一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法
【專利摘要】一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法，屬于電力工程領域。該方法根據(jù)發(fā)射特斯拉線圈次級LC并聯(lián)等效電路，初步確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段，在該頻段范圍內，測量發(fā)射特斯拉線圈在不同頻率下的輸入阻抗模，根據(jù)測量結果，以得到輸入阻抗模極小值為目標，逐步減小測量頻段帶寬，當帶寬精度滿足要求時，即可確定單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率。系統(tǒng)工作條件變化時，在原有最佳工作頻率附近重新測量發(fā)射特斯拉線圈的輸入阻抗模，按照上述減小測量頻段帶寬的方法，即可確定偏移后的最佳工作頻率。這種方法可以快速準確地確定單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率。
【專利說明】
一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明提出了一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法，屬于電力工 程領域。
【背景技術】
[0002] 單線電能傳輸系統(tǒng)，即只用一根導線連接發(fā)射裝置和接收裝置，在不構成回路的 情況下，實現(xiàn)電能的傳輸，當這根導線采用大地等自然介質代替時，即可以實現(xiàn)廣義的"無 線"電能傳輸，它可以解決有線電能傳輸技術和無線電能傳輸技術目前無法解決，或解決起 來較為困難的問題，有望為海上孤島和邊遠山區(qū)這樣難以架設輸電線路的地區(qū)供電。
[0003] 在單線電能傳輸系統(tǒng)中，負載獲取功率的多少受工作頻率影響顯著，一般認為負 載可以獲得最大功率時對應的工作頻率為系統(tǒng)最佳工作頻率。目前并沒有相關文獻可以詳 細解釋單線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理，因此，很少有學者研究單線電能傳輸系統(tǒng)，也沒有人 提出一種確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法。此外，就已經(jīng)確定最佳工作頻率的 系統(tǒng)而言，當系統(tǒng)的工作條件發(fā)生變化，如傳輸距離變化，或者與接收裝置相連的負載改變 時，系統(tǒng)的最佳工作頻率較變化前會發(fā)生一定偏移，若系統(tǒng)仍工作于變化前的頻率，會使負 載無法獲得最大功率。
[0004] 由此可見，為確定單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率，解決系統(tǒng)工作條件改變造 成的最佳工作頻率偏移問題，需要提出研究一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)工作頻率的方 法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的內容是，根據(jù)發(fā)射特斯拉線圈次級LC并聯(lián)等效電路，初步確定單線電能 傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段，在該頻段范圍內，測量發(fā)射特斯拉線圈在不同頻率下的 輸入阻抗模，根據(jù)測量結果，以得到輸入阻抗模極小值為目標，逐步減小測量頻段帶寬，當 帶寬精度滿足要求時，即可確定單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率。系統(tǒng)工作條件變化時， 在原有最佳工作頻率附近重新測量發(fā)射特斯拉線圈的輸入阻抗模，按照上述減小測量頻段 帶寬的方法，即可確定偏移后的最佳工作頻率。這種方法可以快速準確地確定單線電能傳 輸系統(tǒng)的最佳工作頻率。
[0006] 本發(fā)明采取的技術方案是：
[0007] 首先，初步確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段，具體方法為:根據(jù)發(fā)射 特斯拉線圈次級LC并聯(lián)等效電路模型，計算得到LC并聯(lián)電路的諧振頻率f r，根據(jù)諧振頻率 初步確定系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段為。
