一种利用单端口阻抗测量值测算无线电能传输系统稳态性能的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种利用单端口阻抗测量值测算无线电能传输系统稳态性能的方法，属于电力工程领域。包括测量和计算两个步骤。测量是将WPT系统简化成二端口网络，让端口之一保持开路或短路状态，用普通阻抗分析仪测量另一个端口的等效阻抗，称为单端口阻抗。再根据这些单端口阻抗的测量值，利用本发明专利技术提出的计算公式，测算出WPT系统的主要稳态性能。本发明专利技术的测算方法既不同于理论计算，也有别于真实测量，只需使用普通的阻抗分析仪；在使用阻抗分析仪进行测量时，不需要使WPT系统处于工作状态，避免带电测量；本方法同时适用于磁场耦合式、电场耦合式、超声耦合式WPT系统，并与阻抗补偿网络形式无关。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电气设备与电网之间的电能无线传输，所属
为电力工程。
技术介绍
无线电能传输(Wirelesspowertransmission,简称WPT)技术，由于2007年MIT学者取得的重要研究进展，以及人们对其美好应用前景的期待，目前掀起了电能传输技术新的研究热潮。借助WPT技术，可以不使用导线连接来传输电能，有望解决特殊场合下，用电设备与电源的连接问题。WPT技术在电动车、便携式电子设备、家用电器、运输设备、机器人、无线传感器等机电产品中展示了美好的应用前景，可以使供电更加便捷；在水下、潮湿、密闭容器内、易燃易爆等环境下，可以解决供电难和插拔导线带来的危险。从国内外的研究现状来看，实现WPT技术的原理主要包括电磁感应、磁场谐振、电场耦合、超声耦合。无论采用何种原理，在WPT系统的研究过程中，总是希望确定系统的稳态性能指标，例如电压传输比、短路电流、能够传输的最大功率，以及传输效率等。这些性能指标一方面可以通过建立WPT系统模型，借助理论计算来获得，但模型的复杂性和对次要因素的取舍，会直接影响计算结果，且与分析者经验有关，人为因素较强；另一方面也可通过对实际系统的真实测量来获得，但这样做既存在危险，代价也较大，甚至不可能，例如测量短路电流和最大功率就是如此。
技术实现思路
针对WPT系统稳态性能分析的需要，以及目前存在的问题，本专利技术提出了一种利用普通阻抗分析仪，测量二端口网络的端口之一，在开路或短路条件下，另一个端口的等效阻抗，称为单端口阻抗。再根据这些单端口阻抗的测量值，利用本专利技术给出的计算公式，计算出WPT系统的主要稳态性能。本专利技术的测算方法既不同于理论计算，也有别于真实测量，只需使用普通的阻抗分析仪；在使用阻抗分析仪进行测量时，不需要使WPT系统处于工作状态，避免带电测量；本方法同时适用于磁场耦合式、电场耦合式、超声耦合式WPT系统，并与阻抗补偿网络形式无关。本专利技术采取的技术方案是：首先，去掉高频逆变部分和整流滤波后将剩下的能量耦合单元和阻抗补偿单元级联构成线性无源互易二端口网络，即将发射端口阻抗补偿网络、接收端口阻抗补偿网络、磁场耦合单元、电场耦合单元和超声耦合单元级联后构成线性无源互易二端口网络。然后，针对WPT系统的实际工作频率，对该二端口网络进行2-3次单端口阻抗测量，未被测量的另一端端口开路或短路。其次，根据上述阻抗测量结果，计算二端口网络阻抗参数和传输参数。再次，利用WPT系统稳态性能与上述参数的关系，测算出WPT系统的某些稳态性能，例如电压传输比、短路电流、最大功率、最大效率等。本专利技术使用普通阻抗分析仪，对WPT系统的稳态性能进行测算，无需WPT系统带电实际工作。与WPT系统的能量耦合形式和阻抗补偿网络无关，避免了理论计算时人为因素的影响。附图说明图1是WPT系统的基本组成单元。图2(a)是用于WPT系统的静止能量耦合单元示例。图2(b)是用于WPT系统的运动能量耦合单元示例。图3是用于WPT系统的阻抗补偿单元示例。图4是被测量的二端口网络。图5是分析WPT系统稳态性能的简化网络。具体实施方式下面结合说明书附图和技术方案对本专利技术的具体实施方式详细说明。1.建立二端口网络将组成WPT系统的基本单元抽象成不同的二端口网络，如图1所示。图2(a)和(b)是用于WPT系统的能量耦合单元示例，图3是用于WPT系统的阻抗补偿单元示例。将各基本单元对应的二端口网络级联，得到用于测量的复合二端口网络N，如图4所示。