本发明涉及无线电能传输以及电力电子技术领域，特别是一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统。
背景技术：
直流变换器分为输出可以调节的直流变换器和输出不调节的直流变压器两种类型，直流变压器可以实现功率的传输和电压的提升，在高压直流输电系统中广泛应用，而在新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合也有诸多应用，同时直流-直流变压器技术还可用于进行直流电压采样及直流能量传输与阻抗变换电路。
直流-直流变压器一般采用电力电子方案解决，其中完成隔离变压任务的一般采用基于电磁感应原理的高频变压器，即采用先直流逆变得到交流，交流通过高频变压器变换完成变压比及电气隔离任务，最后再整流得到直流，即常见的dc/ac/dc方案。目前直流-直流变压器主要用于高压直流输电系统及新能源领域，如光伏、燃料电池、超级电容等场合有广泛应用。
强磁耦合无线电能传输变换技术是一项极有前途的高新技术，有着极为广泛应用前景，对于采用强磁耦合无线电能传输变换方案一样可以得到直流-直流变压器，不同于常规电力电子方案通过电磁感应原理的变压器的隔离方式，它通过原、副边线圈的高频谐振耦合原理进行能量传输，可以实现原边与副边线圈无磁芯方案的物理隔离而同时实现无线电能传递，在工业应用中可使设计更灵活。但考虑到强磁耦合无线电能传输对副边也就是能量接收侧的负载变化或能量潮流变化十分敏感，故需要对这个无线电路传输的工作频率以及输出功率进行调节，以实现变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于强磁耦合的无线电能传输变换的直流变压器系统，用强磁耦合无线电能传输变换部分替代高频变压器，通过无线电能传输变换技术实现了直流-直流变压器的能量传输，且通过对无线电能传输的工作频率以及输出功率进行控制调节实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，包括：
dc-ac逆变模块，用于将输入直流转变为原边高频交流；
无线电能传输模块，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；
整流滤波模块，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；
直流输入的正负端与dc-ac逆变模块的输入端连接；dc-ac逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。
优选地，所述dc-ac逆变模块为单相全桥逆变电路，包括有两个并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个全控型晶体管。
优选地，所述无线电能传输模块包括：电感为ly的原边线圈、电容cy、电感为lf的副边线圈、电容cf；所述原边线圈与电容cy串联后与dc-ac逆变模块的输出连接，组成无线电能传输模块的原边，即输入端；所述副边线圈与电容cf并联，组成无线电能传输模块的副边，即输出端。
优选地，所述整流滤波模块包括全桥整流电路以及lc滤波电路，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接lc滤波电路后输出。
优选的，所述直流变压器系统还包括：采样监测单元、过零检测单元、驱动模块以及控制模块，所述采样监测单元用于采样并监测dc-ac逆变模块输入端和输出端、以及整流滤波的输出端的电压以及流经的电流；所述过零检测单元用于获取监测到的电压、电流在一个谐振周期经过零点的时刻；所述控制模块用于对dc-ac逆变模块的工作频率以及直流变压器的输出功率进行控制；所述驱动模块受控制模块控制，驱动dc-ac逆变模块中的开关管开通或关断。
优选地，所述控制模块包括用于判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节dc-ac逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元，所述控制模块对dc-ac逆变模块的工作频率进行调节的具体过程为：
(1)状态判断：采样监测单元对dc-ac逆变模块的输入端电压以及电流进行采样监测，并将采样监测结果送入状态判断单元内，采样监测到的输入端电压、电流被通过乘法器以及零值比较器，若电压、电流的乘积大于0，则无线电能传输模块处于谐振状态，此时dc-ac逆变模块的工作频率适应无线电能传输模块的谐振频率；否则，状态判断单元判断无线电能传输模块处于失谐状态，进入步骤(2)；
