本發(fā)明涉及一種多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的高頻逆變器功率調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

感應(yīng)電能無線傳輸技術(shù)逐漸進入工業(yè)和生活領(lǐng)域，應(yīng)用于電動汽車充電和軌道交通車輛供電是今后的發(fā)展趨勢，現(xiàn)有軌道交通車輛多采用受電弓或者第三軌方式供電。由于軌道交通車輛運行時，受電弓或者第三軌摩擦容易產(chǎn)生碳積，導致接觸不良，車輛脫網(wǎng)斷電，降低了供電系統(tǒng)的可靠性，也影響車輛供電系統(tǒng)設(shè)備使用壽命，而且受電弓或者第三軌需要高額的維護成本。應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的感應(yīng)電能傳輸實現(xiàn)了電能無接觸傳遞，解決了接觸供電產(chǎn)生火花、摩擦、碳積等問題，避免了潮濕、水下等環(huán)境用電設(shè)備存在電擊的潛在危險，具有安全，可靠，方便，無污染等優(yōu)點，能夠取代既有電氣化交通設(shè)備受電弓加接觸網(wǎng)或者第三軌供電模式，可極大地提高供電安全性和可靠性。

但是軌道交通領(lǐng)域牽引功率較大，單臺高頻逆變器模塊受電力電子器件容量的限制，無法滿足大功率場合的需求，因此需要多臺高頻逆變器模塊的串聯(lián)或并聯(lián)來達到軌道交通領(lǐng)域大功率的設(shè)計要求。同時，系統(tǒng)還要滿足交通車輛負載變化情況下輸出電壓的質(zhì)量要求。傳統(tǒng)的感應(yīng)電能功率傳輸系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方式可分為幅值調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、移相調(diào)節(jié)、脈沖密度調(diào)節(jié)、倍頻調(diào)節(jié)、諧波移相調(diào)節(jié)等。在傳統(tǒng)多逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)控制模式中，無論負載如何變化，所有高頻逆變器模塊都同時工作，所有開關(guān)管都處于高頻開關(guān)狀態(tài)，將導致系統(tǒng)在輕載狀況下，開關(guān)損耗大，所以降低了系統(tǒng)效率。

Kim J H,Lee B S,Lee J H在文獻“Development of 1-MW inductive power transfer system for a high-speed train[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(10):6242-6250.”中描述了一種電路拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)大功率輸出，但是沒有對控制方式進行研究和說明。

Vicente Esteve,Jose Jordan在文獻“Enhanced Pulse-Density-Modulated Power Control for High-Frequency Induction Heating Inverters[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics,2015,62(11):6905-6914.”中描述了一種新型的PDM控制方式，該方法能夠有效提高輕載時系統(tǒng)工作效率，但該方法并沒有針對多逆變器模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制方式進行研究。

李勇,麥瑞坤,陸立文等在文獻“一種采用級聯(lián)型多電平技術(shù)的IPT系統(tǒng)諧波消除與功率調(diào)節(jié)方法[J].中國電機工程學報,2015,35(20):5278-5285.”中描述了一種級聯(lián)型逆變器，采用階梯波合成技術(shù)消除諧波，提高了系統(tǒng)的輸出功率，但是沒有考慮系統(tǒng)負載變化時如何進行控制。系統(tǒng)在輕載時，全部級聯(lián)的逆變器仍然處于高頻開關(guān)動作狀態(tài)，導致開關(guān)損耗較大，影響系統(tǒng)效率。

劉超,李健宇,厲呈臣,梁玉民在文獻“基于FPGA的均勻PDM感應(yīng)加熱電源的研究[J].電力電子技術(shù),2013,04:36-38.”中提出了一種采用脈沖密度控制策略調(diào)節(jié)輸出功率，但是在輕負載時脈沖密度數(shù)較小，會導致逆變器電流不連續(xù)，造成輸出電壓紋波較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有大功率的多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)在輕載、半載時系統(tǒng)效率低以及輸出直流電壓紋波較大的問題，提出一種基于多逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明在不同負載情況下，通過將匹配變壓器單元原邊繞組短路，改變處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊的數(shù)量，從而改變匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值；然后在處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊中采用脈沖密度調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓和輸出功率，所有處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊驅(qū)動保持一致。

本發(fā)明采用模塊化的高頻逆變器實現(xiàn)大功率、高電壓的輸出。在輕載時，多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中只有m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，與傳統(tǒng)的無論負載如何變化，全部高頻逆變器模塊都處于工作狀態(tài)的控制方式相比，該方法使處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊的脈沖密度數(shù)提高到k/m倍(k為高頻逆變器模塊數(shù)量)，高頻逆變器模塊輸出電壓脈沖更加密集，高頻逆變器模塊輸出電流更加連續(xù)，從而降低輸出電壓紋波；輕載時，通過減少處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊的數(shù)量，可以減少處于高頻開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)管數(shù)量，從而減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下：

