基于传统双LCL型WPT系统的改进型无线电能传输系统研究设计

0 引言

WPT技术近几年来受到了国际和国内学者的广泛关注，未来具有明确的实用价值和广阔的应用前景，可以带来显著的经济和社会效益 。为适应不同的要求，国内外提出了一些新型的补偿拓扑，其中，双LCL型WPT系统的研究最为突出。由于其具有系统谐振工作频率稳定、原边发射线圈电流恒定以及系统输出电流恒定等优良特性，可在电动汽车充电、桌面多负载供电等场合进行大规模应用 。但是，在系统轻载时，逆变器输出电流畸变严重，针对此问题，本文提出串联LC滤波器的改进方法，并通过仿真与实验验证此改进方法降低了逆变器输出电流的谐波畸变率。

1 双LCL型WPT系统工作原理分析

图1为双LCL型WPT系统的电路等效模型，其中，Ud为直流电压源；S1~S4为IGBT，D1~D4分别为其反并联二极管；Lp、LS分别是原、副边线圈的自感，M为其互感；L1、C1分别为原边补偿电感、原边补偿电容；L2、C2分别为副边补偿电感、副边补偿电容；Uin、Iin分别是逆变器输出电压、输出电流；Ip、Is分别是原边线圈电流、副边线圈电流；R为系统等效电阻负载；Io为系统输出电流。系统工作频率为f，其中，f0为系统谐振工作频率。

通过文献［5］中理论分析可知，当图1中各系统参数满足如（1）关系式时

由式（2）、式（3）分别可以看出原边线圈电流Ip的大小、系统输出电流Io的大小均与系统等效电阻负载R的大小无关，可以说明系统具有原边线圈恒流特性以及系统输出电流恒定的特性。同时，由式（4）可以看出逆变器输出系统总阻抗Zin始终呈现纯阻性，即，系统等效电阻负载R的改变不会影响系统的固有谐振工作频率，系统具有稳频特性。

前文分析是基于逆变器输出电压Uin的基波成份进行的，并未考虑逆变器输出电压的谐波分量。传统双LCL型WPT系统采用电压型全桥逆变电路，在驱动电路180°导通方式控制的情况下，逆变器输出电压uin的表达式为：

同理，可以求得逆变器输出电流iin的3次谐波分量和5次谐波分量分别为

`

由图2可以看出，在负载R较小时，逆变器输出电流谐波畸变率较大，这将导致逆变器损耗较大，系统效率降低，同时也加剧了系统的不稳定性。针对双LCL型WPT系统在轻载时存在的此问题，本文提出了一种改进方法，如下将具体分析。

2 改进型双LCL型WPT系统理论分析

在原系统C1所在支路增加LC滤波器，改进后的系统电路如图3所示。

其中，Lf1与Cf1满足如下关系式：

此时，在只考虑uin基波成份的情况下，逆变器输出端后级系统总阻抗Zinf11为：

其中，Zr3和Zr5分别如式（12）、式（13）所示。

从图4中可以看出，在负载R较小时，即系统轻载时，改进型系统的逆变器输出电流谐波畸变率相较改进前系统下降明显，说明改进型系统取得了较好的效果。

3 系统仿真及实验

为了验证上文理论分析的正确性，本文确定了如表1中所示的仿真以及实验参数。

3.1 仿真分析

根据表1中的仿真参数以及图1、图3分别搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型。

当选取负载电阻R为10 Ω时，原系统以及改进型系统的逆变器输出电流分别如图5（a）、5（b）所示。

从图5中可以看出，改进后系统的逆变器输出电流波形相较于原系统的逆变器输出电流波形较为平滑，直观上可以看出改进型系统取得了较好的效果。

对图5中的所有波形分别进行傅里叶分析得到其谐波柱状图如图6所示。

从图6可以看出，相较原系统，改进型系统总谐波畸变率下降了70.27％，从数据上可以看出，改进型系统均可以取得较好的效果。

3.2 实验分析

根据表1中的实验参数以及图1、图3分别搭建实验平台。

当选取负载电阻为10 Ω时，原系统以及改进型系统的逆变器输出电流波形分别如图7（a）、7（b）所示。

从图7可以看出，改进型系统的逆变器输出电流实验波形比原系统的逆变器输出电流实验波形要平滑，可以取得较好的效果，与前文理论分析以及仿真分析相吻合。

使用Fluke Norma 4000高精度功率分析仪对实验平台的效率进行测试，并将结果绘制成折线如图8所示。

从图8中可以看出，改进型WPT系统比原系统均具有较高的传输效率，而且在系统轻载时尤为明显，说明改进型系统能提高系统整体效率，具有明显的有益效果。

4 结论

在此对传统双LCL型WPT系统存在的逆变器输出电流在系统轻载时畸变较为严重的问题进行了理论分析，分析了导致此问题的根本原因，基于此提出了一种改进型方法，并分别从理论分析、仿真以及实验验证三个方面证明了两种改进方法的有效性。改进方法能较好的解决传统双LCL型WPT系统存在的问题，对于改善逆变器输出电流波形、减小逆变器开关损耗从而提高系统效率均能取得较好的效果。