(2)调节函数建立：过零检测单元计算出dc-ac逆变模块的输入端电压以及电流的过零时刻，并依据该时刻建立频率调节函数，所述频率调节函数为：
式中，ut电压反馈调节值；fk为dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率；ti为dc-ac逆变模块的输入电压过零的时刻；tj为dc-ac逆变模块的输入电流过零的时刻；uset为已知的电压比较值，代表了与无线电能传输模块的谐振频率相适应的设定电压；γ为频率方差调节因子；fz为无线电能传输模块的谐振频率。
(3)根据所述频率调节函数，对dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率进行调节，使得开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；其中，具体对开关器件的开关频率的调节过程为：
1)获取位于无线电能传输模块的谐振频率σ邻域为：[fz-σ，fz+σ]；该领域的端点频率对应于频率调节函数上的同一个电压反馈调节值，记为参考电压调节值uck；
2)设置第i次采样获取得到的dc-ac逆变模块的工作频率为fki；并依据该次采样获取到的dc-ac逆变电路输入端的电压、电流过零时刻，计算出第i次调节对应的电压反馈调节值uti；依据计算出来的电压反馈调节值uti与参考电压调节值uck比较，根据第i-1次采样获取得到的dc-ac逆变电路的工作频率fk(i-1)与第i次采样获取得到的dc-ac逆变电路的工作频率fki比较的相对大小以及电压反馈调节值uti与参考电压调节值uck的相对大小，不同的比较结果采取不同的策略去更新现有的工作频率fki，使得现有的工作频率fki向着谐振频率fz靠近；将更新后的工作频率通过处理触发驱动电路，进行dc-ac逆变模块的频率调整。
3)当计算得到的第i次调节对应的电压反馈调节值uti等于电压比较值uset时，则调节过程结束，实现了dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；否则，继续进行步骤2)。
本发明的有益效果为：磁耦合无线电能传输变换技术实现直流-直流变压器；能进行无线电能传输，使应用场合更为灵活，该电路结构简单、可靠、实用。本发明直流-直流变压器在高压直流输电系统、新能源应用领域，在直流能量无线传输及无线方案直流阻抗变换电路以及某些特殊实验等应用领域均可广泛应用；且对该变压器系统的电路模型进行分析，并提出了一种具有对无线电能传输的工作频率以及输出功率进行控制调节的直流-直流变压器系统，实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的一个优选实施例中直流变压器电路的电路连接图；
图2为本发明的一个优选实施例中dc-ac逆变模块的电路拓扑连接图。
附图标记：
dc-ac逆变模块1；无线电能传输模块2；整流滤波模块3；
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本实施例中，提供了一种基于磁耦合无线电能传输的直流变压器系统，包括：
dc-ac逆变模块1，用于将输入直流转变为原边高频交流；
无线电能传输模块2，包括原边谐振模块以及副边谐振模块，原边谐振模块接收所述高频交流，并将其转换成强耦合的电磁场发送给副边谐振模块；所述副边谐振模块接收所述的电磁能后又将其转换为副边高频交流；
整流滤波模块3，用于将副边高频交流整流转换成直流并滤除高频分量；
直流输入的正负端与dc-ac逆变模块的输入端连接；dc-ac逆变模块的输出端与无线电能传输模块的输入端连接；无线电能传输模块的输出端与整流滤波模块的输入端连接；整流滤波模块得到最终输出的直流电压。
本实施例中，所述dc-ac逆变模块为单相全桥逆变电路，包括有两个并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个全控型晶体管。
本实施例中，所述无线电能传输模块包括：电感为ly的原边线圈、电容cy、电感为lf的副边线圈、电容cf；所述原边线圈与电容cy串联后与dc-ac逆变模块的输出连接，组成无线电能传输模块的原边，即输入端；所述副边线圈与电容cf并联，组成无线电能传输模块的副边，即输出端。
本实施例中，所述整流滤波模块包括全桥整流电路以及lc滤波电路，所述全桥整流电路的输入端与无线电能传输模块的输出端连接，全桥整流电路的输出端连接lc滤波电路后输出。