所述多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)包括：直流電源，多臺高頻逆變器模塊組成的高頻逆變器組，多個匹配變壓器單元組成的匹配變壓器組，分離式變壓器，原邊補償電容，副邊補償電容，高頻整流器，以及負載。直流電源的輸出端分別與多臺高頻逆變器模塊的輸入端相連接，多臺高頻逆變器模塊的輸出端分別與多個匹配變壓器單元原邊繞組相連接，匹配變壓器單元的副邊繞組依次串聯(lián)連接；匹配變壓器組輸出端的一端與分離式變壓器原邊線圈的一端連接，匹配變壓器組輸出端的另一端與原邊補償電容的一端相連接；分離式變壓器原邊線圈的另一端與原邊補償電容的另一端相連接；分離式變壓器副邊線圈的一端與副邊補償電容一端相連接，分離式變壓器副邊線圈的另一端與高頻整流器的輸入端的一端相連接；副邊補償電容的另一端與高頻整流器的輸入端的另一端相連接；高頻整流器的輸出端與負載的輸入端相連接。

所述直流電源1可由工頻交流電經(jīng)過整流獲得，或者由蓄電池，超級電容獲得直流電壓源。

所述高頻逆變器組由k臺高頻逆變器模塊組成，開關(guān)管S1_1、S1_2、S1_3、S1_4構(gòu)成第一高頻逆變器模塊，開關(guān)管S2_1、S2_2、S2_3、S2_4構(gòu)成第二高頻逆變器模塊，開關(guān)管Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4構(gòu)成第k高頻逆變器模塊，k為正整數(shù)。各高頻逆變器模塊的輸入端可與同一個直流電源的兩個輸出端相連接，同時各高頻逆變器模塊的輸入端也可與不同的直流電源的輸出端分別連接。

所述匹配變壓器組由n個匹配變壓器單元組成，每個匹配變壓器單元原邊繞組分別與每臺高頻逆變器模塊的輸出端相連，n個匹配變壓器單元與k臺高頻逆變器模塊連接,n﹦k；各匹配變壓器單元的副邊繞組依次串聯(lián)相接。

所述分離式變壓器由分離式變壓器原邊線圈和分離式變壓器副邊線圈組成。分離式變壓器原邊線圈沿地面軌道鋪設(shè)，分離式變壓器原邊線圈與原邊補償電容串聯(lián)相接，組成諧振電路，然后與匹配變壓器組的輸出端相連。分離式變壓器副邊線圈位于分離式變壓器原邊線圈上方的運動的車體上，副邊補償電容與分離式變壓器副邊線圈串聯(lián)組成與原邊諧振頻率一致的諧振電路，分離式變壓器副邊線圈與副邊補償電容組成的諧振電路的兩端與高頻整流器輸入端相連接。

所述的高頻整流器可以由不控整流橋和濾波電容組成，也可以由可控整流橋或者其他將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯耐負浜蜑V波電容組成。所述高頻整流器的輸出端與負載輸入端相連接，得到直流輸出電壓。

所述的負載的輸入端與高頻整流器的輸出端相連接。

本發(fā)明多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率調(diào)節(jié)方法如下：

1)首先，通過使高頻逆變器模塊的處于續(xù)流狀態(tài)將匹配變壓器單元原邊繞組短路的方法改變匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值。系統(tǒng)的k臺高頻逆變器模塊中，m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，(k-m)臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，m＝1,2,3,…,k；全部k臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)時，匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值為UP；m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，(k-m)臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)時，匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值為m×UP/k；

2)其次，檢測多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)輸出功率Po，并將其與系統(tǒng)額定輸出功率P比較，當系統(tǒng)輸出功率Po大于(m-1)×P/k且小于等于m×P/k時，控制m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，(k-m)臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，使匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值為m×UP/k；

3)在處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊中，采用脈沖密度調(diào)節(jié)方法控制系統(tǒng)直流輸出電壓，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，所有處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊驅(qū)動保持一致。

通過將高頻逆變器模塊的上方的兩個開關(guān)管Sk_1、Sk_3同時導通，或者下方的兩個開關(guān)管Sk_2、Sk_4同時導通，使高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，即可實現(xiàn)與此高頻逆變器模塊相連接的匹配變壓器單元原邊繞組處于短路狀態(tài)，副邊繞組輸出電壓為0。將匹配變壓器單元原邊繞組處于短路狀態(tài)的控制方式不會改變系統(tǒng)諧振等效電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢：

