华中科技大学张晓明与段善旭合作：新模型分析IPT系统的软开关特性和谐波死区影响
华中科技大学的张晓明教授和段善旭等研究团队最近在一项研究中提出了一种新的IPT系统时域建模方法，并对其软开关特性进行了分析。该研究考虑了谐波和死区对IPT系统的影响，提出了相应的改进模型，以更准确地描述系统的动态特性。研究结果表明，新的建模方法能够更好地预测IPT系统的行为，并为软开关控制提供了更有效的理论基础。这一研究成果有望在无线输电领域提高系统性能和稳定性，为未来智能电力传输系统的设计和优化提供重要参考。
01
研究背景
由于变换器输出电压谐波和死区影响，LCC-S补偿感应电能传输（IPT）系统电路中存在大量的谐波成分。传统的分析方法采用基波近似，忽略了系统的谐波分量，对系统软开关特性和器件应力的分析存在较大的误差。基于傅里叶级数分解理论，对系统的各次谐波分别求解，并通过线性叠加可获得系统的精确模型，但该模型不直观且需要借助计算机进行大量运算。
针对该问题，本文提出一种考虑谐波和死区影响的IPT系统时域模型，该模型保留富含谐波的输入脉冲激励电压，将谐波含量少的线圈支路用基波模型近似，并在基波模型的基础上建立了包含谐波的简化时域分析模型。基于该简化模型，本文对系统的软开关特性进行分析，并通过参数优化，实现了宽范围软开关。
02
考虑谐波和死区的IPT系统时域模型
LCC-S补偿IPT系统的原边全桥变换器采用移相控制，其输出为单脉波交流电压，该电压中包含高次谐波成分，是系统谐波产生的源头。将系统的原边全桥变换器用单脉波交流电压源表示，将副边电路用映射到原边的映射阻抗表示，可作出包含谐波的系统原边等效电路模型如图1(a)所示。
图1 考虑谐波的IPT系统等效电路模型及其简化模型
从图1中可以看到，包含高次谐波分量的激励电压Up作用于原边谐振网络，在电路中产生基波和谐波电流。对于高次谐波，线圈自感将呈更大的阻抗，而并联补偿电容Cp呈更小的阻抗，因此补偿电容Cp实现对高次谐波电流的分流，使得线圈支路电流波形具有很高的正弦度。忽略线圈支路的谐波，可将图1(a)所示模型分为包含谐波的电路部分，以及蓝色虚框内只含基波的电路部分。基于传统的基波模型可计算原边线圈的基波电流，因此可进一步求出蓝色虚框内电路的支路端电压。
该端电压同样为正弦电压，用正弦电压源表示并替换该部分电路，则可将系统模型简化为如图1(b)所示。在该简化模型中，补偿电感Lrp端电压已知，因此可通过求解以下时域微分方程获得包含谐波的系统时域模型。
对于全桥变换器，通常会在桥臂上下管之间加入死区以避免桥臂直通。在上述时域模型中忽略了死区的影响，而实际上在死区时间内，因为输出电流极性不同，桥臂的输出电压也不同，该死区电压会影响系统的谐波含量。在考虑死区影响后，上述时域模型存在误差，需要进一步修正。根据开关管开通前电流极性的正负可分为工况1和工况2进行讨论。图2所示是工况1的系统工作波形。
图2 工况1：考虑死区的IPT系统工作波形
在t1时刻死区内，超前桥臂上管S1导通，下管S2断开。滞后桥臂上下管驱动均为零，因为输出电流
为正，
通过S3的反并联二极管续流，全桥输出电压Up为零。在t2时刻死区内滞后桥臂下管S4导通，上管S3断开。超前桥臂上下管驱动均为零，输出电流 为正， 通过S2的反并联二极管续流，因此全桥输出电压Up为零。相对于理想输出波形，实际输出电压脉宽减小了Td。因此对于工况1，考虑死区后系统时域模型的输入电压脉宽应作相应修改。工况2和工况1的主要不同是在滞后桥臂动作的死区时间内输出电流是负的，通过分析可知，工况2的实际输出电压脉宽没有减小，与忽略死区的理想波形一样。在实际应用中，可根据不同工况对电压脉宽作相应修正，提高模型精度。 03 软开关实现 IPT系统的原边高频逆变桥开关管通常采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，为了减小开关损耗，一般希望开关管实现零电压开通（ZVS）。在开关管开通前，如果输出电流为负，并且在死区时间内将MOSFET的输出寄生电容完全充放电至零，则该电流会使开关管反并联二极管导通，将开关管DS两端电压钳位到零，从而实现零电压开通。 通过调节线圈支路与补偿电感支路的电感比γ可改变系统的输入阻抗，使系统输入阻抗呈感性可实现开关管的零电压开通。基于所提的时域模型可计算开关时刻桥臂输出电流的闭式表达式，作出不同支路电感比下系统开关时刻电流如图3所示。 