基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析.pdfVIP

第46 卷 第11 期 2022 年6 月10 日 Vol.46No.11 Jun.10，2022 DOI：10.7500/AEPS20210724005 基于谐波状态空间的无线电能传输系统建模和稳定性分析 胡秀芳，王 跃，吕双庆，赵德林，马天录 （西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049） 摘要：LCC-S(一次侧LCC、二次侧LC 串联)型无线电能传输(WPT)系统具有发射侧输出电流恒定 以及对耦合机构错位的高容忍性等优点，近年来被广泛应用。然而WPT 系统固有的非线性特性 可能会导致系统失稳，因此文中以LCC-S型WPT 系统为研究对象分析系统出现的不稳定现象。 首先，将谐波状态空间(HSS)理论引入WPT 系统建模，给出了将时域中的状态空间方程转化为 HSS方程的方法，该建模方法考虑了系统中各次谐波的相互耦合作用，具有更高的精确度。其次， 基于Pade近似等值延时环节，推导了基于HSS理论的闭环控制模式下系统的小信号模型。通过 特征值的分布研究控制器参数以及硬件参数对WPT 系统稳定性的影响规律。最后，通过仿真和 实验验证了所建数学模型的准确性以及理论分析的正确性。 关键词：无线电能传输；稳定性；LCC-S补偿；谐波状态空间；小信号模型；特征值；不稳定 现象 0 引言 S型WPT系统中各电量是交流量，不满足小纹波假 设，因此不能使用状态空间平均法对其进行建模。 基于磁耦合谐振的无线电能传输（wireless 为了解决这一问题，广义状态空间平均（generalized powertransfer，WPT）方式作为一种新型的电能传 ［17］ state-spaceaveraging，GSSA）法 、扩展描述函数 输方式，已在科学研究和工业实践领域引起了越来 ［18］ （extendeddescribingfunction，EDF）法 、耦合模理 ［1-4］ 越多的关注 。在WPT的优点中，最具吸引力的 ［19］ ［20］ 论 以及离散时间映射 等方法被应用。广义状 是没有物理接触，这使WPT技术能够在电动汽车、 态空间平均法和扩展描述函数法在建模过程中仅保 便携式设备、家用电器、工业生产、生物医疗和海洋 留状态变量的直流量和基波分量，而该简化处理会 等众多应用中获得更高的鲁棒性、可靠性和移 带来较大误差 ，尤其是在谐波失真较大的情况 ［5］ 动性 。 ［20］ 下 。耦合模理论只能描述具有低耦合系数的系 为了补偿WPT 系统无功功率和提高系统效 统，同时对WPT系统中的高阶补偿网络建模较为 率，4种基本补偿网络串联- 串联（series-series，SS） 困难。离散时间映射以开关周期为采样间隔，将 ［6-7］ ［8］ 补偿 、串联- 并联（series-parallel，SP）补偿 、并 WPT系统的状态变量从一个采样时刻映射到下一