- 頭條多自由度組合控制策略，能提升雙向無線電能傳輸系統的整體效率2020-01-16 作者：劉方、陳凱楠、蔣燁、趙爭鳴 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系）的研究人員劉方、陳凱楠、蔣燁、趙爭鳴，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“雙向無線電能傳輸系統效率優化控制策略研究”）指出，電動汽車雙向無線電能傳輸系統以其便利性和互動性，可適用于未來車聯網。相比單向系統，雙向系統控制自由度多，不同自由度的選取和組合會影響系統中變換器和傳輸線圈損耗的分布及其大小，進而影響系統的整體效率。因此，如何通過多個控制自由度間的協調組合提升系統整體效率，是雙向系統控制的關鍵性問題。 該文首先分析了多個控制自由度間組合關系對變換器運行狀態和線圈間傳輸效率的影響，推導了實現變換器優化運行和線圈間傳輸效率提升的約束條件。在此基礎上，針對上述優化運行條件，對系統各部分損耗及整體效率進行了估算，并提出一種實現雙向無線電能傳輸系統效率優化的多自由度組合控制策略。搭建了相應的仿真和實驗平臺，實驗結果驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統控制策略的對比結果表明，所提方法能進一步優化系統運行狀態，提升整體效率。
無線電能傳輸技術的飛速進步和電動汽車行業的快速發展，使得電動汽車無線充電技術成為學術界和工業界的研究熱點。當前，關于無線電能傳輸技術的研究大多集中在輸出特性分析、傳輸效率提升、信號傳輸方法及電磁環境安全評估]等方面，且主要針對單向傳輸系統（即電能只能從電網流向車載電池）。
而隨著能源互聯網概念的提出以及車聯網技術的發展，電動汽車將作為未來智能配電網中一類重要的移動式儲能系統。雙向無線電能傳輸（Bidirectional Wireless Power Transfer，BWPT）系統以其便利性和互動性，使用戶樂意參與到電網削峰填谷等調控行為，對提升未來能源互聯網的穩定性和智能性起到重要作用。
關于BWPT系統，目前國內研究較少。文獻[10]仿真分析了多負載傳輸系統中電能雙向流動的控制策略。文獻[11]對適用于BWPT系統的三種諧振拓撲特性進行了比較分析。國外以奧克蘭大學U. K.Madawala和佛羅里達國際大學O. A. Mohamed研究團隊為代表，研究集中在系統數學模型的建立、傳輸特性的分析、控制信號的同步方法及能量雙向流動的功能實現等方面。
在控制策略方面，由于BWPT系統控制自由度較多，而不同自由度的選取和組合會影響系統變換器和傳輸線圈的損耗分布及大小，進而影響系統整體效率。因此，如何通過多個控制自由度間的協調組合提升系統整體效率，是BWPT系統控制的關鍵問題。
文獻[17]提出“發射端變換器工作在高頻逆變模式，接收端變換器工作在不控整流模式”的思路，其問題在于線圈間傳輸效率受負載變化影響較大，不適用于寬負載范圍運行，且不能實現能量流動方向的平滑切換。文獻[18]分析了負載變化時維持線圈間較高傳輸效率的約束條件，但未考慮變換器損耗的影響。文獻[19]計及了變換器損耗對系統效率的影響，但優化目標仍是線圈間傳輸效率，并未對變換器運行狀態進行分析和優化。
針對以上問題，本文著眼于BWPT系統整體效率，從一次、二次變換器的優化運行和線圈間傳輸效率的提升兩個方面對BWPT系統運行狀態進行優化。本文首先分析了三個控制自由度對于一次、二次變換器運行狀態和線圈間傳輸效率的影響，推導了實現變換器優化運行和傳輸效率提升的約束條件。
在此基礎上，針對上述優化運行條件，對系統各部分損耗及整體效率進行估算，并提出一種實現系統效率優化的控制策略。搭建了相應的仿真和實驗平臺，實驗結果驗證了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統控制策略的結果對比表明，所提方法能進一步優化BWPT系統運行狀態，提升系統整體效率。
圖8 BWPT系統實驗平臺
圖11兩種控制方案的系統整體運行效率對比
結論
針對雙向無線電能傳輸系統，本文主要研究了如何通過系統中三個控制自由度的協調組合，對BWPT系統的運行狀態和整體效率進行優化的控制策略。與現有研究中僅關注線圈間傳輸效率不同，本文的優化目標同時著眼于變換器的運行狀態和系統整體效率。首先分析了BWPT系統中三個控制自由度對變換器運行狀態和線圈間傳輸效率的影響，得到了實現系統優化運行的約束條件。
在此基礎上，推導了一套系統整體效率的估算方法，并提出了一種實現BWPT系統效率優化的多自由度組合控制策略。仿真和實驗結果證實了理論分析的正確性和所提方法的有效性。與傳統控制策略的對比結果表明，在寬負載范圍運行時，所提控制方案能進一步提升BWPT系統整體效率。本文工作有助于BWPT系統的優化設計、運行狀態分析及工作模式選擇。