图3 不同支路电感比γ下t1时刻的开关电流 从图3可知，减小支路电感比γ能够增加开关时刻的反向电流，从而保证有足够的电流对开关管的输出电容充放电，从而实现ZVS。对于LCC-S补偿IPT系统，负载电阻越小，互感耦合系数越大，电压脉宽越小，系统越难以实现ZVS。在设计中应根据系统的调节范围，在最严苛工况下设计允许的最大支路电感比γ，从而实现宽范围软开关。 04 实验验证 为了验证理论分析的正确性，搭建1 kW IPT验证平台，测试不同移相角下原边全桥变换器输出电流实测波形如图4所示。通过与所提时域模型的计算波形对比可知，所提模型计算结果能够较准确刻画包含谐波分量的电路波形，并且死区的修正进一步提高了模型的精度。通过选取支路电感比γ=0.52，系统在全工作范围内均实现了ZVS。 图4 不同移相角下原边全桥输出电流实测波形和计算波形对比 05 结语 本文建立了LCC-S补偿IPT系统的时域模型，所提模型考虑了系统的高次谐波和死区影响，能简洁有效地刻画系统的稳态波形。基于该时域模型，可指导系统的软开关设计。通过优化支路电感比，系统在在宽工作范围内实现了软开关。所提软开关实现方法消除了开关管的开通损耗，但在一定程度上增加开关管的导通损耗，因此下一步的工作将对系统效率作进一步研究。 原文发表在《电力系统自动化》第43卷第17期，欢迎品读！ 引文信息 张晓明, 蔡涛, 胡宏晟, 等. 计及谐波和死区影响的IPT系统时域建模与软开关特性分析 [J]. 电力系统自动化, , 43(17): 140-146. DOI: 10.7500/ AEPS0109005. ZHANG Xiaoming, CAI Tao, HU Hongsheng, et al. Time-domain Modeling and Soft-switching Characteristic Analysis of Inductive Power Transfer System Considering Influence of Harmonics and Dead Time [J]. Automation of Electric Power Systems, , 43(17): 140-146. DOI: 10.7500/ AEPS0109005. ▼往期精彩回顾▼ 《电力系统自动化》第17期目次 东北电力大学 陈厚合，邵俊岩等：如何实现不同控制模式的综合能源系统的N-1静态安全分析？ 东南大学 朱雪琼，南瑞集团有限公司 薛禹胜等：从互补群的视角揭示惯量对暂态功角稳定性的复杂影响 作者简介 张晓明 华中科技大学电气与电子工程学院博士研究生，主要研究方向为电力电子变换与控制技术、无线电能传输技术等。 蔡涛 华中科技大学电气与电子工程学院副教授，主持完成国家自然科学基金面上项目、科技部行业专项课题，主研完成国家自然科学基金NSFC-EPSRC合作研究、国家重点基础研究发展计划（973计划）课题。承担重点国防军工项目和民用企业合作项目多项。已在国内外学术期刊和会议上公开发表学术论文50余篇，其中SCI/EI检索20余篇。主要研究方向为可再生能源发电系统建模及能量预测技术、化学储能电池管理及充放电控制、无线电能传输技术等。 胡宏晟 华中科技大学电气与电子工程学院博士研究生，主要研究方向为电力电子变换与控制技术、无线电能传输技术等。 牛金涛 华中科技大学电气与电子工程学院硕士研究生，主要研究方向为电力电子变换与控制技术、无线电能传输技术等。 丰昊 北卡罗来纳州立大学电子与计算机工程系博士后，主要研究方向为无线电能传输技术、中压功率变换系统等。 段善旭 华中科技大学电气与电子工程学院教授，国际电气电子工程师学会高级会员、中国电机工程学会及中国电工技术学会高级会员，湖北省高级专家协会会员、中国电力电子学会常务理事。曾获教育部新世纪优秀人才、湖北省新世纪高层次人才工程人选、“中达学者”、“华中学者”等称号。发表SCI、EI等收录的科技论文200余篇，出版专着、教材2本，研究成果曾获得省、部级科学技术进步奖7项。主要研究方向为电力电子电路、装置与系统，电力电子电路的智能化及模块化控制技术，现代电力电子技术在电力系统中的应用，新能源发电技术等。 近期发布内容可通过本公众号菜单栏AEPS-精彩荟萃点击查阅，精彩不容错过哦~ 郑重声明：根据国家版权局相关规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编本微信作品，需包含本微信名称、二维码等关键信息，并在文首注明《电力系统自动化》原创。个人请按本微信原文转发、分享。