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

摘要

本发明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，利用本发明提出的计算公式，测算出WPT系统的主要稳态性能。本发明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。

主权项

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$\begin{array}{cc}{Z}_{11}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_1}{{\stackrel{·}{I}}_1}{|}_{{\stackrel{·}{I}}_2=0}=Z_{1o},& Z_{22}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_2}{{\stackrel{·}{I}}_2}{|}_{{\stackrel{·}{I}}_1=0}=Z_{2o}\end{array}---\left(1\right)$令接收端口短路，即测量从发射端口看进去的等效阻抗Z_1s，则$Z_{12}=Z_{21}=\pm \sqrt{Z_{1o}{Z}_{2o}-Z_{1s}{Z}_{2o}}---\left(2\right)$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$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_1\\ {\stackrel{·}{I}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_2\\ -{\stackrel{·}{I}}_2\end{array}\right]$得，$\begin{array}{cc}\frac{{\stackrel{·}{U}}_1}{{\stackrel{·}{I}}_1}{|}_{{\stackrel{·}{I}}_2=0}=\frac{T_{11}}{T_{21}}=Z_{1o},& \frac{{\stackrel{·}{U}}_1}{{\stackrel{·}{I}}_1}{|}_{{\stackrel{·}{U}}_2=0}=\frac{T_{12}}{T_{22}}=Z_{1s}\end{array}---\left(3\right)$$\begin{array}{cc}\frac{{\stackrel{·}{U}}_2}{-{\stackrel{·}{I}}_2}{|}_{{\stackrel{·}{I}}_1=0}=\frac{T_{22}}{T_{21}}=Z_{2o},& \frac{{\stackrel{·}{U}}_2}{-{\stackrel{·}{I}}_2}{|}_{{\stackrel{·}{U}}_1=0}=\frac{T_{12}}{T_{11}}=Z_{2s}\end{array}---\left(4\right)$Z_1o,Z_1s,Z_2o及Z_2s并非彼此无关，它们满足如下关系，$\frac{Z_{1o}}{Z_{1s}}=\frac{Z_{2o}}{Z_{2s}}=\frac{T_{11}{T}_{22}}{T_{12}{T}_{21}}---\left(5\right)$根据上述关系得到，根据式(3)和式(4)得到其他传输参数如下，$\begin{array}{ccc}{T}_{12}=Z_{2s}{T}_{11},& T_{21}=\frac{T_{11}}{Z_{1o}},& T_{22}=\frac{T_{12}}{Z_{1s}}=\frac{1+T_{12}{T}_{21}}{T_{11}}\end{array}---\left(7\right)$某些情况下，将WPT系统的发射回路与接收回路设计成结构和参数完全一致，以便同时谐振；其传输参数满足以下关系，$\left\{\begin{array}{c}{T}_{11}{T}_{22}-T_{12}{T}_{21}=1\\ T_{11}=T_{22}\end{array}\right.---\left(8\right)$有两个独立参数，并且，$T_{11}=T_{22}=\pm \sqrt{\frac{Z_{1o}}{Z_{1o}-Z_{1s}}}---\left(9\right)$T₁₂＝Z_1sT₁₁，T₂₁＝T₁₁/Z_1o     (10)步骤4.测算WPT系统稳态性能(1)测算电压传输比：用来表示接收到的电压与发射电压之间的大小关系和相位关系，计算公式为，$H_V=\frac{{\stackrel{·}{U}}_2}{{\stackrel{·}{U}}_S}=\frac{Z_2}{T_{11}(Z_{2s}+Z_2)}---\left(11\right)$(2)测算电源输出电流：根据二端口网络理论，从发射端口向接收端口看进去的等效阻抗为，$Z_i=\frac{{\stackrel{·}{U}}_1}{{\stackrel{·}{I}}_1}=\frac{T_{11}{Z}_2+T_{12}}{T_{21}{Z}_2+T_{22}}=R_i+{\mathrm{jX}}_i---\left(12\right)$因此，电源的输出电流为，${\stackrel{·}{I}}_1=\frac{{\stackrel{·}{U}}_S}{Z_i}---\left(13\right)$如果负载突然短路，即Z₂＝0，这时电源输出电流为，${\stackrel{·}{I}}_1=\frac{{\stackrel{·}{U}}_S}{Z_i}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_S}{T_{12}/T_{22}}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_S}{Z_{1s}}---\left(14\right)$(3)测算功率与效率计算电源输出的平均功率为，$P_1=\mathrm{Re}\left[{\stackrel{·}{U}}_S{\stackrel{·}{I}}_1^{*}\right]=\mathrm{Re}[U_S^2/Z_i^{*}]---\left(15\right)$计算Z₂消耗的平均功率为，$P_2=I_2^2{R}_2={\left|\frac{{\stackrel{·}{U}}_S}{T_{11}(Z_{2s}+Z_2)}\right|}^2{R}_2---\left(16\right)$为分析Z₂消耗的最大功率，设测量得到的单端口阻抗等效负载阻抗如果只有Z₂的模改变而阻抗角固定，则当|Z₂|＝|Z_2s|时，负载得到的功率为最大，并且如果阻抗角也可改变，则时，负载得到的功率为最大，并且$P_{2max}=\frac{U_S^2}{4{\left|T_{11}\right|}^2{R}_{2s}}---\left(18\right)$若在WPT系统中，发射与接收线圈设计成相同，发射端口与接收端口的阻抗补偿网络也相同的，则由它们级联构成的二端口网络N是对称的；则令单端口阻抗或者导纳的测量值分别为则计算功率的公式为，输入功率：$P_1={\mathrm{KI}}_2^2---\left(19\right)$其中系数K是由单端口阻抗测量值和等效负载阻抗Z₂决定，输出功率：传输效率为，如果只有Z₂的模可变，则当$\left|Z_2\right|=\sqrt{\frac{R_s}{G_o}}---\left(22\right)$时，效率为最大，并且其中α和β是两个无量纲的参数：如果Z₂的阻抗角也可改变，则当阻抗角满足，时获得最大传输效率；此时发射端口输入阻抗为，$Z_i=Z_2^{*}---\left(26\right)$即输入阻抗与等效的负载阻抗共轭相等。