本实施例中，所述直流变压器系统还包括：采样监测单元、过零检测单元、驱动模块以及控制模块，所述采样监测单元用于采样并监测dc-ac逆变模块输入端和输出端、以及整流滤波的输出端的电压以及流经的电流；所述过零检测单元用于获取监测到的电压、电流在一个谐振周期经过零点的时刻；所述控制模块用于对dc-ac逆变模块的工作频率以及直流变压器的输出功率进行控制；所述驱动模块受控制模块控制，驱动dc-ac逆变模块中的开关管开通或关断。
本实施例中，所述控制模块包括用于判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节dc-ac逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元，所述控制模块对dc-ac逆变模块的工作频率进行调节的具体过程为：
(1)状态判断：采样监测单元对dc-ac逆变模块的输入端电压以及电流进行采样监测，并将采样监测结果送入状态判断单元内，采样监测到的输入端电压、电流被通过乘法器以及零值比较器，若电压、电流的乘积大于0，则无线电能传输模块处于谐振状态，此时dc-ac逆变模块的工作频率适应无线电能传输模块的谐振频率；否则，状态判断单元判断无线电能传输模块处于失谐状态，进入步骤(2)；
(2)调节函数建立：过零检测单元计算出dc-ac逆变模块的输入端电压以及电流的过零时刻，并依据该时刻建立频率调节函数，所述频率调节函数为：
式中，ut电压反馈调节值；fk为dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率；ti为dc-ac逆变模块的输入电压过零的时刻；tj为dc-ac逆变模块的输入电流过零的时刻；uset为已知的电压比较值，代表了与无线电能传输模块的谐振频率相适应的设定电压；γ为频率方差调节因子；fz为无线电能传输模块的谐振频率。
(3)根据所述频率调节函数，对dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率进行调节，使得开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；其中，具体对开关器件的开关频率的调节过程为：
1)获取位于无线电能传输模块的谐振频率σ邻域为：[fz-σ，fz+σ]；该领域的端点频率对应于频率调节函数上的同一个电压反馈调节值，记为参考电压调节值uck；
2)设置第i次采样获取得到的dc-ac逆变模块的工作频率为fki；并依据该次采样获取到的dc-ac逆变电路输入端的电压、电流过零时刻，计算出第i次调节对应的电压反馈调节值uti；依据计算出来的电压反馈调节值uti与参考电压调节值uck比较，根据第i-1次采样获取得到的dc-ac逆变电路的工作频率fk(i-1)与第i次采样获取得到的dc-ac逆变电路的工作频率fki比较的相对大小以及电压反馈调节值uti与参考电压调节值uck的相对大小，不同的比较结果采取不同的策略去更新现有的工作频率fki，使得现有的工作频率fki向着谐振频率fz靠近；将更新后的工作频率通过处理触发驱动电路，进行dc-ac逆变模块的频率调整。
3)当计算得到的第i次调节对应的电压反馈调节值uti等于电压比较值uset时，则调节过程结束，实现了dc-ac逆变模块中开关器件的开关频率回归至与无线电能传输模块的谐振频率相对应的频率；否则，继续进行步骤2)。
本优选实施例中，通过设立了判断无线电能传输模块是否处于谐振状态的状态判断单元以及用于在失谐传输时调节dc-ac逆变模块的工作频率使得其与谐振频率相适应的频率修正单元，可以及时的发现频率失谐以及快速的调节；且还设计了频率调节函数以及对应的调节算法，使得频率调节的响应速度快，保证了无线电能传输模块的电能传输效率。
本实施例中，考虑到当进行无线电能传输时，所述无线电能传输模块中由于磁耦合中存在能量损失，且现有技术中通过检测变压器副边的电压、电流进而输出功率的计算并根据计算结果进行反馈控制存在时延，造成控制偏滞后；故基于能量守恒定律以及等效电路原理，将变压器副边的全部部分等效至变压器原边；通过对副边全部电路等效至变压器的原边的等效电阻的计算，即可确定变压器原边向副边传输的功率，并以此反映变压器系统向外部的输出功率。
本实施例中，所述控制模块还包括：用于计算出反映输出功率的等效值，并根据该输出功率的等效值进行反馈调节dc-ac逆变模块中开关管在一个周期内的开通及关断的时间比值，进而调节dc-ac逆变模块输出功率的输出功率调节模块。
本实施例中，所述对输出功率等效值的计算是在将副边全部电路等效至原边后得到的等效阻抗的基础上计算出来的，所述等效阻抗为：zk；如此，则从变压器原边向变压器副边传输的功率也就是输出功率的等效值计算公式为：
pdo＝iyf2×re(zk)
式中，pdo为输出功率的等效值；所述iyf为在采样时间周期内流过原边线圈中的电流的有效值；zk为变压器副边全部电路等效至原边后得到等效阻抗。
