基于SCC结构的低频磁耦合谐振无线输电系统

第５１卷第４期　２０１７年４月　电力电子技术　

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＶｏｌＩ５１．Ｎｏ．４　

Ａｐｒｉｌ　２０１７　

基于ＳＣＣ结构的低频磁耦合谐振无线输电系统　杨金明，朱红飞，谢兴琅，刘鹏航　（华南理工大学，电力学院，广东广州５１０６４０）　

摘要：在低频磁耦合谐振四线圈无线输电（ＭＲＣ．ＷＰＴ）系统中，引入一种改进的开关控制电容（ｓｃｃ）￥ｂ偿结构，　通过调节ＳＣＣ结构中开关管驱动脉冲的移相角，实现对系统驱动线圈的精确电容补偿，解决了系统投切电容　器组的有级补偿不精确的问题，也为系统实现动态电容补偿并能在变化条件下进行高效无线输电提供了条　件。仿真和实验验证了理论分析的有效性以及ＳＣＣ电容补偿结构实施的可行性。　关键词：无线电能传输；磁耦合谐振；开关可控电容　中图分类号：ＴＮ９１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１７）０４—００８０－０４　

Ｌｏｗ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　Ｒｅｓｏｎａｎｔ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＣＣ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＹＡＮＧ　Ｊｉｎ・ｍｉｎｇ，ＺＨＵ　Ｈｏｎｇ—ｆｅｉ，ＸＩＥ　Ｘｉｎｇ—ｌａｎｇ，ＬＩＵ　Ｐｅｎｇ—ｈａｎｇ　（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇ￣ｈｏｕ　５１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｆｏｕｒ　ｃｏｉｌ　ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｅｒ（ＭＲＣ－ｗＰＴ）ｓｙｓｔｅｍ，ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ（ｓｃｃ）ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｃｏｍｐｅｎ－　ｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｒｉｖｅ　ｃｏｉｌ　ｂｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｄｒｉｖｅ　ｐｕｌｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＳＣＣ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｔ　ｒｅ—　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｅ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｈｉｌｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉＢ－　ｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＣＣ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｓｗｉｔｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５１１７７０５０）；Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃ－　ｉａｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｆｕｎｄｓ　Ｐｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．Ｅ８１５０２０Ｌ）　

１　引　言　因能实现较远距离的高效能量传输，ＭＲＣ．　ＷＰｒ技术成为研究热点，并已得到成功应用［１］。对　ＭＲＣ．Ｗ］　系统．合理地对线圈进行补偿是实现能　量高效传输的关键。文献【２】介绍了ＷＰＴ系统的单　谐振补偿拓扑和多谐振补偿拓扑。并分析了各种　拓扑的电流电压增益和功率因数。文献［３］分析了　不同补偿拓扑结构以及参数对于传输性能的影　响。文献［４】提出了一种Ｔ／Ｔ补偿网络，实现了电流　增益的负载无关性，但补偿网络过于冗杂，系统传　输效率不高。　目前对ＭＲＣ．ＷＰＴ系统的研究主要集中在结　

基金项目：国家自然科学基金（５１１７７０５０）；广东省省部产　学研合作专项资金项目（Ｅ８１５０２０Ｌ）　定稿日期：２０１６—０８—３０　作者简介：杨金明（１９６２一），男，广东广州人，博士，教授，　研究方向为无线输电、电力电子系统控制及新能源发电。　

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构和参数都固定时的电能传输，对结构和参数变　化的场合，上述研究成果很难保持最优的传输状　态，需实时补偿，以实现高效和大功率电能传输。　在此针对低频四线圈ＭＲＣ．Ｗ　系统．提出　一种基于ＳＣＣ结构的电容补偿方案．通过移相控　制开关管的开关来调节等效电容的大小．实现对　系统驱动线圈的动态电容补偿。解决了系统投切　电容器组的有级补偿不精确问题，也为系统实现　变化条件下的闭环电容补偿控制提供了条件。　

２　四线圈ＭＲＣ．ＷＰＴ系统　图１示出四线圈ＭＲＣ．ｗ　系统结构。　

图Ｉ　四线圈ＭＲＣ．ＷＰＴ系统结构示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ－ｃｏｉｌ　ＭＲＣ—ＷＰＴ　基于ＳＣＣ结构的低频磁耦合谐振无线输电系统　上述系统由高频交流源　。、驱动线圈厶、发射　线圈￡　、接收线圈￡，和负载线圈　及其补偿电　路组成。　连接高频交流驱动源，产生与注入的方　波信号同频率的正弦电信号。　与　紧密耦合，　并建立磁场，与　形成传输通道，　，与　形成谐　振，接收从磁场谐振中传输过来的能量。　四线圈ＭＲＣ．ｗ　在高频段运行时，线圈可　用自身的分布电容完成补偿．但在低频段运行时，　因线圈的分布电容过小，不足以完成补偿，需外加　补偿电容［５］。在　和　，低频谐振的条件下，四线　圈ＭＲＣ．Ｗｆ，ｒ系统输出功率为：　Ｐｏ＝ｔｏ６Ｍ，４Ｍ］ＲＬＶｙ／［（ａ，Ｘ１＋ａ　４）２＋（ａ３＋ａ４ＸｌＸ４）２】（１）　式中：蜀。　分别为厶与厶的电抗。　设互感Ｍｌ２＝　＝　，％＝Ｍｒ；且　Ｌ＋尺ｐ４一ＲＬ，　ｐ２。Ｒｐ３＝Ｒ　，　＋　ｐ１一Ｒｄ，则有：　ｆａｌ＝ｏ）　（　Ｉ＋　Ｒ　），ａ２＝ｔｏ　（　）　，　、　【ａ３＝ｔｏ４Ｍ２＋ｔｏ２Ｒｄ（Ｍ／Ｒ　ｒ＋Ｍ）ＲＬＲ　），　由式（１）可知，Ｐ０受　。，　的影响，即与　的　补偿电容Ｃ　和￡　的补偿电容　有关。图２为Ｐ０　与Ｃ　，ａ的关系曲线，尖峰点对应最大输出功率。　

