面向效率提升的無線電能傳輸系統(tǒng)綜合控制與優(yōu)化策略.pdf

1、無線電能傳輸是一種借助于軟介質(zhì)實現(xiàn)能量以無線形式傳遞的新興技術(shù)，其中基于電磁耦合的無線電能技術(shù)在十年來成為研究者的研究的熱點，已在電動汽車、數(shù)碼家電、工業(yè)吊裝、石油鉆探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然目前已有大量應(yīng)用，但運行時的低效率問題仍是困擾該技術(shù)的發(fā)展的瓶頸問題之一。為提升效率，研究者提出了一些解決方案，但都是針對單一目標(biāo)的優(yōu)化或控制，不能實現(xiàn)系統(tǒng)的全局最優(yōu)效率綜合控制。要實現(xiàn)系統(tǒng)綜合控制，必須同時考慮多個系統(tǒng)性能指標(biāo)，從全局角度完成

2、系統(tǒng)的設(shè)計、控制及優(yōu)化。但由于無線電能傳輸系統(tǒng)是一種松耦合形式的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)存在多級諧振系統(tǒng)及強非線性環(huán)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及運行特性，系統(tǒng)設(shè)計與控制均較為困難。針對這些問題，從控制理論角度出發(fā)，針對多目標(biāo)需求條件下面向效率最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化控制開展研究，主要開展的研究工作包括以下幾個方面：
　　①針對無線電能傳輸系統(tǒng)的效率問題，提出了一種雙自由度最大效率跟蹤控制方法。該方法依托于對于最大效率的有源匹配，通過實時對負(fù)載

3、參數(shù)的辨識，改變有源阻抗匹配環(huán)節(jié)的占空比，實現(xiàn)對最大效率匹配的阻抗的準(zhǔn)確跟蹤，保證系統(tǒng)實時工作在最大效率點上。為同時滿足最大效率跟蹤與輸出電壓控制需求，給出輸出控制與最大效率跟蹤控制的解耦方法，實現(xiàn)了雙自由度獨立解耦控制，保證了最大效率跟蹤條件下的輸出電壓控制需求。本論文通過實驗驗證了該控制方法。
　　②在最大效率跟蹤模式中，針對傳統(tǒng)阻抗匹配范圍受限的問題，提出一種基于CCM(Continuous Conducton Mode)和

4、DCM(Discontinuous Conduction Mode)模式切換的阻抗匹配范圍拓展方法。該方法在不增加任何附加電路的前提下，通過控制阻抗匹配變換器運行在不同的工作模態(tài)，有效地動態(tài)拓展負(fù)載的適應(yīng)范圍。分析及實驗結(jié)果表明，這種拓展方法可以有效地實現(xiàn)3倍于原匹配范圍的阻抗變換。
　?、厶岢隽艘环N基于虛擬變換器的綜合魯棒控制方法。該方法采用移相控制以實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制，但移相控制無法直接適用于綜合控制系統(tǒng)。為此，本論文提出采用虛

5、擬變換器為橋梁以實現(xiàn)系統(tǒng)高效魯棒控制，并建立起虛擬變換器與真實物理系統(tǒng)的移相控制器的等效連接關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立了多目標(biāo)高效魯棒控制算法，實現(xiàn)了多個性能目標(biāo)的綜合系統(tǒng)控制。
　?、茚槍PT系統(tǒng)的多目標(biāo)的綜合設(shè)計需求，提出一種面向效率最優(yōu)的多目標(biāo)魯棒優(yōu)化設(shè)計方法。該方法綜合考慮系統(tǒng)所需要的多個性能指標(biāo)，包括高輸入輸出增益、功率傳輸能力、系統(tǒng)整體效率等，并綜合考慮系統(tǒng)的松耦合特性所帶來的參數(shù)隨機波動，給出了保證系統(tǒng)魯棒性的優(yōu)化設(shè)計

6、策略?；谠摲椒ㄋO(shè)計不僅可以滿足設(shè)計需求，還能在一定范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)的魯棒性要求，整體性能達(dá)到最優(yōu)。
　?、葆槍λ矔r過載條件下系統(tǒng)效率提升問題，提出了基于雙激勵單元的短時過載條件下效率提升方法，通過利用雙激勵單元，不但可以增加瞬時功率輸出容量，同時還能有效地降低變換器中的電壓、電流應(yīng)力，有效地提升了系統(tǒng)整體效率。論文對比分析不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取了最優(yōu)的功率變換結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了性能分析與對比比較。該方法能實現(xiàn)3倍于原方法的功率容量，同時

7、還能有效降低系統(tǒng)的電壓與電流應(yīng)力。
　　本論文的主要創(chuàng)新性貢獻(xiàn)主要包括以下三個方面:
　?、籴槍PT系統(tǒng)運行的低效率問題，提出一種基于有源阻抗匹配的雙自由度最大效率跟蹤控制方法，保證系統(tǒng)的最大效率跟蹤運行及輸出電壓穩(wěn)定控制的雙重運行要求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于CCM和DCM模式切換的有源阻抗匹配范圍拓展方法，增強了WPT系統(tǒng)對負(fù)載變化的適應(yīng)性。
　?、卺槍PT系統(tǒng)的松耦合運行所帶來的多參數(shù)不確定性、多控制環(huán)節(jié)所

8、帶來的低系統(tǒng)效率問題，提出了一種基于虛擬變換器的多目標(biāo)魯棒綜合控制方法，通過構(gòu)造虛擬變換器解決了移相變換器與綜合控制器的轉(zhuǎn)換問題，使系統(tǒng)減少了輸入調(diào)壓環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)整體工作效率，考慮多參數(shù)不確定性與多性能指標(biāo)需求，提出了H∞次優(yōu)控制器設(shè)計方法，有效地解決了系統(tǒng)頻率、耦合系數(shù)及負(fù)載不確定性所帶來的綜合控制問題。
　　③針對WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計較為困難的問題。提出了一種面向效率最優(yōu)的多性能指標(biāo)的綜合設(shè)計方法，該方法能根據(jù)設(shè)計