实际工作时，发射端口1和1’之间连接高频发射电源。测算WPT系统稳态性能时，1和1’之间要么连接阻抗分析仪，要么开路或短路。实际工作时，接收端口2和2’之间连接整流电路。测算WPT系统稳态性能时，2和2’之间要么连接阻抗分析仪，要么开路或短路，并不需要连接负载部分。2.测量二端口网络N的阻抗参数用阻抗分析仪，分别测量一个端口开路时，从另一个端口看进去的等效阻抗，即Z11=U·1I·1|I·2=0=Z1o,Z22=U·2I·2|I·1=0=Z2o---(1)]]>令接收端口短路，即测量从发射端口看进去的等效阻抗Z1s，则Z12=Z21=±Z1oZ2o-Z1sZ2o---(2)]]>测量时，阻抗分析仪的工作频率要设定为WPT系统的工作频率。3.测量二端口网络N的传输参数根据二端口网络的传输参数方程，即U·1I·1=T11T12T21T22U·2-I·2]]>得，U·1I·1|I·2=0=T11T21=Z1o,U·1I·1|U·2=0=T12T22=Z1s---(3)]]>U·2-I·2|I·1=0=T22T21=Z2o,U·2-I·2|U·1=0=T12T11=Z2s---(4)]]>Z1o,Z1s,Z2o及Z2s并非彼此无关，它们满足如下关系，Z1oZ1s=Z2oZ2s=T11T22T12T21---(5)]]>根据上述关系得到，在此基础上，根据式(3)和式(4)得到其他传输参数如下，T12＝Z2sT11，T21=T11Z1o,T22=T12Z1s=1+T12T21T11---(7)]]>某些情况下，将WPT系统的发射回路与接收回路设计成结构和参数完全一致，以便同时谐振。其传输参数满足以下关系，T11T22-T12T21=1T11=T22---(8)]]>这时只有两个独立参数，并且，T11=T22=±Z1oZ1o-Z1s---(9)]]>T12＝Z1sT11，T21＝T11/Z1o(10)以上无论是阻抗参数，还是传输参数，都是使用阻抗分析仪，通过测量不同条件下的单端口阻抗后，直接或通过简单计算得到的。4.测算WPT系统稳态性能带有发射电源和等效负载Z2的WPT系统简化网络如图5所示。(1)测算电压传输比：用来表示接收到的电压与发射电压之间的大小关系和相位关系，计算公式为，HV=U·2U·S=Z2T11(Z2s+Z2)---(11)]]>(2)测算电源输出电流：根据二端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用单端口阻抗测量值测算无线电能传输系统稳态性能的方法，其特征在于以下步骤，步骤1.建立二端口网络去掉高频逆变部分和整流滤波后将剩下的能量耦合单元和阻抗补偿单元级联构成线性无源互易二端口网络，即将发射端口阻抗补偿网络、接收端口阻抗补偿网络、磁场耦合单元、电场耦合单元和超声耦合单元级联后构成线性无源互易二端口；实际工作时，发射端口1和1’之间连接高频发射电源；测算WPT系统稳态性能时，1和1’之间连接阻抗分析仪或开路或短路；实际工作时，接收端口2和2’之间连接整流电路；测算WPT系统稳态性能时，2和2’之间连接阻抗分析仪或开路或短路，并不需要连接负载部分；步骤2.测量二端口网络N的阻抗参数用阻抗分析仪，分别测量一个端口开路时，从另一个端口看进去的等效阻抗，即Z11=U·1I·1|I·2=0=Z1o,Z22=U·2I·2|I·1=0=Z2o---(1)]]>令接收端口短路，即测量从发射端口看进去的等效阻抗Z1s，则Z12=Z21=±Z1oZ2o-Z1sZ2o---(2)]]>测量时，阻抗分析仪的工作频率要设定为WPT系统的工作频率；步骤3.测量二端口网络N的传输参数根据二端口网络的传输参数方程，即U·1I·1=T11T12T21T22U·2-I·2]]>得，U·1I·1|I·2=0=T11T21=Z1o,U·1I·1|U·2=0=T12T22=Z1s---(3)]]>U·2-I·2|I·1=0=T22T21=Z2o,U·2-I·2|U·1=0=T12T11=Z2s---(4)]]>Z1o,Z1s,Z2o及Z2s并非彼此无关，它们满足如下关系，Z1oZ1s=Z2oZ2s=T11T22T12T21---(5)]]>根据上述关系得到，根据式(3)和式(4)得到其他传输参数如下，T12=Z2sT11,T21=T11Z1o,T22=T12Z1s=1+T12T21T11---(7)]]>某些情况下，将WPT系统的发射回路与接收回路设计成结构和参数完全一致，以便同时谐振；其传输参数满足以下关系，T11T22-T12T21=1T11=T22---(8)]]>有两个独立参数，并且，T11=T22=±Z1oZ1o-Z1s---(9)]]>T12＝Z1sT11，T21＝T11/Z1o     (10)步骤4.