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1、無(wú)線(xiàn)電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術(shù)是通過(guò)空氣間隙以非接觸的方式對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電的電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)體接觸的供電方式來(lái)說(shuō)有著革命性的突破,無(wú)需直接接觸就可以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸,有效地解決了導(dǎo)體直接接觸帶來(lái)的一系列問(wèn)題(如接觸網(wǎng)、第三軌等機(jī)械滑動(dòng)摩擦帶來(lái)的問(wèn)題)。該技術(shù)具有安全、可靠、靈活等傳統(tǒng)電能傳輸方式無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。然而在軌道交通非接觸供電等大功率應(yīng)用中,由于受到構(gòu)成高頻逆變器的開(kāi)關(guān)器
2、件容量與成本的限制,傳統(tǒng)的WPT系統(tǒng)往往較難滿(mǎn)足大功率能量傳輸?shù)男枨蟆4嬖谀芰總鬏斖ǖ垒^為單一以及線(xiàn)圈體積較為龐大的弊端,難以實(shí)現(xiàn)WPT系統(tǒng)高安全性、高靈活性以及高可靠性的大功率能量傳輸目標(biāo)。
為此,本文以提高WPT系統(tǒng)傳輸能量為目標(biāo),以多逆變器與多線(xiàn)圈組合的方式為切入點(diǎn),開(kāi)展對(duì)級(jí)聯(lián)多電平逆變器、并聯(lián)逆變器以及多能量傳輸?shù)裙β侍嵘夹g(shù)的研究,著重解決上述功率提升技術(shù)在應(yīng)用時(shí)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。
論文的主要工作可歸納為:
3、
(1)針對(duì)電力開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力較大問(wèn)題,提出了基于階梯波移相合成方法的級(jí)聯(lián)型多電平逆變器的WPT系統(tǒng)。以?xún)蓡卧咫娖郊?jí)聯(lián)型逆變器為例,詳細(xì)分析了其工作原理和功率自平衡特性。求得輸出電壓的各次諧波相量,建立諧波消除方程,可通過(guò)選擇合適的開(kāi)關(guān)角,消除輸出電壓特定次諧波。最后進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的方法能夠有效消除特定次諧波(以消除3次諧波為例),各個(gè)級(jí)聯(lián)逆變器輸出功率相等,并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。
(2)
4、針對(duì)電力開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力較大問(wèn)題,提出了基于逆變器并聯(lián)的WPT系統(tǒng)。分析了器件以及諧振元件參數(shù)容差對(duì)逆變單元之間環(huán)流的影響??紤]WPT系統(tǒng)的逆變單元輸出電流具有高頻、易受干擾難以鎖相的特點(diǎn),提出了一種基于無(wú)鎖相環(huán)的虛擬有功、無(wú)功電流分解的控制方法。所提控制方法不僅能有效消除環(huán)流,還能增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。
(3)針對(duì)傳統(tǒng)WPT系統(tǒng)能量傳輸通道單一化的問(wèn)題,提出了采用多個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈取代
5、單個(gè)發(fā)射線(xiàn)圈的方法,通過(guò)增加WPT系統(tǒng)能量發(fā)射通道的數(shù)量,可以有效縮小線(xiàn)圈體積,降低磁芯重量;在此基礎(chǔ)上考慮多發(fā)射線(xiàn)圈間互感的影響,提出一種電容補(bǔ)償方法,不但能使逆變器工作在諧振狀態(tài),而且能分配各個(gè)逆變器的輸出功率;同時(shí)提出一種最優(yōu)負(fù)載跟蹤方法,實(shí)時(shí)地跟蹤系統(tǒng)的最優(yōu)效率點(diǎn),使得WPT系統(tǒng)在大功率傳輸時(shí)能維持較高的傳輸效率。
(4)基于上述提出的多發(fā)射WPT系統(tǒng),考慮諧振元器件以及電壓的容差,研究了諧振元器件參數(shù)以及電壓的容差對(duì)
6、各發(fā)射線(xiàn)圈電流的影響機(jī)理,提出了一種均流控制方法。從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出該控制方法能使線(xiàn)圈電流得到有效均分,顯著提升系統(tǒng)傳輸功率、效率以及可靠性。
(5)針對(duì)軌道交通應(yīng)用中,拾取線(xiàn)圈安裝空間受限的問(wèn)題,提出一種多發(fā)射-多拾取的WPT系統(tǒng)。借助有限元數(shù)值仿真分析軟件,設(shè)計(jì)分析了雙發(fā)射-雙拾取的線(xiàn)圈以及解耦變壓器結(jié)構(gòu)。分析了發(fā)射線(xiàn)圈間的互感以及拾取線(xiàn)圈間的互感對(duì)系統(tǒng)能量傳遞的影響,提出一種采用解耦變壓器降低同側(cè)互感影響的方法
7、,該方法不僅能提高系統(tǒng)整體效率,而且可以降低逆變器的無(wú)功功率。最后,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
基于逆變器多種組合方式,本文形成了從“多逆變器、單發(fā)射線(xiàn)圈與單拾取線(xiàn)圈”,到“多逆變器、多發(fā)射線(xiàn)圈與單拾取線(xiàn)圈”,再到“多逆變器、多發(fā)射線(xiàn)圈與多拾取線(xiàn)圈”逐步深入的功率提升策略體系,切實(shí)解決了應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的諧波、環(huán)流、功率不平衡、線(xiàn)圈面積過(guò)大等問(wèn)題。為上述多種功率提升技術(shù)在大功率WPT系統(tǒng)中的應(yīng)用,提供一定的理論基礎(chǔ)以及實(shí)驗(yàn)依據(jù)
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