- 頭條用于動態無線供電系統的雙輸出逆變器2021-04-11 作者：葛學健 孫躍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語重慶大學自動化學院、復雜系統安全與控制教育部重點實驗室（重慶大學）、國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心的研究人員葛學健、孫躍、唐春森、左志平、桑林，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，提出了一種適用于動態無線供電（DWPT）系統的雙輸出逆變器。該逆變器可以產生兩路相同的輸出，用以驅動兩段發射導軌（線圈）。 理論分析和實驗結果表明基于該文所提逆變器的DWPT系統可以在拾取線圈移動過程中一直保持較高的傳輸效率，且最大效率為90%以上。同時，系統具有較快的動態響應速度，完全可以滿足一般DWPT系統的要求。
磁耦合無線電能傳輸（Magnetic Coupling Wire- less Power Transfer, MC-WPT）技術是基于電磁感應耦合原理實現一定距離的非接觸式能量傳輸，由于其便捷、安全、靈活等特點受到了學者和企業的廣泛關注，現已經應用于家電、醫療、消費電子和交通運輸等各個領域。
近年來，MC-WPT技術開始逐漸應用于移動式負載（如電動車行進中無線充電、物流系統搬運小車、倉儲系統傳輸機構、變電站巡檢機器人等），即動態無線供電（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）系統。在DWPT系統中，有圖1和圖2所示的兩種常用供電模式。
圖1所示為全程單導軌供電模式。當用電設備行駛在發射導軌上方時，拾取線圈可以獲得持續的能量。但是，單導軌供電模式的缺點在于：因能量發射導軌長度遠大于拾取線圈尺寸而使得耦合系數較小且產生較大的磁場暴露問題，因此不適用于長距離應用。
圖2所示為分段導軌（多陣列線圈）（為了方便描述，以下發射導軌和發射線圈統稱發射導軌）供電模式。多個發射導軌依次鋪設在用電設備的移動路徑上，可以實現移動設備的分段供電，從而解決全程單導軌供電模式存在的問題。在這種供電模式中，有兩種變換器驅動模式。
圖2a所示的單變換器驅動模式下，多個發射導軌共用一個變換器，可以實現多發射導軌的同步驅動，但是需要增加導軌切換電路以降低非工作導軌的損耗。同時，該驅動模式對變換器容量要求較高，且系統冗余度較低，因此也不是長距離應用的最佳驅動方案。圖2b所示的多變換器驅動模式可以實現各發射導軌的獨立控制，且系統具有較高的冗余度，相較而言更適用于長距離應用。但是，該驅動模式需要大量的變換器，從而增加了系統成本和維護難度。
圖1 全程單導軌供電模式
圖2 分段導軌（多陣列線圈）供電模式
作為MC-WPT系統的電能變換器，除了常用的橋式、推挽和E類逆變器，目前已見報道的拓撲還有矩陣變換器、多電平逆變器、三相逆變器和多逆變器并聯等。上述拓撲的研究主要是以系統功率提升為目標，均具有較多的開關器件或直流儲能元件，且多為單輸出拓撲，更適用于驅動單個發射導軌。
Boost逆變器作為一種集成式單級升壓逆變器，可同時實現升壓和逆變功能，具有開關器件少、結構與控制策略簡單等特點，常用于隔離DC-DC電源、光伏逆變以及感應加熱等。
重慶大學自動化學院、復雜系統安全與控制教育部重點實驗室（重慶大學）、國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心的研究人員，在Boost半橋逆變器的基礎上，提出一種適用于DWPT系統的雙輸出逆變器。相比于圖2b中的多變換器驅動模式，該逆變器可以產生兩路相同的輸出，用以驅動兩段發射導軌，從而減少逆變器的數量，并簡化系統控制。
圖3 實驗裝置
另一方面，作為逆變器本身，相比于MC-WPT系統常用的逆變器，該逆變器的輸出電壓增益范圍為0～1.39，在更少的開關器件下仍然能夠保證相同的電壓輸出能力，從而可以進一步減少單個逆變器中開關器件的數量。因此所提雙輸出逆變器適用于分段導軌（多陣列線圈）模式的長距離動態無線供電系統。
實驗結果顯示，基于所提雙輸出逆變器的DWPT系統可以在拾取線圈移動的過程中一直保持較高的傳輸效率，且最大傳輸效率為90%以上。同時，系統具有較快的動態響應速度，完全能夠滿足一般DWPT系統的要求。
需要說明的是，基于所提逆變器的DWPT系統實際上是由多個結構和參數相同的子系統組合而成，每個子系統均包含逆變器和兩段發射導軌。各子系統本身的運行特性和規則是相同的。研究人員針對單個子系統進行了研究與分析，其結果同樣適用于其他子系統，進而可以擴展到整個系統。
以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文標題為“用于動態無線供電系統的雙輸出逆變器”，作者為葛學健、孫躍、唐春森、左志平、桑林。