[0008]其次，以得到輸入阻抗模極小值為目標，測量發(fā)射特斯拉線圈在頻段 內不同頻率下的輸入阻抗模，初始測量步進值./== 0.02/，若測量過程中三個連續(xù)測量 頻率fi-對應的輸入阻抗模| Zi-i |、| Zi |、| Zi+11滿足| Zd |多| Zi | < | Zi+11，則可以確 定最佳工作頻率所在頻段為[/;(2)，./;2)]，其中，，新頻段帶寬為 9廣⑴ A,step。
[0009] 然后，測量步進值減小為原來的
，重復上述步驟，得到最佳工 作頻率所在頻段為繼續(xù)按上述規(guī)律減小步進值，直到測量精度滿足設計要求， 最終得到的頻段為，系統(tǒng)的最佳工作頻_
[0010] 最后，周期性地測量發(fā)射特斯拉線圈的輸入阻抗模，測量周期
若連續(xù)三 次測量得到阻抗模的平均值相比之前偏差超過10%，說明系統(tǒng)最佳工作頻率發(fā)生偏移，需 要重新確定系統(tǒng)最佳工作頻率，初始頻段由原最佳工作頻率fc>p確定，測量步進值 /i^o.oos/#，余下步驟同上。
[0011] 本發(fā)明可以自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率，解決系統(tǒng)工作條件改變 造成的最佳工作頻率偏移問題。測量方法簡單，根據(jù)發(fā)射特斯拉線圈輸入阻抗模的大小即 可確定系統(tǒng)最佳工作頻率，無需復雜的理論分析。
【附圖說明】
[0012] 圖1是單線電能傳輸系統(tǒng)框圖。
[0013] 圖2是發(fā)射特斯拉線圈等效電路模型。
[0014] 圖3是DSP控制器程序流程圖。 具體實施方案
[0015] 下面結合說明書附圖和技術方案，對本發(fā)明的具體實施方案作詳細說明。
[0016] 如圖1是單線電能傳輸系統(tǒng)框圖，包括工頻電源、整流電路、逆變電路、電壓電流傳 感器、有效值轉換電路、DSP控制器、驅動電路、發(fā)射特斯拉線圈、接收特斯拉線圈和負載。工 頻電源為系統(tǒng)提供能量。整流電路、逆變電路為發(fā)射特斯拉線圈提供高頻交流電。發(fā)射、接 收特斯拉線圈是兩個結構類似的特斯拉線圈，具有相同的諧振頻率，二者之間采用單根導 線連接。電壓電流傳感器用于測量發(fā)射特斯拉線圈的輸入電壓和輸入電流，其輸出的交流 電壓信號經(jīng)有效值轉換電路變?yōu)閮蓚€直流電壓信號，分別代表輸入電壓有效值和輸入電流 有效值。DSP控制器的AD模塊采集這兩個直流電壓信號并做除法運算，即可得到發(fā)射特斯拉 線圈的輸入阻抗模。DSP控制器輸出的PWM信號經(jīng)驅動電路放大后控制逆變電路的工作頻 率。
[0017] 圖2是發(fā)射特斯拉線圈等效電路模型，其中LP為發(fā)射特斯拉線圈的初級線圈等效 電感，初級線圈兩端與逆變電路的輸出連接。Ls為次級線圈等效電感，已知次級線圈的設計 參數(shù):平面螺旋狀線圈結構、線圈匝數(shù)為N、線圈內直徑為Di、用于繞制線圈的導線直徑為w、 每匝線圈間的匝間距為s，則等效電感Ls計算公式為 (1) 〇Cs為發(fā)射特斯拉線圈頂端導體球的等效電容，其計算公
式為
[0020] Cs = 43ie〇R (2)
[0021] 其中R為導體球的半徑。
[0022] 由等效電路模型可知，特斯拉線圈次級的等效電路是LC并聯(lián)電路，其諧振頻率為
(3)
[0024] 諧振頻率fr與單線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率的偏差一般不會超過0.3fr，因 此，根據(jù)f r可以初步確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段為，其中， /f) =0.7/:，/f = 1.3/r。
[0025] 圖3是DSP控制器的程序流程圖。首先，根據(jù)特斯拉線圈的次級等效電路，可以初步 確定系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段為[./；⑴，/丨 1^。
[0026] 其次，以得到輸入阻抗模極小值為目標，測量系統(tǒng)在頻段內不同頻率 下發(fā)射特斯拉線圈的輸入阻抗模，初始測量步進值/jg = 〇.〇2尤。按照給定的步進值，在測 量頻段內改變DSP控制器輸出PWM信號的頻率，每輸出一個特定頻率的PWM信號后，讀取三次 發(fā)射特斯拉線圈輸入電壓、電流有效值，分別取平均值并做除法后即可得到發(fā)射特斯拉線 圈的輸入阻抗模，設三個連續(xù)測量頻率fV(滿足_/：:二尤! +/以，兒! =/ +/=) 對應的輸入阻抗模分別為I Zi-11、I Zi I、I Zi+11，若三個輸入阻抗模滿足條件I Zi-11彡I Zi I < I 21+1|，則可以確定最佳工作頻率所在頻段為[/'1(2)，/丨 2)]，其中，/丨2) = _/；_1，/；<12)二/；+1，新 頻段帶寬為2/s=。
[0027] 然后，測量步進值減小為原來的
重復上述步驟，得到最佳工 作頻率所在頻段為|~/(3), ，繼續(xù)減小步進值，直到測量精度滿足設計要求，最終得到的 頻段為.，系統(tǒng)的最佳工作頻率.
