《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文獲獎(jiǎng)?wù)撐暮?jiǎn)報(bào)

《光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)表彰。現(xiàn)將部分獲獎(jiǎng)?wù)撐牡奈恼潞?jiǎn)報(bào)分享給各位讀者，以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。

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

該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易輕薄，成本低，形狀易變；在工作狀態(tài)中，耦合機(jī)構(gòu)的絕大部分電通量分布于電極之間，對(duì)周?chē)h(huán)境的電磁干擾很小；當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)中或周?chē)嬖诮饘賹?dǎo)體時(shí)，所產(chǎn)生的渦流損耗甚小；可以跨越金屬物體進(jìn)行傳能。

目前，全世界已有很多專(zhuān)家和學(xué)者圍繞EC-WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)、電能變換拓?fù)錁?gòu)建、系統(tǒng)建模與動(dòng)力學(xué)行為特性分析、系統(tǒng)控制和參數(shù)優(yōu)化等理論方面展開(kāi)了研究，并圍繞電動(dòng)汽車(chē)充電、機(jī)器人和消費(fèi)電子產(chǎn)品的供電或充電等許多領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索，取得了豐富的研究成果。

團(tuán)隊(duì)介紹

重慶大學(xué)無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究所是國(guó)內(nèi)最早組建并專(zhuān)業(yè)從事無(wú)線電能傳輸技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)圍繞無(wú)線電能傳輸技術(shù)堅(jiān)持不懈地開(kāi)展了近20年的研發(fā)工作，已形成前沿探索、應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)體系。

目前研究所擁有國(guó)家無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心、中國(guó)-新西蘭無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)際研究中心、重慶市無(wú)線電能傳輸技術(shù)工程中心等平臺(tái)，發(fā)起成立了中國(guó)電源學(xué)會(huì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)及裝置專(zhuān)委會(huì)。研究成果已成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)碼家電、石油勘探、電力系統(tǒng)裝備以及國(guó)防軍工等多個(gè)領(lǐng)域。在高水平論文、發(fā)明專(zhuān)利、專(zhuān)著以及獲獎(jiǎng)等方面取得了一系列成果。在國(guó)內(nèi)外有一定的影響力并享有很高的聲譽(yù)。

蘇玉剛

1962出生，工學(xué)博士，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授/博導(dǎo)，重慶大學(xué)無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究所副所長(zhǎng)，國(guó)家無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心副主任。中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，四川省電工技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。

研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)、電力電子與電氣傳動(dòng)、控制理論應(yīng)用與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成技術(shù)。曾在澳大利亞昆士蘭大學(xué)從事合作研究。近年來(lái)主持和主研了30多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和部省級(jí)科研項(xiàng)目及企業(yè)合作項(xiàng)目，榮獲部省級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，已受理和獲權(quán)的發(fā)明專(zhuān)利100余項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的SCI和EI檢索論文100余篇。出版專(zhuān)著2部。主持國(guó)家級(jí)教改項(xiàng)目1項(xiàng)，主編規(guī)劃教材2部。

研究背景

對(duì)于傳統(tǒng)的EC-WPT系統(tǒng)而言，極板的耦合電容較小，為增大系統(tǒng)傳輸功率和效率，通常需要串聯(lián)較大電感來(lái)補(bǔ)償其容抗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大，且電感等效串聯(lián)電阻較大，損耗也增大。一般通過(guò)增大系統(tǒng)工作頻率，以減小串聯(lián)補(bǔ)償電感，從而達(dá)到增大輸出功率的目的。

然而頻率高達(dá)兆赫茲級(jí)的系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)管損耗必然會(huì)增大，而且系統(tǒng)的電磁干擾增大，控制難度也大大增加，這使得EC-WPT系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)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(bǔ)償電感、增大傳輸距離、降低參數(shù)敏感性，又能提高輸出功率和傳輸效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法尤為重要。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖1EC-WPT系統(tǒng)拓?fù)?/p>

