感应电能传输系统的无功功率抑制及恒压控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应电能传输技术领域，尤其涉及感应电能传输系统的无功功率抑制方法。
【背景技术】
[0002]感应电能传输技术已应用于轨道交通列车、电动汽车等移动设备供电。与传统依靠导体直接物理接触的电能传输技术相比，感应电能传输技术传输电能的过程不存在接触火花、漏电、受雨雪尘土影响等问题，有效地提高了供电安全性和可靠性，具备广阔的市场应用前景。
[0003]感应电能传输系统的结构和工作过程为:工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电输入到高频逆变器装置后变换成高频的交流电；高频的交流电在初级线圈上激发高频磁场;不与初级线圈直接接触的次级能量拾取线圈通过高频磁场近场耦合感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式给负载供电，实现能量的非接触式传输。
[0004]近年来，越来越多的研究将感应电能传输系统应用到电动汽车静态充电中，由于电动汽车的次级能量拾取线圈未能按照理想位置停放于初级线圈上，造成系统偏离谐振状态，系统的无功功率较大，造成电网的功率因数偏低，电能质量偏低，影响电网安全、经济运行。为了提高电网的功率因数，需抑制感应电能传输系统的无功功率，使系统工作在谐振状态。充电过程中一般要保证对负载进行恒压模式供电，稳定输出电压，保护电池并延长电池使用寿命。由此，需要对感应电能传输系统的无功功率抑制及恒压控制方法展开研究。
[0005]采用调整高频逆变器装置工作频率使其逼近系统谐振频率的方式能够使系统工作在谐振状态下，通过采集高频逆变器装置的输出电压与输出电流，经算法处理得到无功功率，以此判断系统的当前状态，进而调整高频逆变器装置工作频率，本方法简单方便，节省成本，无需在电路中增加多余的开关、补偿电感电容或锁相环等其他硬件，但本方法需借助高速模数转换器采集高频逆变器装置的输出电压与输出电流，因而对处理器的数据处理能力要求较高。充电过程中一般要保证对负载进行恒压模式供电，稳定输出电压，保护电池并延长电池使用寿命。由此，需要对感应电能传输系统的无功功率抑制及恒压控制方法展开研究。
[0006]感应电能传输系统中，已有的无功功率抑制方法有两种:方法一是固定高频逆变器装置工作频率，通过切换电路中元件重新调整系统为谐振状态。通过检测高频逆变器装置的输出电压和输出电流的过零点，将经处理器计算得到的阻抗角作为PI调节器的反馈量，通过调节补偿电容矩阵改变电容值，重新调整系统为谐振状态;或是在电路拓扑中加入相控电感电容并联电路，通过改变开关管的触发延迟角来改变电感值，实现对原副边回路的动态补偿，重新调整系统为谐振状态。补偿电容矩阵调谐方法存在的问题是，由于系统电容值得变化有其步长，如果想要增加系统的控制精度必然要求增加大量容值更小的电容元件，导致系统的结构非常复杂，成本增加，而实际应用中往往受到体积和成本限制，导致系统无法工作于谐振状态。加入相控电感电容并联电路调谐方法存在的问题是，由于开关管直接连入电路拓扑，使系统频率和功率都要受到开关管的限制，因此该调谐方法只适用于小功率感应电能传输系统，另外，相控电感电容并联电路中的电容电感若选取不当，可能导致阻抗角始终不能等于零，导致系统无法工作于谐振状态。方法二是调整高频逆变器装置工作频率使其逼近系统谐振频率。通过检测高频逆变器装置的输出电压和输出电流的过零点，将经处理器计算得到的阻抗角作为PI调节器的反馈量，通过改变高频逆变器装置的工作频率，重新调整系统为谐振状态;或是通过比较锁相环输出与输入信号的相位，改变压控振荡器的输出频率，使之跟踪环路中的输入电压，输出信号输入PWM控制器用以控制高频逆变器装置的开关管的工作频率，以保证系统工作在谐振状态下。基于阻抗角调频调谐方法存在的问题是，过零点检测使得控制系统和硬件电路更复杂，若过零点检测设计不当容易造成算出的高频逆变器装置的输出电压和输出电流的相角存在误差，控制器得到的反馈值不准确，系统仍存在较大的无功功率。基于锁相环的跟踪调谐方法存在的问题是，由于锁相环输出滤波电容的限制，任何信号的锁相环都有一定的捕捉频带和跟踪频带，因此，该方法无法实现全频带的频率跟踪和调节。
【发明内容】
[0007]本发明的发明目的是提供一种感应电能传输系统的无功功率抑制及恒压控制方法，该方法的硬件电路简单，算法复杂程度低，得到的反馈值更准确，无功功率抑制效果好。
[0008]本发明所采用的技术方案是，一种感应电能传输系统的无功功率抑制及恒压控制方法，包括以下步骤:
[0009]A、采样器在一个系统工作周期T内，采集得到高频逆变器装置的输出电流信号i(t)的离散值i (tn)和高频逆变器装置的输出电压信号u (t)的离散值u (tn)，tn = IT/N，2T/N,...,ηΤ/Ν,...,ΝΤ/Ν；
