基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现装置及方法，所述装置包括直流电压源、逆变器、耦合器、整流器、负载、电流检测电路、改进型SOGI‑PLL模块、PWM驱动模块；直流电压源经逆变器、耦合器、整流器与负载相连，逆变器的电流输出端经电流检测电路与改进型SOGI‑PLL的信号输入端相连，改进型SOGI‑PLL的信号输出端与PWM驱动的控制信号输入端相连，PWM驱动的控制信号输出端与全桥逆变器的开关器件相连。本发明引入直接相位控制方法以及基于锁相环输出相位的死区角度调制方法，通过精确调节系统相位差及死区角度，使无线输电系统工作于准谐振状态，解决死区时间与谐振电流相位滞后控制匹配问题，实现ZVS软开关运行。

主权项

一种基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关实现方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用电流检测电路对全桥逆变器的输出电流进行检测，为改进型SOGI‑PLL模块提供输入信号；逆变器输出电流信号如下：$v=\underset{n=1}{\overset{m}{\Sigma }}{v}_n=\underset{n=1}{\overset{m}{\Sigma }}{V}_{n}cos(n^{\prime }\omega t+{\Phi }_n)$式中，V_n、nω'、Φ_n分别为n次谐波的幅值、角频率以及初始相位；(2)输入信号经正交信号发生器后变为$\left[\begin{array}{c}{v}^{\prime }\\ q{v}^{\prime }\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}cos\theta \\ sin\theta \end{array}\right]=V_1\left[\begin{array}{c}cos({\omega }^{\prime }t+{\Phi }_1)\\ \sin ({\omega }^{\prime }t+{\Phi }_1)\end{array}\right]$式中，V、θ分别表示输入信号的幅值、相位且其值分别等于一次谐波的幅值、相位，V₁、ω'、Φ₁分别表示一次谐波的幅值、角频率以及初始相位；其中，正交信号发生器的传递函数为$D\left(s\right)=\frac{v^{\prime }}{v}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{k\omega }}^{\prime }s}{s^2+{\mathrm{k\omega }}^{\prime }s+{\omega }^{\prime 2}}$$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{qv}}^{\prime }}{v}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{k\omega }}^{\prime 2}}{s^2+{\mathrm{k\omega }}^{\prime }s+{\omega }^{\prime 2}}$式中，k、ω'分别为正交信号发生器的增益、中心频率，中心频率ω'由频率、相位发生器提供；(3)正交信号发生器的输出信号经坐标变换后，其dq输出为：$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\theta }}^{\prime }& {\mathrm{sin\theta }}^{\prime }\\ -{\mathrm{sin\theta }}^{\prime }& {\mathrm{cos\theta }}^{\prime }\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}^{\prime }\\ q{v}^{\prime }\end{array}\right]$ 化简后的dq输出为：$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}cos({\theta }^{\prime }-\theta )\\ -sin({\theta }^{\prime }-\theta )\end{array}\right]$(4)将系统相位差控制参数Δθ^*、dq分量v_d作为自适应增益AG的调制参量，dq分量v_q作为自适应增益AG的输入量，当系统输入信号v幅值为零时，v_d为零，自适应增益值为1，当输入信号v幅值不为零时，v_d不为零，自适应增益值为输入信号v幅值的倒数，其表达式为：$AG=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{cos\Delta \theta }}^{*}}{v_d},& v_d\ne 0\\ 1,& v_d=0\end{array}\right.$自适应增益AG的输出量为v_qunit，v_qunit＝‑sin(θ'‑θ)，式中θ'为改进型SOGI‑PLL模块的输出相位，单位dq分量v_qunit的值唯一取决于系统相位差Δθ＝θ'‑θ；(5)系统相位差控制参数Δθ^*经正弦逆变器后生成单位dq分量控制参量通过调节系统相位差控制参数Δθ^*对单位dq分量v_qunit进行控制，进而控制系统相位差，使得Δθ＝θ'‑θ＝Δθ^*；(6)单位dq分量控制参量与单位dq分量v_qunit进行比较后输入PI控制器，经PI控制器调节后输入频率、相位发生器，频率、相位发生器的输出信号为正交信号发生器、坐标变换器分别提供中心频率与相位；(7)基于锁相环输出相位的死区角度为：θ_d＝2sin^‑1d，由常数d唯一确定，常数d范围为：0＜d＜1；通过调节无线输电系统相位差角度大于死区角度同时小于系统最大相位差角度Δθ_max，即θ_d＜Δθ＜Δθ_max，即可实现基于频率跟踪的无线输电系统ZVS软开关运行。