市場上根本不存在，因此，僅靠傳統單逆變器單初級線圈方案無法實現大功率供電的要求。采用多初級線圈的供電結構，一個初級線圈單獨配置一個高頻逆變器，通過各初級線圈的高頻磁場疊加提高電源側能量供給的功率等級，但由于驅動信號延時、電感電容器件的誤差，使得各個逆變器的初級線圈電流大小、相位之間存在差異，導致次級能量拾取線圈得到的功率減小，降低了感應電能傳輸系統的傳輸效率。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法，該方法的硬件電路簡單，算法復雜程度低，得到的反饋值更準確，電流同幅同相控制效果好，且能保持負載電壓的恒定，從而有效地提高感應電能傳輸系統的傳輸效率，且能。

本發明所采用的技術方案是，一種感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法，包括以下步驟：

一種感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法，包括以下步驟：

A、電流采樣器在一個系統工作周期T內，采集得到初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)；將所有的初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)相加，得到初級線圈的總電流離散值i(t_n)；再利用移相器將總電流離散值i(t_n)的相位延遲90°，得到總電流的移相離散值i′(t_n)；

其中，t_n為一個系統工作周期T第n次采樣的采樣時刻，n＝1,2,3,…,N，N是一個系統工作周期T內電流采樣器的采樣總次數；k是初級線圈的序號、k＝1,2,3,...,K，K是初級線圈的總數；

B、將A步得到的初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)、總電流離散值i(t_n)、總電流的移相離散值i′(t_n)輸入處理器；處理器算出：總電流的參考正弦積離散值i^s(t_n)，i^s(t_n)＝i(t_n)·i(t_n)；初級線圈k的參考正弦積離散值i^s_k(t_n)，初級線圈k的參考余弦積離散值i^c_k(t_n)，

C、在采樣時刻t_n＝t_N時，將B步得到的總電流的參考正弦積離散值i^s(t_n)、初級線圈k的參考正弦積離散值i^s_k(t_n)和初級線圈k的參考余弦積離散值i^c_k(t_n)，分別經過截止頻率為ω/10的數字低通濾波器濾除交流分量，相應得到總電流的參考正弦積直流分量i^z、初級線圈k的虛擬有功值P_k和初級線圈k的虛擬無功值Q_k；其中，ω為系統工作頻率；

D、處理器根據C步得到的總電流的參考正弦積直流分量i^z、初級線圈k的虛擬有功值P_k、初級線圈k的虛擬無功值Q_k，分別算出總電流的幅值I_m，初級線圈k的虛擬有功電流值初級線圈k的虛擬無功電流值

E、將D步的初級線圈k的虛擬無功電流值作為PI調節器一的初級線圈k虛擬無功電流反饋信號，將PI調節器一的虛擬無功電流給定值設為0，進而通過PI調節器一的調節得到初級線圈k的虛擬無功電流放大誤差再將虛擬無功電流放大誤差作為脈寬調制器的電流同相控制信號輸入脈寬調制器，通過脈寬調制器實現對初級線圈k的逆變器輸出電壓的相位調節，從而對初級線圈k的虛擬無功電流值進行抑制；

同時，將D步得到的所有初級線圈k的虛擬有功電流值進行平均得到初級線圈虛擬有功電流平均值并將初級線圈虛擬有功電流平均值作為PI調節器二的虛擬有功電流給定值，將D步的初級線圈k的虛擬有功電流值作為PI調節器二的虛擬有功電流反饋信號，通過PI調節器二的調節得到初級線圈k的虛擬有功電流放大誤差

將初級線圈k的虛擬有功電流放大誤差與負載電壓的系統設定值U_ref相加，作為PI調節器三的負載電壓給定值；電壓采樣器在t_N時刻采集得到的負載電壓值u作為PI調節器三的負載電壓值反饋信號，通過PI控制器三的調節得到下一系統工作周期T初級線圈k的逆變器的輸出電壓基波幅值；再將該輸出電壓基波幅值作為脈寬調制器的電流同幅控制信號輸入脈寬調制器，通過脈寬調制器對初級線圈k的逆變器的虛擬有功電流值進行同幅控制及負載電壓恒壓控制。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

一、通過沒有鎖相環的快速有功無功電流分解法得到初級線圈的總電流幅值、初級線圈k的虛擬有功電流值和初級線圈k的虛擬無功電流值作為該初級線圈k的三個PI調節器的反饋值，經三個PI調節器共同作用，實現各個初級線圈k的逆變器的輸出電壓基波幅值和相位的調節，最后使各個初級線圈k電流同幅同相，并使負載電壓輸出恒定；使得次級能量拾取線圈得到的功率最大，提高了感應電能傳輸系統的傳輸效率。

二、本發明采用沒有鎖相環的快速有功無功電流分解法，減少了算法的復雜程度；由于只需測量初級線圈k的電流信號離散值、初級線圈的總電流離散值、總電流的移相離散值，而無需利用硬件電路(過零比較測量相位、最大值檢測測量幅值)同時測量電流信號的幅值和相位，也無需借助鎖相環節進行有功無功電流分解；從而簡化了硬件電路，避免由于鎖相環設計不當導致各個逆變器初級線圈電流同幅同相控制效果不佳；其得到的反饋值更加準確，初級線圈電流同幅同相控制效果好。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

