面向效率提升的无线电能传输系统综合控制与优化策略

摘要

无线电能传输是一种借助于软介质实现能量以无线形式传递的新兴技术，其中基于电磁耦合的无线电能技术在十年来成为研究者的研究的热点，已在电动汽车、数码家电、工业吊装、石油钻探等领域得到了广泛的应用。虽然目前已有大量应用，但运行时的低效率问题仍是困扰该技术的发展的瓶颈问题之一。为提升效率，研究者提出了一些解决方案，但都是针对单一目标的优化或控制，不能实现系统的全局最优效率综合控制。要实现系统综合控制，必须同时考虑多个系统性能指标，从全局角度完成系统的设计、控制及优化。但由于无线电能传输系统是一种松耦合形式的系统，而且系统存在多级谐振系统及强非线性环节，导致系统呈现出复杂的结构及运行特性，系统设计与控制均较为困难。针对这些问题，从控制理论角度出发，针对多目标需求条件下面向效率最优的系统设计与优化控制开展研究，主要开展的研究工作包括以下几个方面：
　　①针对无线电能传输系统的效率问题，提出了一种双自由度最大效率跟踪控制方法。该方法依托于对于最大效率的有源匹配，通过实时对负载参数的辨识，改变有源阻抗匹配环节的占空比，实现对最大效率匹配的阻抗的准确跟踪，保证系统实时工作在最大效率点上。为同时满足最大效率跟踪与输出电压控制需求，给出输出控制与最大效率跟踪控制的解耦方法，实现了双自由度独立解耦控制，保证了最大效率跟踪条件下的输出电压控制需求。本论文通过实验验证了该控制方法。
　　②在最大效率跟踪模式中，针对传统阻抗匹配范围受限的问题，提出一种基于CCM(Continuous Conducton Mode)和DCM(Discontinuous Conduction Mode)模式切换的阻抗匹配范围拓展方法。该方法在不增加任何附加电路的前提下，通过控制阻抗匹配变换器运行在不同的工作模态，有效地动态拓展负载的适应范围。分析及实验结果表明，这种拓展方法可以有效地实现3倍于原匹配范围的阻抗变换。
　　③提出了一种基于虚拟变换器的综合鲁棒控制方法。该方法采用移相控制以实现系统整体控制，但移相控制无法直接适用于综合控制系统。为此，本论文提出采用虚拟变换器为桥梁以实现系统高效鲁棒控制，并建立起虚拟变换器与真实物理系统的移相控制器的等效连接关系。在此基础上，建立了多目标高效鲁棒控制算法，实现了多个性能目标的综合系统控制。
　　④针对WPT系统的多目标的综合设计需求，提出一种面向效率最优的多目标鲁棒优化设计方法。该方法综合考虑系统所需要的多个性能指标，包括高输入输出增益、功率传输能力、系统整体效率等，并综合考虑系统的松耦合特性所带来的参数随机波动，给出了保证系统鲁棒性的优化设计策略。基于该方法所设计不仅可以满足设计需求，还能在一定范围内满足系统的鲁棒性要求，整体性能达到最优。
　　⑤针对瞬时过载条件下系统效率提升问题，提出了基于双激励单元的短时过载条件下效率提升方法，通过利用双激励单元，不但可以增加瞬时功率输出容量，同时还能有效地降低变换器中的电压、电流应力，有效地提升了系统整体效率。论文对比分析不同拓扑结构，选取了最优的功率变换结构，并进行了性能分析与对比比较。该方法能实现3倍于原方法的功率容量，同时还能有效降低系统的电压与电流应力。
　　本论文的主要创新性贡献主要包括以下三个方面:
　　①针对WPT系统运行的低效率问题，提出一种基于有源阻抗匹配的双自由度最大效率跟踪控制方法，保证系统的最大效率跟踪运行及输出电压稳定控制的双重运行要求。在此基础上，提出了一种基于CCM和DCM模式切换的有源阻抗匹配范围拓展方法，增强了WPT系统对负载变化的适应性。
　　②针对WPT系统的松耦合运行所带来的多参数不确定性、多控制环节所带来的低系统效率问题，提出了一种基于虚拟变换器的多目标鲁棒综合控制方法，通过构造虚拟变换器解决了移相变换器与综合控制器的转换问题，使系统减少了输入调压环节，提高了系统整体工作效率，考虑多参数不确定性与多性能指标需求，提出了H∞次优控制器设计方法，有效地解决了系统频率、耦合系数及负载不确定性所带来的综合控制问题。
　　③针对WPT系统结构复杂，系统设计较为困难的问题。提出了一种面向效率最优的多性能指标的综合设计方法，该方法能根据设计需求，不仅可以选择出最优的系统的参数，而且还可以选择出最优的系统拓扑结构，并综合考虑了系统参数摄动所带来的鲁棒性因数，从而实现系统达到全局性能最优。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2无线电能传输系统效率性能提升技术研究现状

1.3 无线电能传输系统最优化控制方法研究现状

1.4 无线电能传输系统效率优化控制关键问题分析

1.5 论文的研究目的及意义

1.6 论文的研究内容

1.7 本章小结

2 基于有源阻抗匹配的双自由度最大效率跟踪控制

2.1 引言

2.2 基于交流阻抗建模法的WPT系统效率分析

2.3 基于有源阻抗匹配的WPT系统最大效率跟踪方法

2.4 双自由度解耦控制算法

2.5 实验验证

2.6本章小结

3 面向最大效率传输的有源阻抗匹配范围拓展方法

3.1 引言

3.2 系统最大传输效率跟踪下的阻抗匹配范围扩充方法

3.3 本章小结

4 基于虚拟变换器的效率最优鲁棒综合控制

4.1 引言

4.2 基于虚拟变换器的控制方法

4.3 多不确定参数模型

4.4 H∞鲁棒次优控制器设计

4.5 鲁棒控制器性能分析

4.6 仿真分析

4.7 实验验证

4.8 本章小结

5 面向效率最优的多目标鲁棒优化设计

5.1 引言

5.2 复合谐振网络稳态分析及特性分析

5.3 拓扑优化对比算法

5.4 实验验证

5.5 本章小结

6 基于双激励单元的短时过载条件下效率提升策略

6.1 引言

6.2 基于双激励单元的WPT系统特性分析

6.3 双激励WPT系统与传统WPT系统比较

6.4 仿真分析

6.5 实验验证

6.6 本章小结

7 全文的总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 论文主要创新点

7.3 论文工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文及专利目录

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目