３Ｏ　芝２０　

ｌ０　Ｏ　

图２补偿电容与输出功率的关系曲线　Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　

３　ＳＣＣ结构的工作原理及特性分析　３．１　ＳＣＣ结构概述　ＳＣＣ是由开关管和电容以特定方式组合的拓　扑结构．可通过控制开关管的通断来调节等效电　容大小。达到提高效率和改善输出特性的效果【６】。　其结构如图３所示。按可控时间与运行周期的关　系分为全波结构和半波结构。对于１００　ｋＨｚ系统，　控制器需有较高的工作频率。这里采用改进型半　波ＳＣＣ结构如图４所示。将原有的单一电容扩展　为双电容分别并联在反向串联的开关管上，并通　过移相控制开关管的通断，实现零电压开通，并扩　展系统工作模式。　

船厂ｊ珏广Ｊ母智　

图４移相控制的ＳＣＣ结构电路图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ＳＣＣ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

，　聿＝　。　＇——　Ｉ十Ｉ——４Ｉ　Ｉ　Ｉ　ｌ　第５１卷第４期　２０１７年４月　电力电子技术　

Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．５１，Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ　２０１７　

在满足ａ＋ｆｌ＜，＇ｚｒ的情况下。ＳＣＣ电路的开关管　能实现零电压导通，故　的大小与　有关，即与耦　合线圈元件参数及负载情况有关。　３．３　ＳＣＣ结构的特性分析　定义ＭＲＣ－ＷＰＴ系统的谐振角频率ｔｏ。＝１／　、／　，开关频率∞的归一化角频率∞　＝Ｗ／ｔＯ。。等　效谐振电容　＝ｃ１Ｃｐ１，２，｛Ｃ１［１一（ｏｔ＋ｓｉｎｏｔ）／＇ｔｒ］＋Ｃｐｌ，２ｌ，由　此，ｃ啊可通过０ｃ调节，同时０ｃ还影响ｔｏ。。各变量与　０ｃ的关系如图６所示。　ｃｒ／（。）　（ａ）Ｇｑ／Ｃｔ与　的关系　口，（。）　／（。）　（ｂ）　ｎ与口的关系　（ｃ）Ｐｏ与　的关系　图６各变量与ａ的关系　Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅａｃｈ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ａｎｄ　ａ　通过增大　，即可增大ｃ明，并且比值Ｍ＝Ｃ，／ｃＤ１　越大，ｃ即随着ａ变化的范围越大，当　足够大　时，ｃ叫随　变化的范围可超过０．１Ｃ　～Ｃ。。随着　趋于１８０。，ｃ阳向其最大值Ｃ，逼近，如图６ａ所示。　通过调节ａ。可在较大范围内单调调节∞　。　随０ｃ　的增大而增大，并且　越大，∞　随　变化的范围　越大；　最大接近于１．３，最小接近于０．３，如图６ｂ　所示。在　保持恒定的情况下，通过调节ａ，可找　到一个最大功率点，随着Ｍ的改变，Ｐ０与　的关　系曲线变化趋势及最大功率点也会改变。如图６ｃ　所示。可见，　的选取对ＳＣＣ结构的特性有重要　影响，在ＭＲＣ．Ｗｆ，ｒ系统中，要求ｃ蹦有较大的调　节范围。同时，也要求在∞　＝１附近处Ｏｔ有较大的　调节范围。　４　电路仿真和实验结果分析　图７为基于ＳＣＣ结构的四线圈ＭＲＣ．ＷＰＴ系　统拓扑，电路各元件参数：电源电压１０　Ｖ，开关频　率１００　ｋＨｚ，电源内阻０．６　Ｑ，Ｌ１＝４．５　Ｉ．ＬＨ，Ｌ２＝１８．５　Ｉ．ＬＨ，　Ｌ３＝１９　Ｉ．ＬＨ，　４＝４．８　ｐ，Ｈ，Ｒ。１＝０．０１　６　Ｑ，Ｒｐ２＝０．０４　Ｑ，　Ｒｐ３＝０．０５３　Ｑ，Ｒｐ４＝０．０１７　２　Ｑ，Ｃｌ＝１　ｐ，Ｆ，ｃｐ１。２＝０．Ｏ１　Ｆ，　Ｇ２　０．１２８　ｗＦ，Ｃ３＝０．１３３　Ｆ，ｃ４＝０．５２　Ｆ，耦合系数　ｋ１２＝０．３６３，ｋｚ￣＝Ｏ．０７５，五３４＝０．３６３，ＲＬ＝８　Ｑ。　８２　ｋｔ２　ｋ２３　ｋ３４　图７四线圈ＭＲＣ．ＷＰＩ’系统拓扑　Ｆｉｇ．７　Ｉ　ｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｏｕｒ－ｃｏｉｌ　ＭＲＣ－ＷＰｒ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｒｐ４　Ｌ　为验证ＳＣＣ结构在四线圈ＭＲＣ．ＷＰＴ系统中　工作原理及输出特性分析的正确性。利用Ｍａｔｌａｂ　对系统进行仿真。图８为Ｏｒ＝１３５。时电路的仿真波　形。可见，开关管能实现零电压开通，说明ＳＣＣ结　构在ＭＲＣ．ＷＰｒ系统中具有软开关特性。有效降　低了系统开关损耗；负载电流ｉ。是频率恒定、幅值　为２　Ａ的正弦波，输出特性较好。