[0010]其中:t为时间，N是一个系统工作周期T内采样器采集得到的高频逆变器装置的输出电流信号i(t)的离散值i(tn)或高频逆变器装置的输出电压信号u(t)的离散值u(tn)的总数，tn是高频逆变器装置的输出电流信号i(t)第η个离散值i(tn)或高频逆变器装置的输出电压信号u (t)第η个离散值u (tn )对应的时刻；
[0011]B、控制器同步给出参考正弦信号S(t)的离散值S(tn)，S(tn) = sin( ω tn)和参考余弦信号C(t)的离散值C(tn)，C(tn) = COs(COtn);其中，ω为高频逆变器当前的工作频率，ω=2 VT;
[0012 ] c、控制器将A步的高频逆变器装置的输出电流信号i (t)的离散值i (tn)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(tn)相乘得到高频逆变器装置的输出电流的参考正弦积离散值is(tn);将A步的高频逆变器装置的输出电流信号i(t)的离散值i(tn)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(tn)相乘得到高频逆变器装置的输出电流的参考余弦积离散值r(tn);
[0013 ]控制器将A步的高频逆变器装置的输出电压信号u (t)的离散值u (tn)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(tn)相乘得到高频逆变器装置的输出电压的参考正弦积离散值1!3(tn);将A步的高频逆变器装置的输出电压信号u(t)的离散值u(tn)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(tn)相乘得到高频逆变器装置的输出电压的参考余弦积离散值
[0014]D、控制器将C步得到的高频逆变器装置的输出电流所有的参考正弦积离散值is(U)和高频逆变器装置的输出电流所有的参考余弦积离散值ie(tn)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到高频逆变器装置的输出电流的参考正弦积直流分量is与高频逆变器装置的输出电流的参考余弦积直流分量i。;
[0015]控制器将C步得到的一个系统工作周期T内的高频逆变器装置的输出电压所有的参考正弦积离散值us(tn)和高频逆变器装置的输出电压所有的参考余弦积离散值#(^)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到高频逆变器装置的输出电压的参考正弦积直流分量Us与高频逆变器装置的输出电压的参考余弦积直流分量Uc;
[0016]Ε、控制器根据D步得到的高频逆变器装置的输出电压的参考正弦积直流分量us、高频逆变器装置的输出电压的参考余弦积直流分量Uc、高频逆变器装置的输出电流的参考正弦积直流分量is和高频逆变器装置的输出电流的参考余弦积直流分量i。，分别算出高频逆变器装置的输出有功功率值P，P = 2 (isus+icuc)和高频逆变器装置的输出无功功率值Q，Q
=2( icUs-1sUc)；
[0017]F、控制器将E步骤的高频逆变器装置的输出无功功率值Q作为PI调节器一的感应电能传输系统的无功功率抑制的无功功率反馈信号，将PI调节器一的感应电能传输系统的无功功率抑制的无功功率的给定值设为0，通过PI调节器一的调节得到高频逆变器装置下一阶段的工作频率ω PI;再将高频逆变器装置下一阶段的的工作频率ω PI输入信号调制器，通过信号调制器实现对高频逆变器装置的工作频率调节，进而对感应电能传输系统的无功功率进彳丁抑制；
[0018]当感应电能传输系统的无功功率小于总功率的5%时，判定感应电能传输系统工作于准谐振状态，控制器将负载电压值UL作为PI调节器二的感应电能传输系统的负载电压值反馈信号，将Uref作为PI调节器二的感应电能传输系统的负载电压值的给定值，通过PI调节器二的调节得到下一阶段的高频逆变器装置的输出电压输入信号调制器，通过信号调制器的脉宽调节实现对高频逆变器装置的输出电压的基波幅值调节，进而对感应电能传输系统的负载电压值进行恒压控制。
[0019]本发明的主要工作原理是:
[0020]采集器采集高频逆变器装置的输出电流、输出电压的瞬时值和负载电压的瞬时值，通过有功无功分解法得到高频逆变器装置的无功功率值，将高频逆变器装置的无功功率值和采样得到的负载电压值作为PI调节器的反馈值，经PI调节器调节后作用于高频逆变器装置的工作频率和高频逆变器装置的输出电压的基波幅值，经过反馈调节使感应电能传输无功功率得到抑制、负载电压恒定到设计值。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]采用调整高频逆变器装置工作频率使其逼近系统谐振频率的方式能够使系统工作在谐振状态下，通过采集高频逆变器装置的输出电压与输出电流，经有功无功分解算法处理得到无功功率值，作为PI调节器的反馈