在輕載時，多逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中只有m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，與傳統(tǒng)的無論負載如何變化，全部高頻逆變器模塊都處于工作狀態(tài)的傳統(tǒng)控制方式相比，該方法使處于工作的高頻逆變器模塊的脈沖密度數(shù)提高到k/m倍，逆變器模塊輸出電壓脈沖更加密集，高頻逆變器模塊輸出電流更加連續(xù)，從而降低輸出電壓紋波；輕載時，通過減少處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊的數(shù)量，可以減少處于高頻開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)管數(shù)量，從而減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率。

附圖說明

圖1是多逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)；

圖2是單臺高頻逆變器模塊工作狀態(tài)時開關(guān)狀態(tài)；

圖3是單臺高頻逆變器模塊續(xù)流狀態(tài)時開關(guān)狀態(tài)；

圖4是本發(fā)明輸出功率調(diào)節(jié)方法原理圖；

圖5是不同脈沖密度數(shù)時，單臺高頻逆變器模塊輸出電壓脈沖時序；

圖1中，1直流電源，2并聯(lián)高頻逆變器組，21第一高頻逆變器模塊，22第二高頻逆變器模塊，2k第k高頻逆變器模塊，S1_1、S1_2、S1_3、S1_4、S2_1、S2_2、S2_3、S2_4Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4開關(guān)管，3匹配變壓器組，31第一匹配變壓器單元，32第二匹配變壓器單元，3k第k匹配變壓器單元，4分離式變壓器，41分離式變壓器原邊線圈，42分離式變壓器副邊線圈，5原邊補償電容，6副邊補償電容，7高頻整流器，8負載。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

圖1所示為本發(fā)明實施例三臺逆變器并聯(lián)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的基本組成。

如圖1所示，本發(fā)明實施例三臺逆變器并聯(lián)(即k＝3)感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)包括直流電源1，并聯(lián)高頻逆變器組2，高頻逆變器模塊21、22、2k，匹配變壓器組3，匹配變壓器單元31、32、3k，分離式變壓器4，分離式變壓器原邊線圈41，分離式變壓器副邊線圈42，原邊補償電容5，副邊補償電容6，高頻整流器7，以及負載8。

直流電源1的輸出端分別與高頻逆變器模塊21、22、2k的輸入端相連接；高頻逆變器組由3臺高頻逆變器模塊21、22、2k組成，高頻逆變器模塊21、22、2k的輸出端分別與匹配變壓器單元31、32、3k的原邊繞組相連接；匹配變壓器組3由3個匹配變壓器單元31、32、3n組成，各個匹配變壓器單元31、32、3n的原邊繞組分別與各高頻逆變器模塊的輸出端相連，其中n＝k，各個匹配變壓器單元的副邊繞組依次串聯(lián)相接，匹配變壓器組3輸出端的一端與分離式變壓器原邊線圈41的一端連接，匹配變壓器組3輸出端的另一端與原邊補償電容5的一端相連接；分離式變壓器原邊線圈41的另一端與原邊補償電容5的另一端相連接；分離式變壓器的副邊線圈42的一端與副邊補償電容6一端相連接，分離式變壓器副邊線圈42的另一端與高頻整流器7的輸入端的一端相連接；副邊補償電容6的另一端與高頻整流器7的輸入端的另一端相連接；高頻整流器7的輸出端與負載8的輸入端相連接。

所述直流電源1可由工頻交流電經(jīng)過整流獲得，或者由蓄電池，超級電容獲得直流電壓源。

所述并聯(lián)高頻逆變器組2由并聯(lián)的3臺高頻逆變器模塊21、22、2k組成。開關(guān)管S1_1、S1_2、S1_3、S1_4構(gòu)成第一高頻逆變器模塊21，開關(guān)管S2_1、S2_2、S2_3、S2_4構(gòu)成第二高頻逆變器模塊22，Sk_1、Sk_2、Sk_3、Sk_4構(gòu)成第k高頻逆變器模塊2k，每臺高頻逆變器模塊輸出端與各匹配變壓器單元31、32、3k的原邊繞組連接。所述的匹配變壓器組3由n個匹配變壓器單元31、32、3n組成，其中n＝k＝3。各個匹配變壓器單元的副邊繞組依次串聯(lián)相接。

所述的分離式變壓器4由分離式變壓器原邊線圈41和分離式變壓器副邊線圈42組成，分離式變壓器原邊線圈41沿地面軌道鋪設(shè)，分離式變壓器原邊線圈41與原邊補償電容5連接組成諧振電路，然后與匹配變壓器組3的輸出端相連。分離式變壓器副邊線圈42位于分離式變壓器原邊線圈41上方的運動的車體上，分離式變壓器副邊線圈42與副邊補償電容6相連接組成與原邊諧振頻率一致的諧振電路，分離式變壓器副邊線圈42與副邊補償電容6組成的諧振電路的兩端接入高頻整流器7。

