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  • 頭條《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法
    2021-12-13 作者:劉方 陳凱楠 等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語雙向無線電能傳輸系統(tǒng)控制自由度多,不同自由度的選取和組合會影響系統(tǒng)中變換器和傳輸線圈損耗的分布及其大小,進而影響系統(tǒng)的整體效率。文章分析了多個控制自由度間組合關系對變換器運行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響,推導了實現變換器優(yōu)化運行和線圈間傳輸效率提升的約束條件,提出一種實現雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的多自由度組合控制策略。

    《電工技術學報》2019年度優(yōu)秀論文獲獎論文簡報

    《光伏發(fā)電出力預測技術研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術學報》2019年度優(yōu)秀論文,榮獲中國電工技術學會表彰?,F將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者,以期促進本領域的技術交流。

    團隊介紹

    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

     

    清華大學大容量電力電子與新型電力傳輸團隊由趙爭鳴教授于1997年創(chuàng)立,是清華大學電機系骨干科研團隊之一。一直致力于大容量電力電子技術、光伏發(fā)電、電機控制以及新型電力傳輸理論與技術的研究。目前聚焦于大容量電力電子基礎理論與應用以及新型電力傳輸技術,在科研攻關和人才培養(yǎng)方面取得顯著成果,先后被評為校、系優(yōu)秀科研團隊。

    團隊的理念是融合電力電子基礎理論和新型電力傳輸關鍵技術,面向能源互聯網中的電能變換和傳輸技術前沿方向,打造國際一流的電力電子與新型電力傳輸研究團隊;堅持基礎理論研究和實際應用關鍵技術研究“兩條腿”走路,堅持國際化與交叉化的道路,堅持面向能源互聯網創(chuàng)新研究方向和人才培養(yǎng)。

    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

    劉方

    1990年出生,博士研究生。研究方向為無線電能傳輸、大容量電力電子技術等。已發(fā)表論文12篇,獲國內外優(yōu)秀論文獎4項。

    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

    陳凱楠

    1988年出生,助理研究員,碩士生導師。研究方向為無線電能傳輸、大容量電力電子技術等。清華大學能源互聯網研究院無線電能傳輸研究室主任,中國電工技術學會無線電能傳輸技術專委會委員,中國能源研究會電能技術專委會委員,北京電力電子學會青年工作委員會委員。作為技術負責人承擔了國家自然科學基金聯合基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃子課題以及多項企業(yè)合作項目;作為技術骨干深度參與了所在團隊主持的國家自然科學基金重大、重點等項目。

    相關成果已發(fā)表論文55篇,其中一二通訊作者21篇(SCI收錄10篇),WOS核心合集他引637次,H因子13;授權發(fā)明專利14項(國際發(fā)明專利1項)。曾獲省部級一等獎2項、二等獎1項,日內瓦國際發(fā)明特別金獎2項、金獎1項,國內外優(yōu)秀論文獎4項。

    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

    趙爭鳴

    1959年出生,教授,博士生導師,IEEE Fellow。研究方向為大容量電力電子技術、電能路由器、無線電能傳輸等。清華大學電機系大容量電力電子與新型電力傳輸團隊負責人,能源互聯網研究院大容量電力電子技術中心主任,清華大學電磁實驗中心主任。先后負責完成多項國家重點專項、國家“863”課題、國家自然科學基金重大、重點和面上課題以及多項重大橫向科研課題和國際合作項目。

    發(fā)表500余篇學術論文,其中SCI論文120余篇,SCI他引3100余次,出版8部科技書籍;獲得發(fā)明專利60余項、軟件著作權20余項。作為第一完成人,帶領科研團隊,先后獲得國家教育部技術發(fā)明和科技進步一等獎各1次,中國電工技術學會科學技術一等獎3次,日內瓦國際發(fā)明展“特別嘉許金獎”2次和金獎1次,清華大學教學成果一等獎1次,及其他省部級科技成果獎6次。個人先后獲得清華大學“學術新人獎”,“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號,“北京市教育創(chuàng)新標兵”,2次獲得“電工行業(yè)—正泰科技成就獎”。

    研究背景

    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

     

    電動汽車雙向無線電能傳輸系統(tǒng)以其便利性和互動性,可適用于未來車聯網,對提升未來能源互聯網的穩(wěn)定性和智能性起到重要作用。相比單向系統(tǒng),雙向系統(tǒng)控制自由度多,不同自由度的選取和組合會影響系統(tǒng)中變換器和傳輸線圈損耗的分布及其大小,進而影響系統(tǒng)的整體效率。因此,如何通過多個控制自由度間的協(xié)調組合提升系統(tǒng)整體效率,是雙向系統(tǒng)控制的關鍵性問題。

    論文方法及創(chuàng)新點

    BWPT系統(tǒng)變換器運行狀態(tài)分析

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    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

    圖1 BWPT系統(tǒng)控制信號和狀態(tài)量工作波形

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    表1 變換器開關動作及電流過零點坐標表示

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    BWPT系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略

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    《電工技術學報》優(yōu)秀論文|雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化的方法

    圖2 BWPT系統(tǒng)優(yōu)化運行控制策略

    實驗驗證

    為進一步驗證上述分析的正確性,搭建了如圖3所示的實驗平臺。

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    圖3 BWPT系統(tǒng)實驗平臺

    圖4展示了充電模式下控制信號和狀態(tài)量的相位關系??梢钥吹?,原邊線圈電流滯后原邊變換器輸出電壓,副邊線圈電流同樣滯后副邊變換器輸入電壓。對比圖4和圖1,可以發(fā)現兩者控制信號和狀態(tài)量間的相位關系一致,即說明該工況下系統(tǒng)中所有開關管工作在零電壓開通狀態(tài),實現了變換器優(yōu)化運行。

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    圖4 變換器控制信號及狀態(tài)量工作波形(充電模式)

    使用功率分析儀WT1800對不同輸出功率下,采用文章所提策略和現有策略時,系統(tǒng)整體效率進行測試,結果如圖5。

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    圖5 兩種控制方案下系統(tǒng)整體運行效率對比

    采用文章所提控制策略后,在充、放電模式下,系統(tǒng)整體效率較現有策略均有所提升,且輸出功率較小時,這種提升效果更加明顯。結合文章中的分析可知,當輸出功率較小時,變換器損耗占系統(tǒng)總損耗的比重較大,而實現變換器優(yōu)化運行有利于減小其開關損耗。隨輸出功率增加,線圈銅耗增加,同時,變換器損耗比重下降,所提策略和現有策略的系統(tǒng)整體效率呈逐漸接近的趨勢。因此,對于寬負載范圍運行,所提策略更有利于提高系統(tǒng)整體效率。

    結論

    文章研究了如何通過雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中三個控制自由度的協(xié)調組合,對BWPT 系統(tǒng)的運行狀態(tài)和整體效率進行優(yōu)化的控制策略。文章首先分析了 BWPT 系統(tǒng)中三個控制自由度對變換器運行狀態(tài)和線圈間傳輸效率的影響,得到了實現系統(tǒng)優(yōu)化運行的約束條件,在此基礎上,推導了一套系統(tǒng)整體效率的估算方法,并提出了一種實現 BWPT 系統(tǒng)效率優(yōu)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。

    引用本文

    劉方,陳凱楠,蔣燁,趙爭鳴. 雙向無線電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(5): 891-901. Liu Fang, Chen Kainan, Jiang Ye, Zhao Zhengming. Research on the Overall Efficiency Optimization of the Bidirectional Wireless Power Transfer System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 891-901.