测算WPT系统稳态性能(1)测算电压传输比：用来表示接收到的电压与发射电压之间的大小关系和相位关系，计算公式为，HV=U·2U·S=Z2T11(Z2s+Z2)---(11)]]>(2)测算电源输出电流：根据二端口网络理论，从发射端口向接收端口看进去的等效阻抗为，Zi=U·1I·1=T11Z2+T12T21Z2+T22=Ri+jXi---(12)]]>因此，电源的输出电流为，I·1=U·SZi---(13)]]>如果负载突然短路，即Z2＝0，这时电源输出电流为，I·1=U·SZi=U·ST12/T22=U·SZ1s---(14)]]>(3)测算功率与效率计算电源输出的平均功率为，P1=Re[U·SI·1*]=Re[US2/Zi*]---(15)]]>计算Z2消耗的平均功率为，P2=I22R2=|U·ST11(Z2s+Z2)|2R2---(16)]]>为分析Z2消耗的最大功率，设测量得到的单端口阻抗等效负载阻抗如果只有Z2的模改变而阻抗角固定，则当|Z2|＝|Z2s|时，负载得到的功率为最大，并且如果阻抗角也可改变，则时，负载得到的功率为最大，并且P2max=US24|T11|2R2s---(18)]]>若在WPT系统中，发射与接收线圈设计成相同，发射端口与接收端口的阻抗补偿网络也相同的，则由它们级联构成的二端口网络N是对称的；则令单端口阻抗或者导纳的测量值分别为则计算功率的公式为，输入功率：P1=KI22---(19)]]>其中系数K是由单端口阻抗测量值和等效负载阻抗Z2决定，输出...

【技术特征摘要】
1.一种利用单端口阻抗测量值测算无线电能传输系统稳态性能的方法，其特征在于以
下步骤，
步骤1.建立二端口网络
去掉高频逆变部分和整流滤波后将剩下的能量耦合单元和阻抗补偿单元级联构成线
性无源互易二端口网络，即将发射端口阻抗补偿网络、接收端口阻抗补偿网络、磁场耦合单
元、电场耦合单元和超声耦合单元级联后构成线性无源互易二端口；
实际工作时，发射端口1和1’之间连接高频发射电源；测算WPT系统稳态性能时，1和1’
之间连接阻抗分析仪或开路或短路；
实际工作时，接收端口2和2’之间连接整流电路；测算WPT系统稳态性能时，2和2’之间
连接阻抗分析仪或开路或短路，并不需要连接负载部分；
步骤2.测量二端口网络N的阻抗参数
用阻抗分析仪，分别测量一个端口开路时，从另一个端口看进去的等效阻抗，即
Z11=U·1I·1|I·2=0=Z1o,Z22=U·2I·2|I·1=0=Z2o---(1)]]>令接收端口短路，即测量从发射端口看进去的等效阻抗Z1s，则
Z12=Z21=±Z1oZ2o-Z1sZ2o---(2)]]>测量时，阻抗分析仪的工作频率要设定为WPT系统的工作频率；
步骤3.测量二端口网络N的传输参数
根据二端口网络的传输参数方程，即
U·1I·1=T11T12T21T22U·2-I·2]]>得，
U·1I·1|I·2=0=T11T21=Z1o,U·1I·1|U·2=0=T12T22=Z1s---(3)]]>U·2-I·2|I·1=0=T22T21=Z2o,U·2-I·2|U·1=0=T12T11=Z2s---(4)]]>Z1o,Z1s,Z2o及Z2s并非彼此无关，它们满足如下关系，
Z1oZ1s=Z2oZ2s=T11T22T12T21---(5)]]>根据上述关系得到，
根据式(3)和式(4)得到其他传输参数如下，
T12=Z2sT11,T21=T11Z1o,T22=T12Z1s=1+T12T21T11---(7)]]>某些情况下，将WPT系统的发射回路与接收回路设计成结构和参数完全一致，以便同时
谐振；其传输参数满足以下关系，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈希有，周宇翔，李冠林，牟宪民，孙学斌，
申请(专利权)人：大连理工大学，中电投吉林核电有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21