[0028] 最后，由于單線電能傳輸系統(tǒng)的某些工作條件改變(如傳輸距離改變或負載突變)會使 最佳工作頻率發(fā)生偏移，為保證這種情況發(fā)生時系統(tǒng)可以工作在新的最佳工作頻率下，需要周 期性地測量發(fā)射特斯拉線圈輸入阻抗模，測量周期
，若連續(xù)三次測量得到阻抗模的 平均值較之前偏差超過10%，說明系統(tǒng)最佳工作頻率發(fā)生偏移，需要重新確定，初始頻段的 確定與之前不同，因為已知變化發(fā)生前系統(tǒng)的最佳工作頻率f〇P，所以使用f〇P確定初始頻段 而非使用f r。如前所述，工作條件變化會使最佳工作頻率發(fā)生偏移，這種偏移一般不會超過 0.05^，因此，確定初始測量頻段為[/；(1)，/；:1)]，其中，/ 1<1)=0.95/。11，/1；"=1.05/。 11,測量 步進值/:：： = ().()()5/:>p，余下步驟同上。
【主權項】
1. 一種自動確定單線電能傳輸系統(tǒng)最佳工作頻率的方法，其特征在于， (1) 初步確定最佳工作頻率所在頻段與測量步進值 根據(jù)發(fā)射特斯拉線圈次級LC并聯(lián)等效電路模型，由式（1)計算發(fā)射特斯拉線圈的諧振 頻率(1) 式中，Ls為次級線圈等效電感，CS為發(fā)射特斯拉線圈頂端導體球的等效電容;利用fr初 步確定系統(tǒng)最佳工作頻率所在頻段為]，其中(2) 縮小測量頻段與測量步進值以確定最佳工作頻率 以得到輸入阻抗模極小值為目標，測量系統(tǒng)在頻段內不同頻率下發(fā)射特斯 拉線圈的輸入阻抗模，初始測量步進值^;按照給定的步進值，測量發(fā)射特斯拉 線圈的輸入阻抗模，設三個連續(xù)測量頻率fi-I、fi、fi+1對應的輸入阻抗模分別為I Zi-i |、| Zi |、 z1+11，若三個輸入阻抗模滿足條件|z;_j gzpl 4丨，則確定最佳工作頻率所在頻段為 ^ , 新頻段帶寬為2/s^;測量步進值減小為原來K，重復上述步驟，得到最佳工作頻率所在 頻段為u Iu ^繼續(xù)減小步進值，直到測量精度滿足設計要求，最終得到的頻段為，系統(tǒng)的最佳工作頻率(3) 判斷最佳工作頻率是否發(fā)生偏移，若偏移，自動確定新最佳工作頻率周期性地測量 發(fā)射特斯拉線圈輸入阻抗模，測量周期，若連續(xù)三次測量得到阻抗模的平均值相比 之前偏差超過10%，說明系統(tǒng)最佳工作頻率發(fā)生偏移，需要重新確定； 初始頻段的確定使用匕^角定初始頻段而非使用fr，初始測量頻段為其中，,，測量步進值，余下的步驟（2)和（3)與前 述相同。
【文檔編號】H02J3/00GK105958477SQ201610317912
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】張澤然, 陳希有, 楊杰, 陳建輝
【申請人】大連理工大學