《電工技術學報》2019年度優秀論文獲獎論文簡報

《光伏發電出力預測技術研究綜述》等15篇優秀論文入選《電工技術學報》2019年度優秀論文，榮獲中國電工技術學會表彰。現將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者，以期促進本領域的技術交流。

電場耦合式無線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT）技術，是一種以高頻電場作為能量傳輸載體，并綜合利用電力電子技術、電工理論和現代控制理論，實現無直接電氣連接的電能傳輸技術。

該技術具有如下優點：耦合機構簡易輕薄，成本低，形狀易變；在工作狀態中，耦合機構的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環境的電磁干擾很小；當耦合機構中或周圍存在金屬導體時，所產生的渦流損耗甚小；可以跨越金屬物體進行傳能。

目前，全世界已有很多專家和學者圍繞EC-WPT系統的耦合機構、電能變換拓撲構建、系統建模與動力學行為特性分析、系統控制和參數優化等理論方面展開了研究，并圍繞電動汽車充電、機器人和消費電子產品的供電或充電等許多領域的應用進行了探索，取得了豐富的研究成果。

團隊介紹

重慶大學無線電能傳輸技術研究所是國內最早組建并專業從事無線電能傳輸技術研發及推廣應用的專業團隊。團隊目前擁有教授5人，副教授3人，講師和工程師4名，博士、碩士研究生100余人。團隊圍繞無線電能傳輸技術堅持不懈地開展了近20年的研發工作，已形成前沿探索、應用開發以及產業化應用的技術體系。

目前研究所擁有國家無線電能傳輸技術國際聯合研究中心、中國-新西蘭無線電能傳輸技術國際研究中心、重慶市無線電能傳輸技術工程中心等平臺，發起成立了中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專委會。研究成果已成功應用于電動汽車、數碼家電、石油勘探、電力系統裝備以及國防軍工等多個領域。在高水平論文、發明專利、專著以及獲獎等方面取得了一系列成果。在國內外有一定的影響力并享有很高的聲譽。

蘇玉剛

1962出生，工學博士，重慶大學自動化學院教授/博導，重慶大學無線電能傳輸技術研究所副所長，國家無線電能傳輸技術國際聯合研究中心副主任。中國電工技術學會無線電能傳輸技術專業委員會委員，四川省電工技術學會常務理事。

研究方向為無線電能傳輸技術、電力電子與電氣傳動、控制理論應用與綜合自動化系統集成技術。曾在澳大利亞昆士蘭大學從事合作研究。近年來主持和主研了30多項國家級和部省級科研項目及企業合作項目，榮獲部省級科技進步二等獎4項，已受理和獲權的發明專利100余項，在國內外重要學術期刊發表的SCI和EI檢索論文100余篇。出版專著2部。主持國家級教改項目1項，主編規劃教材2部。

研究背景

對于傳統的EC-WPT系統而言，極板的耦合電容較小，為增大系統傳輸功率和效率，通常需要串聯較大電感來補償其容抗，從而導致系統體積增大，且電感等效串聯電阻較大，損耗也增大。一般通過增大系統工作頻率，以減小串聯補償電感，從而達到增大輸出功率的目的。

然而頻率高達兆赫茲級的系統，開關管損耗必然會增大，而且系統的電磁干擾增大，控制難度也大大增加，這使得EC-WPT系統在實際應用中受到限制。在這種多約束的情況下，尋找一種既能減小補償電感、增大傳輸距離、降低參數敏感性，又能提高輸出功率和傳輸效率的拓撲結構和系統性的優化設計方法尤為重要。

