详情

原文传递基于三相蜿蜒型磁耦合机构的轨道交通DWPT技术研究

论文题名：	基于三相蜿蜒型磁耦合机构的轨道交通DWPT技术研究
关键词：	轨道交通;动态无线电能传输;磁耦合机构;补偿拓扑;谐波抑制
摘要：	轨道交通具有高效、经济、环保等多方面优点，在中长距离公共交通中扮演越来越重要的角色。然而现有轨道交通采用架空接触网或接触轨供电，存在机械磨损、接触不良等现象，导致系统安全性与耐候性较差。同时，接触网/轨架设于地面上，存在安全隐患，并影响城市景观。为了解决接触式供电存在的上述问题，基于电磁感应定律的动态无线电能传输（DynamicWirelessPowerTransfer,DWPT）技术被提出。当前，轨道交通DWPT技术的难点主要体现为车辆需求功率大、建设成本高。大功率加剧了系统可实现性及电磁兼容性方面的问题，同时高昂的建设成本阻碍了轨道交通DWPT技术的应用推广。为此，本文基于在大功率适用性、电磁兼容性、建设成本经济性方面均表现出优秀潜力的三相蜿蜒型磁耦合机构，从磁耦合机构、电路拓扑、自调谐控制三个方面开展研究，以期提高轨道交通DWPT技术的实用性，并促进产业化推广应用。论文的主要内容如下：　　为满足大功率轨道交通DWPT系统对磁耦合机构高传输功率密度需求，开展了高功率密度三相蜿蜒型磁耦合机构设计研究。分析了蜿蜒型磁耦合机构耦合特性，探讨了三相蜿蜒型发射线圈参数设计方法与发射线圈分段连接结构设计方案。分析了接收线圈结构与磁芯使用对三相蜿蜒型磁耦合机构耦合特性的影响规律，建立了三相耦合不平衡程度评估与优化设计方法。系统归纳并提出了接收线圈叠放、易扩展的高功率密度接收侧磁耦合机构结构设计方法与设计方案，并给出了精确高效的磁耦合机构设计流程。与传统间隔排布式线圈结构相比，所提出的磁耦合机构设计方案功率密度提升幅度接近1倍。　　为简化发射侧控制以提高系统运行的可靠性，避免复杂控制环节和精确配谐引起的额外成本，基于LCC-S补偿拓扑开展了三相DWPT系统电路拓扑结构与参数设计研究。在分析三相DWPT系统中LCC-S补偿拓扑特性，以及电路拓扑结构与参数对系统工作特性影响规律的基础上，给出了三相蜿蜒型发射线圈参数测量与补偿拓扑参数配置方法，并讨论了三相串联补偿接收端不同电路拓扑结构的可行性。此外，从实际应用的角度，提出考虑实际器件参数误差及逆变器软开关维持的参数设计方法，从而提高系统建设效率和可靠性。　　为降低DWPT系统对器件参数的精度需求，提高系统的可实现性，基于体积占用小且可实现阻抗连续调节的同步PWM开关电容开展了接收端自调谐控制研究。在分析同步PWM开关电容阻抗调节特性及三相DWPT系统中接收端失谐特性基础上，探讨了在不增加额外检测线圈与复杂电压、电流检测及处理电路的前提下，利用扰动观测法（扰动电抗，观测输出电压变化）进行三相接收端调谐的可行性。最终，在不增加额外硬件的情况下，提出同步PWM开关电容相差控制与扰动观测法调谐相结合的三相协同调谐控制策略，调谐速度提高为已有三相顺序调谐的3倍。　　最后，参照实际轨道交通无线供电应用需求，在保持电路阻抗特性与实际应用系统一致的前提下，设计了尺寸为1:5的小型三相蜿蜒型磁耦合机构，并搭建了DWPT系统对理论分析进行实验系统。通过实际测量磁耦合机构参数与电能传输实验，验证了磁耦合机构参数设计理论分析与设计流程的正确性和有效性，并实现在额定输出电流下，接收端位于不同位置处的平均输出功率154W，耦合机构平均效率90%，输出电压随位置变化的波动幅度不超过±3%。通过具体的三相LCC-S补偿拓扑参数设计案例与仿真分析，对器件参数存在误差情况下的是否考虑逆变器软开关状态维持及输入电流谐波抑制时的电路拓扑参数设计方法与设计流程进行了验证，并根据设计结果配置了实际实验系统，通过实际实验验证了设计与仿真分析的有效性。搭建了同步PWM开关电容自调谐三相电能接收端，并通过实验对比不同调谐方式的调谐效果，验证了同步PWM开关电容相差控制与扰动观测法相结合的三相协同调谐控制策略的有效性，实现在不增加额外硬件的前提下，将自调谐控制所需时间缩短至顺序调谐控制时的1/3。
作者：	汪超
专业：	电气工程
导师：	魏国
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021