附圖說明

圖1是一個雙初級線圈的感應電能傳輸系統使用本發明方法前的負載電壓u、兩初級線圈電流之和i、初級線圈1電流i₂、初級線圈2電流i₂的波形圖。

圖2是一個雙初級線圈的感應電能傳輸系統使用本發明方法后的負載電壓u、兩初級線圈電流之和i、初級線圈1電流i₂、初級線圈2電流i₂的波形圖。

具體實施方式

實施例

一種感應電能傳輸系統的多初級線圈電流及負載電壓控制方法，包括以下步驟：

A、電流采樣器在一個系統工作周期T內，采集得到初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)；將所有的初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)相加，得到初級線圈的總電流離散值i(t_n)；再利用移相器將總電流離散值i(t_n)的相位延遲90°，得到總電流的移相離散值i′(t_n)；

其中，t_n為一個系統工作周期T第n次采樣的采樣時刻，n＝1,2,3,…,N，N是一個系統工作周期T內電流采樣器的采樣總次數；k是初級線圈的序號、k＝1,2,3,...,K，K是初級線圈的總數；

B、將A步得到的初級線圈k的電流信號離散值i_k(t_n)、總電流離散值i(t_n)、總電流的移相離散值i′(t_n)輸入處理器；處理器算出：總電流的參考正弦積離散值i^s(t_n)，i^s(t_n)＝i(t_n)·i(t_n)；初級線圈k的參考正弦積離散值i^s_k(t_n)，初級線圈k的參考余弦積離散值i^c_k(t_n)，

C、在采樣時刻t_n＝t_N時，將B步得到的總電流的參考正弦積離散值i^s(t_n)、初級線圈k的參考正弦積離散值i^s_k(t_n)和初級線圈k的參考余弦積離散值i^c_k(t_n)，分別經過截止頻率為ω/10的數字低通濾波器濾除交流分量，相應得到總電流的參考正弦積直流分量i^z、初級線圈k的虛擬有功值P_k和初級線圈k的虛擬無功值Q_k；其中，ω為系統工作頻率；

D、處理器根據C步得到的總電流的參考正弦積直流分量i^z、初級線圈k的虛擬有功值P_k、初級線圈k的虛擬無功值Q_k，分別算出總電流的幅值I_m，初級線圈k的虛擬有功電流值初級線圈k的虛擬無功電流值

E、將D步的初級線圈k的虛擬無功電流值作為PI調節器一的初級線圈k虛擬無功電流反饋信號，將PI調節器一的虛擬無功電流給定值設為0，進而通過PI調節器一的調節得到初級線圈k的虛擬無功電流放大誤差再將虛擬無功電流放大誤差作為脈寬調制器的電流同相控制信號輸入脈寬調制器，通過脈寬調制器實現對初級線圈k的逆變器輸出電壓的相位調節，從而對初級線圈k的虛擬無功電流值進行抑制；

同時，將D步得到的所有初級線圈k的虛擬有功電流值進行平均得到初級線圈虛擬有功電流平均值并將初級線圈虛擬有功電流平均值作為PI調節器二的虛擬有功電流給定值，將D步的初級線圈k的虛擬有功電流值作為PI調節器二的虛擬有功電流反饋信號，通過PI調節器二的調節得到初級線圈k的虛擬有功電流放大誤差

將初級線圈k的虛擬有功電流放大誤差與負載電壓的系統設定值U_ref相加，作為PI調節器三的負載電壓給定值；電壓采樣器在t_N時刻采集得到的負載電壓值u作為PI調節器三的負載電壓值反饋信號，通過PI控制器三的調節得到下一系統工作周期T初級線圈k的逆變器的輸出電壓基波幅值；再將該輸出電壓基波幅值作為脈寬調制器的電流同幅控制信號輸入脈寬調制器，通過脈寬調制器對初級線圈k的逆變器的虛擬有功電流值進行同幅控制及負載電壓恒壓控制。

圖1是一個雙初級線圈(初級線圈的總數K＝2)的感應電能傳輸系統使用本發明方法前的負載電壓u、兩初級線圈電流之和i、初級線圈1電流i₂、初級線圈2電流i₂的波形圖。

從圖1可以看出，未使用本發明的方法前，負載電壓u恒定在100V，初級線圈1電流i₁與初級線圈2電流i₂存在明顯的幅值不等和相角不等的情況，初級線圈1電流i₁與初級線圈2電流i₂之差i_c的峰峰值大小為11A，初級線圈1電流i₁相位與兩初級線圈電流之和i相位之差φ₁為14.4°，初級線圈2電流i₂相位與兩初級線圈電流之和i相位之差φ₂也為14.4°。

圖2是一個雙初級線圈的感應電能傳輸系統使用本發明方法前的負載電壓u、兩初級線圈電流之和i、初級線圈1電流i₂、初級線圈2電流i₂的波形圖。

從圖2可以看出，使用本發明的方法后，負載電壓u恒定在100V，初級線圈1電流i₁與初級線圈2電流i₂實現同幅同相控制，初級線圈1電流i₁與初級線圈2電流i₂之差i_c的峰峰值大小為1A，初級線圈1電流i₁相位、初級線圈2電流i₂相位、兩初級線圈電流之和i相位一致。