一種無線電能傳輸系統(tǒng)的可視化分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)及電能的無線傳輸問題，即用非導(dǎo)線接觸方式為電氣設(shè)備提供電力，屬 于電力工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】 陽〇〇引無線電能傳輸（簡稱WPT)技術(shù)是一種不使用導(dǎo)線連接來傳輸電能的技術(shù)。由于2007年MIT學(xué)者取得的重要研究進(jìn)展，W及人們對其美好應(yīng)用前景的期待，目前掀起了WPT 技術(shù)新的研究熱潮。借助WPT技術(shù)，人們可W不使用導(dǎo)線連接來傳輸電能，有望解決特殊場 合下，用電設(shè)備與電源的連接問題。例如，為電動(dòng)車和便攜式電子設(shè)備充電、為移動(dòng)運(yùn)輸設(shè) 備提供電力、為無線傳感器補(bǔ)充電能等。另外，在水下、潮濕、密閉容器內(nèi)、易燃易爆、核能等 環(huán)境下使用WPT技術(shù)，可W解決供電難問題，避免插拔導(dǎo)線帶來的危險(xiǎn)。
[0003] 在對WPT技術(shù)開展研究的過程中，人們總是關(guān)屯、一些重要的技術(shù)參量，例如穩(wěn)態(tài) 時(shí)的輸入電流、輸入功率、輸出電流、輸出電壓、輸出功率，W及傳輸效率等。目前的研究方 法主要是仿真和實(shí)驗(yàn)。所謂仿真，就是根據(jù)人為建立的電網(wǎng)絡(luò)模型或電磁場模型，利用商用 仿真軟件進(jìn)行輔助計(jì)算，得到上述參量的數(shù)值解或變化波形，但不宜看出各參量之間的聯(lián) 動(dòng)關(guān)系。而真實(shí)的實(shí)驗(yàn)研究存在損壞器件的危險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)代價(jià)較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提供一種分析WPT系統(tǒng)主要技術(shù)參量的可視化方法。該方法借 助一張復(fù)平面的幾何圖形，能夠直觀地同時(shí)看出各穩(wěn)態(tài)技術(shù)參量與某參數(shù)變動(dòng)時(shí)的對應(yīng)關(guān) 系，也可從圖中定量測算出運(yùn)些參量的量值。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案：
[0006] (1)將無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射電源內(nèi)阻抗、發(fā)射回路阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、能量禪合單 元和接收回路阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，分別單獨(dú)等效成二端口網(wǎng)絡(luò)。再將運(yùn)些二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)等 效成網(wǎng)絡(luò)N。
[0007] (2)用二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)計(jì)算輸入阻抗Zi。。再用Z2S表示輸入端口短路時(shí)，從 輸出端口看進(jìn)去的復(fù)阻抗；用4表示輸出端口開路時(shí)，輸入端口的電流；用/,、表示輸出端 口短路時(shí)，輸入端口的電流。利用上述各種表示，WPT系統(tǒng)輸入端口的實(shí)際電流可表示為，
[0008]
[0009] 從復(fù)變函數(shù)角度看，上式是個(gè)保圓映射，即為。、戈。和的端點(diǎn)在同一個(gè)圓周上， 稱為圓圖。圓屯、坐標(biāo)和半徑由WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)，W及等效負(fù)載阻抗來決定。
[0010] (3)在圓圖基礎(chǔ)上，利用各參量之間所遵循的物理和數(shù)學(xué)關(guān)系，將WPT系統(tǒng)的主要 參量，用復(fù)平面上幾何線段的長度或角度來表示，如圖5所示，稱為WPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參量軌跡 圖，簡稱軌跡圖。
[0011] 由于采用了W上技術(shù)方案，本發(fā)明能夠達(dá)到W下有益效果：
[0012] (1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了WPT系統(tǒng)主要參量的可視化分析。也就是說，可W通過復(fù)平面中 幾何線段的長度或角度來讀取WPT系統(tǒng)主要參量值，包括參量的大小和參量的福角。
[0013] (2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了WPT系統(tǒng)主要參量相互之間變化趨勢的聯(lián)動(dòng)觀察，可W直觀觀 察各個(gè)參量的聯(lián)動(dòng)關(guān)系；通過WPT系統(tǒng)參量軌跡圖中幾何線段的伸縮和旋轉(zhuǎn)，可W動(dòng)態(tài)地 看出負(fù)載或其他參數(shù)變動(dòng)時(shí)，WPT系統(tǒng)主要參量大小和福角的變化趨勢。
