谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输机理及关键技术研究

Wireless power transfer (WPT) technology provides the best scheme for powering electrical equipment in a safe, flexible and clean way. Solving these issues, such as, signal transmission, online load identification, is the key to promote development of magnetically-coupled resonant WPT technology. According to the usage of harmonics in electric power system, this project proposes a novel magnetically-coupled resonant WPT system based on separation and multiplexing of harmonics, establishes a model of magnetically-coupled resonant WPT system based on two path of fundamental and harmonic waves, and the working mechanism of two path power transfer, signal transmission and load identification is clarified. This project explores a new idea to deal with these existing problems of magnetically-coupled resonant WPT systems, aiming at solving these key problems, such as effective separation of fundamental and harmonic waves, distribution and control of power in two path, physics and mathematics models of magnetic mechanism with four coils, and robustness of systems. This project will raise the level of basic theory of WPT technology. These research achievements would enrich WPT technology theory systems and make contributions to establishing basic theory of WPT technology, promotion and industrialization of WPT technology.

无线电能传输技术为实现电气设备安全、灵活、洁净供电提供了有效解决方案。解决传统的基于基波通路实现磁耦合谐振无线电能传输、电能信号传递及负载识别过程中存在的能量高效传输及系统稳定性等关键问题，是加速推进无线电能传输技术发展的重要途径。本项目借鉴电力系统谐波利用相关理论，提出一种谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输思想。构建基谐波双通路磁耦合谐振无线电能传输系统模型，并针对其运行机制及基谐波双通路电能传输、信号传递和负载识别等相关关键技术实现机理展开研究。重点解决基谐波有效分离、双通路能量分配与控制、四线圈磁路机构物理和数学建模及鲁棒稳定特性等关键难点问题，探索并开辟一条研究磁耦合谐振无线电能传输系统的新思路。通过本项目的研究，可望提高我国无线电能传输基础理论水平。研究结论有望丰富无线电能传输技术基础理论体系，并为无线电能传输技术的推广以及产业化发展和应用做出一定贡献。

为解决传统的基于基波通路实现磁耦合谐振无线电能传输、电能信号传递及负载识别过程中存在的能量高效传输及系统稳定性等关键问题，本项目借鉴电力系统谐波利用相关理论，提出一种谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输思想。重点研究了以下几方面内容：1）谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输系统电能与信号同步传输技术，提出了①正交多载波感应耦合电能信号同步传输技术、②基波-谐波双通路并行感应式能量与信号同步传输技术、③调频式电能信号同步传输技术、④基于移相调制的电能信号同步传输技术、⑤基于逆变器软开关工作点谐波特性的无线电能与信号同步传输技术等5种方式；2）提出了谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输高效宽范围功率调节技术，分析了基波-谐波并行无线电能传输系统原理并进行了建模，对基波-谐波双通路并行无线电能传输系统特性进行了分析，研究了基波-谐波双通路并行无线电能传输系统宽范围调压方法；3）提出了谐波分离与复用磁耦合谐振无线电能传输负载实时识别方法，研究了负载变化对系统输出特性的影响，对基于谐波注入的无线电能传输系统的负载识别方法进行了建模与仿真分析；4）提出了双通路功率传输分配与控制方法，研究了双向感应电能传输系统工作机理，分析了控制信号同步方法，实现了双向感应电能传输系统双边移相控制；5）提出了一种双通路正交DD电磁耦合机构，对该机构进行了磁设计、建模与测试；6）提出了无线电能传输系统最优效率跟踪与鲁棒稳定控制方法，研究了双LCL拓扑无线电能传输系统最优效率跟踪控制方法，基于H∞、u、自抗扰控制等方法，实现了双LCL拓扑无线电能传输系统闭环鲁棒控制。经过4年的研究，完成了全部项目预期目标，取得了较好成果。通过本项目的研究，一定程度上提高了我国无线电能传输基础理论水平，研究结论丰富了无线电能传输技术基础理论体系，为无线电能传输技术的推广以及产业化发展和应用做出了一定贡献。