非接觸電能傳輸系統(tǒng)軟開關工作點研究及應用.pdf

1、非接觸電能傳輸(CPT)技術是一種新興的基于電磁感應原理，綜合利用電力電子技術、磁場耦合技術及控制理論，實現(xiàn)用電設備以非電氣接觸方式從電網(wǎng)獲取電能的技術，具有安全、便捷、易維護、可靠性高及環(huán)境親和力強等優(yōu)點。
　　 在CPT系統(tǒng)中，由于原副邊的松耦合特性，通常采用諧振的方式提高傳輸功率，因此軟開關諧振變換電路也就成為CPT系統(tǒng)的常見主電路形式。在設計和分析CPT系統(tǒng)時，選定參數(shù)下，系統(tǒng)軟開關工作點及其穩(wěn)態(tài)特性是設計人員最為關心的

2、問題。但是通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前尚無一種系統(tǒng)的方法可以快速確定系統(tǒng)所有可能的軟開關工作點的周期及穩(wěn)態(tài)響應波形，人們只能通過繁瑣的數(shù)值運算去找尋可能的軟開關工作點，或者借助仿真軟件對系統(tǒng)反復進行仿真分析，既費時又費力。
　　 本文針對CPT系統(tǒng)的軟開關工作點分析問題，旨在提出一種可適用于一般負載諧振變換器軟開關工作點的周期及穩(wěn)態(tài)波形分析方法，并將該方法應用到實際CPT系統(tǒng)的分析與研究中。
　　 在研究過程中，作者主要作了以

3、下工作：
　　 1.提出了一種軟開關工作點精確計算方法基于頻閃映射方法及不動點理論建立了可分段線性化的自治振蕩非線性系統(tǒng)的通用頻閃映射模型。在此基礎上，針對CPT系統(tǒng)中廣泛應用的電壓型及電流型負載諧振變換器，分別建立了它們的周期不動點函數(shù)模型及軟開關邊界條件表達式，推導出了確定負載諧振變換器的軟開關工作點周期及穩(wěn)態(tài)波形的解析函數(shù)表達式，總結了軟開關工作點計算方法的步驟及特點。并以LCR串聯(lián)諧振電路為例，分析了系統(tǒng)軟開關工作點的周

4、期不動點函數(shù)曲線與系統(tǒng)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 2.分析了CPT系統(tǒng)多軟開關工作點特性以LCL型CPT系統(tǒng)為例，應用本文提出的負載諧振電路軟開關工作點精確計算方法確定了其軟開關工作點，并詳細分析了各軟開關工作點的特性及參數(shù)變化對軟開關工作點個數(shù)的影響，仿真及實驗結果驗證了理論結果及分析方法的正確性。通過對原副邊諧振電壓電流波形特性的討論，發(fā)現(xiàn)了多軟開關工作點下的一些有趣現(xiàn)象及其潛在應用價值，如系統(tǒng)的次諧波振蕩可為低頻開關實現(xiàn)高頻

5、振蕩提供有效的解決途徑，而多軟開關工作點的功率傳輸特性差異則可能被用來設計一種新的功率調(diào)節(jié)器。
　　 3.研究了CPT系統(tǒng)諧振點(一種特殊軟開關工作點)及其穩(wěn)定性問題以推拉式CPT系統(tǒng)為例分析了CPT系統(tǒng)多諧振點及其自治振蕩穩(wěn)定性問題。文中給出了CPT系統(tǒng)中諧振點的定義及判斷條件，建立了系統(tǒng)的龐加萊映射模型，并根據(jù)隱函數(shù)及復合函數(shù)求導法則，推導出了系統(tǒng)龐加萊映射周期不動點的雅可比矩陣，根據(jù)雅可比矩陣的特征值分布情況，即可判斷各不

6、動點的自治振蕩穩(wěn)定性。在實例分析中，文中研究了一個存在三個諧振點的推拉式CPT系統(tǒng)，判斷了其諧振點的穩(wěn)定性，并基于PLECS平臺對該CPT系統(tǒng)進行了仿真研究，驗證了其三個諧振點在定頻控制模式下的軟開關工作特性，給出了定頻控制模式的軟啟動方法；分析了系統(tǒng)在浮頻控制模式下的穩(wěn)態(tài)諧振工作點，驗證了三個諧振點的局部穩(wěn)定性，并研究了拾取端短路解耦控制引起的穩(wěn)定諧振點之間的相互跳動問題。
　　 4.提出了一種新型功率控制策略
　　

7、根據(jù)CPT系統(tǒng)多軟開關工作點的功率傳輸特性差異提出了一種新的基于多軟開關工作點的功率控制策略，其核心思想就是讓系統(tǒng)根據(jù)誤差反饋信息在其多軟開關工作點之間來回切換，從而實現(xiàn)對功率的控制。文中以原副邊均串聯(lián)諧振型CPT系統(tǒng)為例，研究了這種控制策略的工作原理、實現(xiàn)思路以及控制特性等。仿真及實驗結果驗證了該控制策略的可行性。
　　 本文的創(chuàng)新性貢獻在于：
　　 1.針對CPT系統(tǒng)所有可能的軟開關工作點周期及穩(wěn)態(tài)波形的快速準確求解

8、問題，提出了一種基于頻閃映射方法和不動點理論的軟開關工作點精確計算方法，該方法極大地簡化了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析過程，并可推廣應用于一般負載諧振變換電路；
　　 2.針對非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高階非線性特性所帶來的多諧振工作點問題，提出了一種基于龐加萊映射模型及其雅可比矩陣的系統(tǒng)諧振點穩(wěn)定性判據(jù)，發(fā)現(xiàn)多諧振工作點的存在及其穩(wěn)定性差異可能引起系統(tǒng)多諧振點跳轉(zhuǎn)現(xiàn)象；
　　 3.基于非接觸電能傳輸系統(tǒng)多軟開關工作點的功率傳輸特性差異，提出