論文方法及創新點

圖1EC-WPT系統拓撲

本文對圖1所示的EC-WPT系統進行研究，在基于雙向LCC諧振網絡的參數配置方法基礎之上，提出了一種結合非線性規劃和自適應遺傳算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的優化方法，對系統做多約束條件下的優化，使系統在滿足所需輸出功率和系統ZPA、低激勵電壓、小補償電感等約束條件下，系統傳輸效率最大。以此算法對系統頻率f和并聯諧振電容與耦合電容比值k進行尋優，將優化后的f和k結合LCC諧振網絡的參數配置方法得到滿足上述約束指標的系統參數。

根據圖2所示的系統等效電路，首先給出系統約束條件，包括激勵電壓和工作頻率的約束、ZPA等式約束、補償電感最大值約束和輸出功率需求約束。

圖2 EC-WPT系統等效電路

為了克服以往算法易陷入局部收斂的問題，本文從種群進化的宏觀階段方面進行考慮，利用非線性規劃局部搜索能力強的特點，提出將自適應遺傳算法與非線性規劃相結合的優化方法對系統進行優化，使算法能快速收斂于全局最優解。

利用智能優化算法對EC-WPT系統進行優化，必須先確定系統目標函數、約束條件以及待優化參數。在負載電阻一定的情況下，系統中待優化的參數包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓撲的對稱特性和LCC網絡的諧振關系，待優化變量可以減少為k和f。

通過分析可知，EC-WPT系統的非線性規劃模型可表示為

本文將自適應遺傳算法與非線性規劃相結合對系統進行優化，使算法能夠快速找到全局最優解。系統參數設計與優化流程圖如圖3所示，圖中E根據實際應用中所需功率等級而定，Cs根據實際應用中所需的傳輸距離和空間尺度而定，RL由實際應用中的供電對象決定。

圖3 參數設計與優化流程圖

圖4 最優解追蹤圖

表1 遺傳算法優化得到的參數

為了對本文所提出的方法的可行性和有效性進行驗證，基于圖1所示的EC-WPT系統拓撲和優化算法得到的系統參數搭建了如圖5所示系統實驗裝置。電感用利茲線繞制成空心電感，全橋逆變采用美國CREE公司的碳化硅MOSFET C2M0080120D，整流橋采用Infineon公司的碳化硅二極管IDW30G65C。

為了使系統在給定參數下能工作于ZVS軟開關狀態，以減小了開關管損耗，實驗中通過增大開關頻率讓其稍高于系統諧振頻率，使系統呈弱感性。圖6為系統逆變輸出電壓、電流和負載拾取電壓，電流稍滯后于電壓，與理論分析一致。實驗結果驗證了在減小補償電感、增大傳輸距離、降低參數敏感性的前提下，以及滿足系統多約束的條件下，系統性能得到進一步的提升。

圖5 EC-WPT實驗裝置

圖6 EC-WPT實驗波形

結論

本文針對EC-WPT系統的多約束條件下系統參數優化問題，在雙側LC型EC-WPT系統和LCC諧振網絡參數配置方法的研究基礎上，提出了一種結合非線性規劃和自適應遺傳算法的優化方法，以系統效率為目標函數，在多約束條件下對系統頻率f和并聯諧振電容與耦合電容比值k進行尋優，最終使系統在滿足所需功率的條件下效率最高，也解決了系統ZPA、低激勵電壓、小補償電感和傳輸距離之間相互制約的問題。

本文的成果對于高階復雜的電場耦合無線電能傳輸系統在多約束條件下如何優化系統參數，提升系統的傳輸性能具有參考價值和理論指導作用，有利于進一步促進無線電能傳輸技術的發展。

引用本文

蘇玉剛, 吳學穎, 趙魚名, 卿曉東, 唐春森. 互補對稱式LCC諧振網絡的電場耦合式無線電能傳輸系統參數優化[J]. 電工技術學報, 2019, 34(14): 2874-2883. Su Yugang, Wu Xueying, Zhao Yuming, Qing Xiaodong, Tang Chunsen. Parameter Optimization of Electric-Field Coupled Wireless Power Transfer System with Complementary Symmetric LCC Resonant Network. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2874-2883.