[0014] (3)能夠從軌跡圖上讀取的主要參量包括：接收端口空載時(shí)發(fā)射端口電流、接收 端短路時(shí)發(fā)射端口電流、接收端口有載時(shí)發(fā)射端口電流和接收端口電流、負(fù)載阻抗的模、發(fā) 射端口有功功率、發(fā)射端口無功功率、接收端口有功功率、傳輸效率。
【附圖說明】 陽01引圖1是WPT系統(tǒng)一般組成。
[0016] 圖2是用于WPT系統(tǒng)能量禪合單元示例。（a)靜止禪合；化）運(yùn)動(dòng)禪合。
[0017] 圖3是用于WPT系統(tǒng)的阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)示例。 陽01引 圖4是WPT系統(tǒng)的二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路。
[0019] 圖5是WPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參量軌跡圖示例。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合上述方案和附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021] 無線電能傳輸系統(tǒng)的一般組成如圖1所示，其中的能量禪合單元示例如圖2所示， 阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)示例如圖3所示。將無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射電源內(nèi)阻抗、發(fā)射回路阻抗補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)、能量禪合單元和接收回路阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，分別單獨(dú)等效成二端口網(wǎng)絡(luò)。
[0022] 再將運(yùn)些二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)等效成網(wǎng)絡(luò)N，如圖4所示。其中烏表示發(fā)射電源的 電動(dòng)勢相量；瓦表示負(fù)載復(fù)阻抗；Z1。表示等效輸入復(fù)阻抗；表示輸入端口電流相量；/: 表示輸出端口電流相量。
[0023] 用二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)計(jì)算輸入阻抗的表達(dá)式是，
[0024]
(1)
[0025] 其中，T。、Τ?2、了21和T22表示二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)矩陣元素。
[0026] 因此，輸入電流與等效負(fù)載阻抗瓦的關(guān)系為，
[00別
(2)
[00測再用Ζ2苯示輸入端口短路時(shí)，從輸出端口看進(jìn)去的等效復(fù)阻抗，即 [0029]
(3)
[0030] 用4隸示輸出端日開路時(shí)，輸入端日的電流，即 齡3U
(斗）
[0032]用表示輸出端口短路時(shí)，輸入端口的電流，即[00劉
（5)
[0034] 利用上述各種表示，輸入端口的實(shí)際電流為，
[0035]
W
[0036] 根據(jù)復(fù)變函數(shù)映射原理，4、: 4和馬的端點(diǎn)必在同一個(gè)圓周上，如圖5所示。
[0037] 設(shè)負(fù)載的阻抗角化不變，改變負(fù)載阻抗的模|zj，做出ii隨|Zj的變化軌跡，如圖 5中的實(shí)線圓弧所示。
[0038] 如4
根據(jù)平面幾何原理，圓的半徑按下式計(jì)算，
[0039]
(7) W40] 圓屯、坐標(biāo)可W利用S點(diǎn)確定一個(gè)圓的原理，根據(jù)jj。和4的端點(diǎn)坐標(biāo)來確定。
[0041] 定義電流實(shí)際大小與軌跡圖上幾何長度的比例尺為，
[0042]
(8)
[0043] 符號(hào)上面的橫線表示軌跡圖上的幾何長度，單位是毫米。例如，巧表示電流相量為 在軌跡圖上的幾何長度；而/',、/:表示相量4與ii端點(diǎn)連線的幾何長度。本發(fā)明中，除了哨 是由定義給出外，其余比例尺都是根據(jù)參量的解析表達(dá)式推導(dǎo)出來的。
[0044]W下給出主要參量在WPT軌跡圖上的讀取方法，參見圖5。 W45] (1)空載電流和短路電流的讀取
[0046] 接收端空載即開路時(shí)，發(fā)射端電流為，
[0047]
(穿） W48] Ii。表示電流相量4的有效值，單位安培。上面不含逗點(diǎn)的電流符號(hào)I和電壓符號(hào) U，都表示有效值。 W例 （9)式說明，用比例尺W/乘W軌跡圖上的幾何長度^，便得到有效值電流Ii。。W 下帶有比例尺的表達(dá)式，都表示此含義。
[0050]接收端短路時(shí)，發(fā)射端電流為， 陽 〇5U
( 10)
[0052] 似輸出電流有效值I2的讀取 陽05引
（11)
[0054] 其中比例尺， 陽 05 引
C.12).
