0 引言

    WPT技術近幾年來受到了國際和國內學者的廣泛關注，未來具有明確的實用價值和廣闊的應用前景，可以帶來顯著的經濟和社會效益^[1-2]。為適應不同的要求，國內外提出了一些新型的補償拓撲，其中，雙LCL型WPT系統的研究最為突出。由于其具有系統諧振工作頻率穩定、原邊發射線圈電流恒定以及系統輸出電流恒定等優良特性，可在電動汽車充電、桌面多負載供電等場合進行大規模應用^[3-4]。但是，在系統輕載時，逆變器輸出電流畸變嚴重，針對此問題，本文提出串聯LC濾波器的改進方法，并通過仿真與實驗驗證此改進方法降低了逆變器輸出電流的諧波畸變率。

1 雙LCL型WPT系統工作原理分析

    圖1為雙LCL型WPT系統的電路等效模型，其中，U_d為直流電壓源；S₁~S₄為IGBT，D₁~D₄分別為其反并聯二極管；L_p、L_S分別是原、副邊線圈的自感，M為其互感；L₁、C₁分別為原邊補償電感、原邊補償電容；L₂、C₂分別為副邊補償電感、副邊補償電容；U_in、I_in分別是逆變器輸出電壓、輸出電流；I_p、I_s分別是原邊線圈電流、副邊線圈電流；R為系統等效電阻負載；I_o為系統輸出電流。系統工作頻率為f，其中，f₀為系統諧振工作頻率。

    通過文獻[5]中理論分析可知，當圖1中各系統參數滿足如(1)關系式時

    由式(2)、式(3)分別可以看出原邊線圈電流I_p的大小、系統輸出電流I_o的大小均與系統等效電阻負載R的大小無關，可以說明系統具有原邊線圈恒流特性以及系統輸出電流恒定的特性。同時，由式(4)可以看出逆變器輸出系統總阻抗Z_in始終呈現純阻性，即，系統等效電阻負載R的改變不會影響系統的固有諧振工作頻率，系統具有穩頻特性。

    前文分析是基于逆變器輸出電壓U_in的基波成份進行的，并未考慮逆變器輸出電壓的諧波分量。傳統雙LCL型WPT系統采用電壓型全橋逆變電路，在驅動電路180°導通方式控制的情況下，逆變器輸出電壓u_in的表達式為：

    同理，可以求得逆變器輸出電流i_in的3次諧波分量和5次諧波分量分別為

`

    由圖2可以看出，在負載R較小時，逆變器輸出電流諧波畸變率較大，這將導致逆變器損耗較大，系統效率降低，同時也加劇了系統的不穩定性。針對雙LCL型WPT系統在輕載時存在的此問題，本文提出了一種改進方法，如下將具體分析。

2 改進型雙LCL型WPT系統理論分析

    在原系統C₁所在支路增加LC濾波器，改進后的系統電路如圖3所示。

    其中，L_f1與C_f1滿足如下關系式：

    此時，在只考慮u_in基波成份的情況下，逆變器輸出端后級系統總阻抗Z_inf11為：

其中，Z_r3和Z_r5分別如式(12)、式(13)所示。

    從圖4中可以看出，在負載R較小時，即系統輕載時，改進型系統的逆變器輸出電流諧波畸變率相較改進前系統下降明顯，說明改進型系統取得了較好的效果。

3 系統仿真及實驗

    為了驗證上文理論分析的正確性，本文確定了如表1中所示的仿真以及實驗參數。

3.1 仿真分析

    根據表1中的仿真參數以及圖1、圖3分別搭建MATLAB/SIMULINK仿真模型。

    當選取負載電阻R為10 Ω時，原系統以及改進型系統的逆變器輸出電流分別如圖5(a)、5(b)所示。

    從圖5中可以看出，改進后系統的逆變器輸出電流波形相較于原系統的逆變器輸出電流波形較為平滑，直觀上可以看出改進型系統取得了較好的效果。

    對圖5中的所有波形分別進行傅里葉分析得到其諧波柱狀圖如圖6所示。

    從圖6可以看出，相較原系統，改進型系統總諧波畸變率下降了70.27％，從數據上可以看出，改進型系統均可以取得較好的效果。

3.2 實驗分析

    根據表1中的實驗參數以及圖1、圖3分別搭建實驗平臺。

    當選取負載電阻為10 Ω時，原系統以及改進型系統的逆變器輸出電流波形分別如圖7（a）、7（b）所示。

    從圖7可以看出，改進型系統的逆變器輸出電流實驗波形比原系統的逆變器輸出電流實驗波形要平滑，可以取得較好的效果，與前文理論分析以及仿真分析相吻合。

    使用Fluke Norma 4000高精度功率分析儀對實驗平臺的效率進行測試，并將結果繪制成折線如圖8所示。

    從圖8中可以看出，改進型WPT系統比原系統均具有較高的傳輸效率，而且在系統輕載時尤為明顯，說明改進型系統能提高系統整體效率，具有明顯的有益效果。

4 結論

    在此對傳統雙LCL型WPT系統存在的逆變器輸出電流在系統輕載時畸變較為嚴重的問題進行了理論分析，分析了導致此問題的根本原因，基于此提出了一種改進型方法，并分別從理論分析、仿真以及實驗驗證三個方面證明了兩種改進方法的有效性。改進方法能較好的解決傳統雙LCL型WPT系統存在的問題，對于改善逆變器輸出電流波形、減小逆變器開關損耗從而提高系統效率均能取得較好的效果。

參考文獻

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[2] 曹玲玲，陳乾宏，任小永，等.電動汽車高效率無線充電技術的研究進展[J].電工技術學報，2012，27(8)：1-13.

[3] Deng Junjun，Lu Fei，Li Weihan，et al.ZVS double-sided LCC compensation resonant inverter with magnetic integration for electric vehicle wireless charge[C].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，2015：1131-1136.

[4] 唐曉雯，姚鋼，姚長征，等.基于LCL補償的非接觸電能傳輸系統的研究[J].電力電子技術，2015，49(10)：7-10.

[5] 鄒愛龍，王慧貞，華潔.基于LCL補償的多負載移動式感應非接觸電能傳輸系統[J].中國電機工程學報，2014，34(24)：4000-4006.

作者信息:

楊克立1，程  輝2，聶  瀅3

（1.中原工學院 工業訓練中心，河南 鄭州450007；2.河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州450007；

3.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410000）