本文對(duì)圖1所示的EC-WPT系統(tǒng)進(jìn)行研究，在基于雙向LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置方法基礎(chǔ)之上，提出了一種結(jié)合非線性規(guī)劃和自適應(yīng)遺傳算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的優(yōu)化方法，對(duì)系統(tǒng)做多約束條件下的優(yōu)化，使系統(tǒng)在滿足所需輸出功率和系統(tǒng)ZPA、低激勵(lì)電壓、小補(bǔ)償電感等約束條件下，系統(tǒng)傳輸效率最大。以此算法對(duì)系統(tǒng)頻率f和并聯(lián)諧振電容與耦合電容比值k進(jìn)行尋優(yōu)，將優(yōu)化后的f和k結(jié)合LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置方法得到滿足上述約束指標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)。

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)等效電路，首先給出系統(tǒng)約束條件，包括激勵(lì)電壓和工作頻率的約束、ZPA等式約束、補(bǔ)償電感最大值約束和輸出功率需求約束。

圖2 EC-WPT系統(tǒng)等效電路

為了克服以往算法易陷入局部收斂的問(wèn)題，本文從種群進(jìn)化的宏觀階段方面進(jìn)行考慮，利用非線性規(guī)劃局部搜索能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提出將自適應(yīng)遺傳算法與非線性規(guī)劃相結(jié)合的優(yōu)化方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使算法能快速收斂于全局最優(yōu)解。

利用智能優(yōu)化算法對(duì)EC-WPT系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，必須先確定系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及待優(yōu)化參數(shù)。在負(fù)載電阻一定的情況下，系統(tǒng)中待優(yōu)化的參數(shù)包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓?fù)涞膶?duì)稱(chēng)特性和LCC網(wǎng)絡(luò)的諧振關(guān)系，待優(yōu)化變量可以減少為k和f。

通過(guò)分析可知，EC-WPT系統(tǒng)的非線性規(guī)劃模型可表示為

本文將自適應(yīng)遺傳算法與非線性規(guī)劃相結(jié)合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使算法能夠快速找到全局最優(yōu)解。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程圖如圖3所示，圖中E根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中所需功率等級(jí)而定，Cs根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中所需的傳輸距離和空間尺度而定，RL由實(shí)際應(yīng)用中的供電對(duì)象決定。

圖3 參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程圖

圖4 最優(yōu)解追蹤圖

表1 遺傳算法優(yōu)化得到的參數(shù)

為了對(duì)本文所提出的方法的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證，基于圖1所示的EC-WPT系統(tǒng)拓?fù)浜蛢?yōu)化算法得到的系統(tǒng)參數(shù)搭建了如圖5所示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。電感用利茲線繞制成空心電感，全橋逆變采用美國(guó)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(tǒng)在給定參數(shù)下能工作于ZVS軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以減小了開(kāi)關(guān)管損耗，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)增大開(kāi)關(guān)頻率讓其稍高于系統(tǒng)諧振頻率，使系統(tǒng)呈弱感性。圖6為系統(tǒng)逆變輸出電壓、電流和負(fù)載拾取電壓，電流稍滯后于電壓，與理論分析一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在減小補(bǔ)償電感、增大傳輸距離、降低參數(shù)敏感性的前提下，以及滿足系統(tǒng)多約束的條件下，系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步的提升。

圖5 EC-WPT實(shí)驗(yàn)裝置

圖6 EC-WPT實(shí)驗(yàn)波形

結(jié)論

本文針對(duì)EC-WPT系統(tǒng)的多約束條件下系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，在雙側(cè)LC型EC-WPT系統(tǒng)和LCC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置方法的研究基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)合非線性規(guī)劃和自適應(yīng)遺傳算法的優(yōu)化方法，以系統(tǒng)效率為目標(biāo)函數(shù)，在多約束條件下對(duì)系統(tǒng)頻率f和并聯(lián)諧振電容與耦合電容比值k進(jìn)行尋優(yōu)，最終使系統(tǒng)在滿足所需功率的條件下效率最高，也解決了系統(tǒng)ZPA、低激勵(lì)電壓、小補(bǔ)償電感和傳輸距離之間相互制約的問(wèn)題。

本文的成果對(duì)于高階復(fù)雜的電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在多約束條件下如何優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，提升系統(tǒng)的傳輸性能具有參考價(jià)值和理論指導(dǎo)作用，有利于進(jìn)一步促進(jìn)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展。

引用本文

蘇玉剛, 吳學(xué)穎, 趙魚(yú)名, 卿曉東, 唐春森. 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)式LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.