基于LCL补偿的多负载移动式感应非接触电能传输系统

当 ωn = 1 / λ 时，代入式(2)可得
IL
ωn =
1
λ
=
U in jω0 L λ
(4)
由式 (4) 可知，此时的输出电流与负载无关，
LCL 电路表现出恒流输出特性。此时 LCL 电路的
输入阻抗为
Zin
ωn =
1
λ
= ω0 L
jQ λ Q(1 − ) + j 1 1
(5)
λ
λ
②恒压输出特性 当 ωn = 1 + 1 / λ 时，代入式(3)可得
电路能发生谐振的条件为
Cs1 Lsc1
R1
R<
L C
(10)
Cs2 Lsc2
R2
2 多负载移动式 ICPT 系统的结构与模型
2.1 多负载移动式 ICPT 系统的结构 本文以含有两个独立负载的移动式 ICPT 系统 为例，介绍其结构并建立等效电路模型。图 3 为多 负载移动式 ICPT 系统，系统主要由两部分构成： 原边侧和副边侧。原边侧主要由导轨、原边补偿电 路、逆变电路和直流电压源组成；每个副边侧由拾 电器、副边补偿电路和负载构成，副边侧可以有多 个且可以沿导轨移动。
直流电压源 −+ 逆变电路 原边补 偿电路
+ ucp −
+ uok −
图4 Fig. 4
多负载移动式 ICPT 系统的等效电路 multi-load
The equivalent circuit of movable ICPT with
第 24 期
邹爱龙等：基于 LCL 补偿的多负载移动式感应非接触电能传输系统
4001
原边电流相等，所以串联补偿不适于对原边电流比 较大的移动式 ICPT 的原边进行补偿；而并联补偿 的谐振频率与负载阻值有关，因此并联补偿不适于 对可变负载或多负载 ICPT 的副边进行补偿。文 献 [8-9] 对 LCL 电路的性质进行了详细研究；文 献[10-13]对 LCL 电路在 ICPT 中的应用进行了研 究：文献[10]研究了 LCL 补偿电路的电流断续工作 方式，文献[11-13]研究了 LCL 在副边补偿中的应 用；文献[14]介绍多负载 ICPT 的恒流控制方法。 基于此， 本文提出利用 LCL 补偿方式对多负载 移动式 ICPT 进行补偿，对基于 LCL 补偿的多负载 移动式 ICPT 系统进行全面详细的分析，并针对其 特点设计 LCL 补偿电路和控制方法。
ZOU Ailong, WANG Huizhen, HUA Jie
(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: This paper aimed on the design and control of Inductive Contactless Power Transfer (ICPT) systems. The output and impedance features of the LCL circuit were analyzed, when the ratio of inductance equals to 1, the resonance frequency is independent on the load, this property is useful in ICPT. The structure of a movable ICPT system with multi-loads was introduced and its equivalent circuit model was presented, according to the analysis of the equivalent circuit, an independent control method was put up, and the resonance frequency of compensation circuit should be independent on the load, so the load can be changeable. The design methods of the LCL compensation circuit were proposed. The differences between the LCL compensation circuit and the series compensation circuit in the second side were analyzed, when the quality factor of the secondary side is less than 1, the LCL compensation circuit can obtain more power. In order to verify the theory and design method, simulations and experiments were conducted. KEY WORDS: inductive contactless power transfer (ICPT); multi-load; movable; LCL compensation circuit 摘要： 针对多负载移动式非接触感应电能传输 (inductive contactless power transfer，ICPT)系统的设计与控制进行研 究，分析 LCL 电路的输出特性和阻抗特性，当其电感之比 等于 1 时，其谐振频率与负载无关，满足多负载 ICPT 的要 求；介绍多负载移动式 ICPT 系统的结构，并建立其等效电 路模型， 通过对等效模型的分析， 提出原副边独立控制的控 制策略和补偿电路设计原则， 补偿电路要能够实现谐振频率 与负载无关，以实现负载可变；分析 LCL 补偿电路的设计 方法，分析副边 LCL 补偿和串联补偿的区别，当副边品质 因数小于 1 时，LCL 补偿输出功率更大；建立多负载移动 式 ICPT 系统的仿真和实验平台，对理论分析和设计方法进 行验证。 关键词：非接触感应电能传输；多负载；移动式；LCL 补偿
1 2 2 1 − ωn λ + jωn Q[λ (1 − ωn ) + 1]
(3)
中的电压源和电感 La 可以等效为一个电流源， LCL 电路可以等效为图 2 所示的电路模型。
iL + uC − L R
当改变 LCL 电路的某些参数时，LCL 电路会 表现出不同的性质，下面主要分析 ω n 和 λ 对电路 的影响。
Uo
ωn = 1+
1
1 LCL 电路的性质
图 1 为 LCL 电路的原理图。根据图 1，LCL 电 路的输入阻抗为
2 2 1 − ωn λ + jωn Q[λ (1 − ωn ) + 1] Zin = ω0 L 2 Q(1 − ωn ) + jωn
λ
=
−U in
λ
(6)
由式 (6) 可知，此时的输出电压与负载无关，
文章编号：0258-8013 (2014) 24-4000-07
基于 LCL 补偿的多负载移动式 感应非接触电能传输系统
邹爱龙，王慧贞，华洁
(南京航空航天大学自动化学院，江苏省 南京市 210016)
The Movable ICPT SyCompensation Circuit
分别为 M1 和 M2；将直流电压源和逆变电路等效为 交流电压源 uin，建立 ICPT 系统的等效电路模型如 图 4(a)所示。
ω0p =
1 LC
1−
CR 2 L
(9)
iin uin ∼ Lpc Cp + ucp −
ip Ls1 Lp M1 M2 Ls2 (a) 互感模型
ip iin uin ∼ Lpc Cp iok Lp Zps1 usk ∼ Zps2 (b) 原边等效模型 Lsk Lsck Csk Rk (c) 副边等效模型(k = 1,2)
1）ω n 对电路的影响。
当改变电路的归一化角频率 ω n 时，可以使电 路表现出恒流或恒压输出特性。 ①恒流输出特性
Fig. 2 图2
iin
C
λ 比较大时 LCL 等效电路
The equivalent circuit of LCL with a lage λ
4002
中
国
电
机
工
程
学
报
第 34 卷
从图 2 可知，此时电路实际上是一个 LCR 并 联电路，此时电路的谐振角频率为
LCL 电路表现出恒压输出特性。此时 LCL 电路的
输入阻抗为
(1)
Zin
ωn = 1+
1
λ
= ω0 L
λ2 Q − j λ (1 + λ )
(7)
式中：ω 0 为谐振角频率， ω0 = 1 / ( LC ) ；ω n 为归 一化角频率，ω n = ω /ω 0，ω = 2πf；Q 为品质因数，
2）λ 对电路的影响。
输出电流，即电感 L 的电流为
IL =
U in Q 2 2 ω0 L 1 − ωn ) + 1] λ + jωn Q[λ (1 − ωn
(2)
LCL 电路的输入阻抗都是感性的。
②λ 比较大时的等效模型 当 λ 比较大时(λ > 10)，即 La 比较大时，图 1
输出电压，即电阻 R 上的电压为
U o = U in
图1 Fig. 1
LCL 电路原理图
U in ⎧ ⎪ I L λ =1,ωn =1 = jω0 L λ ⎨ ⎪Z ⎩ in λ =1,ωn =1 = ω0 LQ