所述的整流器7可以由不控整流橋和濾波電容組成，也可以由可控整流橋或者其他將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯耐負浜蜑V波電容組成。

所述負載8可以是實際電阻負載，也可以經(jīng)過其他電能變換環(huán)節(jié)后供給負載，即等效負載。

本發(fā)明多逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率的調(diào)節(jié)方法如下：

1)首先，通過使高頻逆變器模塊的處于續(xù)流狀態(tài)將匹配變壓器單元原邊繞組短路的方法改變匹配變壓器組合成輸出電壓脈沖幅值。系統(tǒng)3臺高頻逆變器模塊中，m臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，(3－m)臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，使得匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖為m×UP/3。1臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，2臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)時，匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為UP/3；2臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，1臺高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)時，匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為2×UP/3；3臺高頻逆變器模塊全都處于工作狀態(tài)，匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為UP。

2)其次，檢測多逆變器并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率Po，并將其與系統(tǒng)額定輸出功率P比較，當系統(tǒng)輸出功率Po大于0且小于等于P/3時，控制第一高頻逆變器模塊21處于工作狀態(tài)，第二高頻逆變器模塊22、第三高頻逆變器模塊23處于續(xù)流狀態(tài)，使匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為UP/3；當系統(tǒng)輸出功率Po大于P/3且小于等于2P/3時，控制第一高頻逆變器模塊21和第二高頻逆變器模塊22處于工作狀態(tài)，第三高頻逆變器模塊23處于續(xù)流狀態(tài),使匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為2UP/3；當系統(tǒng)輸出功率Po大于2P/3且小于等于P時，控制三臺高頻逆變器模塊處于工作狀態(tài)，使匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖幅值為UP，如圖4所示。圖4中由上到下依次為第一高頻逆變器模塊輸出的電壓脈沖，第二高頻逆變器模塊輸出的電壓脈沖，第三高頻逆變器模塊輸出的電壓脈沖，匹配變壓器組3合成輸出電壓脈沖。

3)在處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊中，采用脈沖密度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)直流輸出電壓，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，所有處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊驅(qū)動邏輯保持一致。

為使高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，可將高頻逆變器模塊的上方的兩個開關(guān)管Sk_1、Sk_3同時導通或者下方的開關(guān)管Sk_2、Sk_4同時導通，如圖3所示。具體操作是：為使第三高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，將第三高頻逆變器模塊上方的兩個開關(guān)管S3_1、S3_3同時導通或者下方的兩個開關(guān)管S3_2、S3_4同時導通；為使第二高頻逆變器模塊處于續(xù)流狀態(tài)，將第二高頻逆變器模塊的上方的兩個開關(guān)管S2_1、S2_3同時導通或者下方的兩個開關(guān)管S2_2、S2_4同時導通。與處于續(xù)流狀態(tài)的高頻逆變器模塊相連接的匹配變壓器單元原邊繞組處于短路狀態(tài)，副邊繞組輸出電壓為0。將匹配變壓器單元原邊繞組處于短路狀態(tài)的控制方式不會改變系統(tǒng)諧振等效電路。

采用脈沖密度控制輸出功率原理的具體實施原理如下：首先選定D個諧振周期作為一個調(diào)節(jié)周期，d為高頻逆變器模塊輸出的脈沖密度數(shù)，在一個調(diào)節(jié)周期D內(nèi)，當高頻逆變器模塊輸出一個脈沖，脈沖密度數(shù)為1；當高頻逆變器模塊輸出兩個脈沖，脈沖密度為2；以此類推，當高頻逆變器模塊輸出d個脈沖，脈沖密度數(shù)為d，因此d＝1,2…D。圖5為D＝15時，不同脈沖密度數(shù)時，單臺高頻逆變器模塊輸出電壓脈沖時序。當高頻逆變器模塊輸出電壓脈沖時，其開關(guān)管Sk_1、Sk_4和Sk_2、Sk_3交替導通，當高頻逆變器模塊不輸出脈沖時，與高頻逆變器續(xù)流工作狀態(tài)相同，讓Sk_1、Sk_3同時導通，或者Sk_2、Sk_2同時導通。通過改變脈沖密度數(shù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，系統(tǒng)輸出功率越大，脈沖密度數(shù)越大。在脈沖密度數(shù)較小時，高頻逆變器模塊輸出電壓脈沖較少，因此電流會衰減為零導致電流斷續(xù)，從而造成系統(tǒng)輸出電壓紋波較大。

對于處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊，還可以采用移相調(diào)節(jié)、脈寬調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)等方式控制系統(tǒng)輸出電壓和輸出功率，所有處于工作狀態(tài)的高頻逆變器模塊驅(qū)動保持一致。