[0056] (3)輸出電壓U2的讀取
[0057]
(巧） 陽化引其中比例尺，
[0059]
(14) W60] (4)負(fù)載阻抗|Zj的讀取 陽 06U
(15) 陽0創(chuàng)其中比例尺，
[0063]
UC)；
[0064] (5)發(fā)射端有功功率Pi的讀取 陽0化]
(17)
[0066] 其中比例尺，
[0067]
( 18)
[0068] (6)接收端有功功率P2的讀取
[0069]
(19)
[0070] 其中比例尺，
[0071]
(20)
[0072] (7)傳輸效率η的讀取
[007；3]
(21:)
[0074] 其中比例尺， 陽0巧]
(22)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無線電能傳輸系統(tǒng)的可視化分析方法，其特征在于W下步驟， (1) 將無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射電源內(nèi)阻抗、發(fā)射回路阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、能量禪合單元和 接收回路阻抗補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，分別單獨(dú)等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，再將運(yùn)些二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)等效成 網(wǎng)絡(luò)N; (2) 用二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)計(jì)算輸入阻抗Zm;再用Z2.表示輸入端口短路時(shí)，從輸出 端口看進(jìn)去的復(fù)阻抗；用/l。.表示輸出端口開路時(shí)，輸入端口的電流；用^1,表示輸出端口短 路時(shí)，輸入端口的電流；利用上述各種表示，WPT系統(tǒng)輸入端口的實(shí)際電流表示為從復(fù)變函數(shù)角度看，上式是個(gè)保圓映射，即/i。、和Λ的端點(diǎn)在同一個(gè)圓周上，稱為 圓圖；圓屯、坐標(biāo)和半徑由WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)W及等效負(fù)載阻抗決定； (3) 在圓圖基礎(chǔ)上，利用各參量之間所遵循的物理和數(shù)學(xué)關(guān)系，將WPT系統(tǒng)的主要參 量，用復(fù)平面上幾何線段的長度或角度來表示，稱為WPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參量軌跡圖；讀取參量大 小的方法是軌跡圖上相應(yīng)線段幾何長度乘W相應(yīng)的比例尺。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種無線電能傳輸系統(tǒng)的可視化分析方法，屬于電力工程領(lǐng)域。本發(fā)明的方法將WPT系統(tǒng)抽象成二端口網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)輸出端口開路時(shí)的輸入電流、輸出端口短路時(shí)的輸入電流，以及輸出端口帶正常負(fù)載時(shí)的輸入電流的相量值，在復(fù)平面上繪出圓圖；根據(jù)WPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參量的解析表達(dá)式，在同一平面上繪制代表這些穩(wěn)態(tài)參量的線段，得到WPT系統(tǒng)參量軌跡圖；將線段的幾何長度與相應(yīng)的比例尺相乘，便得到對應(yīng)參量的實(shí)際大小。不僅能夠直觀讀出主要參量的大小和輻角，更重要的是，可以通過線段長度和角度的變化，直觀動(dòng)態(tài)地觀察出各參量之間的聯(lián)動(dòng)變化規(guī)律。
【IPC分類】G01R31/00
【公開號(hào)】CN105403798
【申請?zhí)枴緾N201510991087
【發(fā)明人】周宇翔, 陳希有, 李冠林, 孫學(xué)斌, 牟憲民
【申請人】中電投吉林核電有限公司, 大連理工大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月25日