本优选实施例中，基于等效电路原理，通过计算原边处等效阻抗所耗功率即可实现对变压器整体输出功率的估计，为变压器输出功率的反馈调节提供了一种新的思路。
本实施例中，所述输出功率调节模块包括等效阻抗计算单元以及功率调节单元；所述等效阻抗计算单元基于能量守恒模型，通过检测dc-ac逆变模块的输出端电压以及电流，即可计算出对应采样周期内等效阻抗的值；所述计算等效阻抗的具体过程为：
(1)设定固定的采样周期，在采样周期内对dc-ac逆变模块的输出端电压以及电流值进行采样；
(2)将上述检测获取得到的电压以及电流送入过零检测单元，得到dc-ac逆变模块的输出端电压经过零点的时刻为tm；获取输出端的电流过零的时刻tn；根据dc-ac逆变模块电压电流的角频率计算出偏移相位角
(3)依据上述获取的各电气量以及变压器的原边线圈内的内阻，计算其副边对原边的等效阻抗：
式中，zk为副边对原边的等效阻抗；vo为dc-ac逆变模块在一个采样周期内输出端的电压的有效值；io为dc-ac逆变模块在一个采样周期内输出端的电流的有效值；θ为偏移相位角；ix为原边线圈在一个采样周期内流经的电流的有效值；rl为原边线圈的内阻；iomax为dc-ac逆变模块在一个采样周期内输出端的电流的最大值；ixmin为原边线圈在一个采样周期内流经的电流的最大值；cy为原边的谐振电容；ly为原边线圈的电感；cf为副边的谐振电容；lf为副边线圈的电感。
本优选实施例中，基于能量守恒定律，设计了副边全部电路相对于原边的等效阻抗的计算公式，应用该计算公式得到的等效阻抗去计算等效功率，满足了估计变压器输出功率的精度要求，且该计算公式简单，计算量小，在采样周期内即可快速的求取出等效阻抗，保证了接下来的功率调节的响应速度。
本实施例中，所述dc-ac逆变模块的输入端的正极连接有可控开关管s1和s3；所述dc-ac逆变模块的输入端的负极连接有可控开关管s2和s4；所述s1和s2形成一个桥臂，所述s3和s4形成另一个桥臂；所述可控开关管的在一个开关周期内开通时间与关断时间的比值受驱动电路控制，所述可控开关管s1和s4的触发信号相同，同时导通或同时关断；所述控开关管s2和s3的触发信号相同，同时导通或同时关断；所述可控开关管s1与可控开关管s2的触发信号互补。
本实施例中，所述功率调节单元调节可控开关管的在一个开关周期内开通时间与关断时间的比值，进而实现对输出功率进行调节控制，具体的过程为：
(1)采样监测单元设定采样周期，在一个采样周期对流经原边线圈的电流值进行采样；并根据上述计算得到的等效阻抗，计算副边等效至原边后得等效功率pdo；
(2)设定一个功率参考值prck；当检测到等效功率pdo小于功率参考值prck，且流经dc-ac逆变模块输出端的电流过零点时刻与流经原边线圈的谐振电流的过零点时刻相同时，检测下一采样时刻原边线圈的电流的方向，若为正向(向副边流动)，则发出导通s1和s4，关断s2和s3的控制信号给驱动电路，进而实现控制开关管的开通及关断；若为反向(向dc-ac逆变模块的输出端流动)，则发出关断s1和s4，导通s2和s3的控制信号给驱动电路，进而实现控制开关管。
当检测到等效功率大于功率参考值prck,且流经dc-ac逆变模块输出端的电流过零点时刻与流经原边线圈的谐振电流的过零点时刻相同时，检测下一采样时刻原边线圈的电流的方向，若为正向(向副边流动)，则发出导通s1，关断s2、s3和s4的控制信号给驱动电路，进而实现控制开关管；若为反向(向dc-ac逆变模块输出端流动)，则发出关断s1、s2和s3，导通s4的控制信号给驱动电路，进而实现控制开关管。
(3)在开关管开关周期内，采样监测单元可进行多次采样，采样次数越多，即可实时更精确的控制可控开关管的开通时间以及关断时间，进而修正输出功率，直至计算得到的输出功率跟踪功率参考值prck。
本优选实施例中，建立了功率调节单元，通过依据反映副边等效功率以及dc-ac逆变模块以及线圈中流过的电压、电流变化，来选择不同的控制策略来控制dc-ac逆变电路中的全控型高频开关管的开关，使得对功率的跟踪实时高效。
本实施例中，提供了一种磁耦合无线电能传输变换技术实现直流-直流变压器；能进行无线电能传输，使应用场合更为灵活，该电路结构简单、可靠、实用。本发明直流-直流变压器在高压直流输电系统、新能源应用领域，在直流能量无线传输及无线方案直流阻抗变换电路以及某些特殊实验等应用领域均可广泛应用；且对该变压器系统的电路模型进行分析，并提出了一种具有对无线电能传输的工作频率以及输出功率进行控制调节的直流-直流变压器系统，实现了变压器两侧之间高效率的、传输功率可控的无线电能传输。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。