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磁谐振耦合式无线电能传输系统的传输特性分析与稳态控制策略研究

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无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）是一种利用电磁场或电磁波的空间分布，不经过导线接触将电能从电源侧传递到负载侧的输配电技术。无线电能传输技术是对传统电能传输及供配方式的革新，具有安全、可靠、宽广、灵活等优势，有望在一些场景下替代导线输电成为主要的电能调度方式。 磁谐振耦合式WPT兼顾了传输距离和效率的平衡，已成为近几年WPT领域的研究热点。然而，磁谐振耦合的系统性能对耦合参数变化极为敏感，随着线圈相对位置的动态变化，系统耦合参数改变导致传输功效受到较大影响。通过谐振补偿手段补偿降低的耦合系数虽然能在特定工况下提升传输性能，但却使系统稳定性变得更差。针对上述问题，本文从电路仿真分析、磁场有限元分析和系统控制策略方面研究了如下内容： 一、电路仿真分析。建立了磁谐振式WPT系统的耦合模模型和等效电路模型，并对所建立模型进行仿真分析。从耦合模式角度分析，得出系统传输功效由耦合系数和品质因数联合决定，谐振补偿是通过提升品质因数补偿低耦合系数的结论。从电路参数角度分析，得出系统传输功效的主要影响因素包括原边输入电压、工作频率、线圈间互感、交流内阻和负载阻抗。 二、磁场有限元分析。设计并优化了磁耦合机构的有限元模型，通过静态场仿真验证了磁耦合机构优化磁场分布的有效性，通过瞬态场仿真分析了线圈电感、耦合系数、交流阻抗、损耗和整机效率随线圈相对位置和激励频率变化的耦合特性，通过高频网络分析描述了过耦合时的频率分裂现象及其对传输效率的影响。 三、稳态功率控制策略研究。根据等效电路模型和磁耦合机构设计，搭建了双边LCL谐振补偿的磁谐振WPT系统，提出了基于移相控制和频率锁定的稳态功率控制方法。通过系统仿真证明了所提出基于移相控制的功率同步控制的可行性。 四、实验样机搭建。设计了最大传输功率100W、最大传输距离30cm的WPT系统实验样机，并对实验样机在线圈相对位置变化下的传输性能改变、磁场稳态条件下的副边控制效果进行测试，验证了本文耦合机构设计、有限元分析和控制策略的有效性。 本文提出的基于移相控制和自动频率锁定的稳态功率控制策略能够实现对双边LCL型磁谐振无线输电系统的稳态控制。在稳态条件下，所提出的控制器可以控制功率大小和方向，具有较好的鲁棒性和有效性，并通过自动频率锁定避免了频率失控，研究成果对WPT系统的理论理解、仿真建模、控制器设计和实验平台搭建有一定价值。

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