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用于混合儲能系統供電的無線電能傳輸技術效率優化策略

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電氣新科技 發布時間:2019-08-26 瀏覽:
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中國儲能網訊:北京交通大學電氣工程學院的研究人員耿宇宇、楊中平、林飛、王義,在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出,混合儲能系統具有高功率密度和高能量密度的雙重優勢,但是很少有研究考慮混合儲能系統的無線充電策略設計,本文考慮無線電能傳輸技術特性,優化了混合儲能系統的功率分配策略。

首先,給出無線電能傳輸系統對混合儲能系統充電的電路,補償拓撲采用原邊電感/電容/電容方式-副邊串聯電容方式。這種補償拓撲具有恒定的二次電壓輸出,如果適當調整混合儲能系統的功率,即可改變無線電能傳輸系統的等效負載,使其達到最優值,從而維持系統最優效率。其次,優化設計了混合儲能系統的功率分配方式,提出混合儲能系統的無線充電策略。這種策略既能滿足系統能量輸出的要求,又能保證系統高效工作。最后,通過實驗驗證了上述方法的可行性。

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術因為通過非接觸方式供電,沒有物理上的電氣接觸,所以供電設備可以避免惡劣環境影響,已經發展為一個新型的供電模式。WPT技術供電方式靈活,可以靜止式充電,也可以移動式供電,相關技術已經在電動車輛上得到了關注和應用。

在車載儲能系統中,電池/超級電容混合儲能系統(Hybrid Energy Storage System, HESS)由于兼具高能量和高功率密度的優點,引起了人們的關注。本文考慮混合儲能系統作為無線電能傳輸系統的用電負載,以有軌電車為例給出了充電拓撲,如圖1所示。

地面變流器主要由直流電源和逆變器組成,線圈及耦合機構包括原邊線圈、副邊線圈及補償環節,車載變流器包括整流器和直流變換器,還有由超級電容組和電池組構成的混合儲能負載。不同的負載對WPT系統特性有不同的影響。

目前,WPT技術研究中通常采用電池負載,也有部分研究考慮超級電容負載,充電方案的提出是基于相應的負載模式。

為了滿足系統工作效率和負載能量需求的傳輸要求,有學者提出一個最大的能量效率跟蹤方法,整流器后的直流變換器控制恒壓輸出,輸入側的逆變器調整輸入功率從而跟蹤系統的最大效率。有學者提出一種基于LCL補償方式的雙邊控制方案,以提高為電池充電的系統效率。系統效率和負載能量需求是兩個控制目標,所以需要兩個控制環節,通常為原邊逆變器和副邊直流變換器,因此這些方法都需要原邊和副邊雙端進行控制調節。

圖1 有軌電車混合儲能系統無線充電結構

對于HESS在WPT系統中的應用,有學者基于多次無線充電并考慮實際應用情況設計了混合儲能系統的容量配置,其中超級電容是通過直流變換器直接與電池連接的。有學者提出電動汽車的混合儲能充電方案及主電池恒流充電的功率控制方法,超級電容同樣是通過直流變換器連接到電池上。但是上述文獻沒有研究效率的優化控制。

本文基于具有恒壓輸出特性的無線電能傳輸系統提出了混合儲能負載的充電策略。利用HESS和合理的功率分配策略,可以使線圈輸出電阻維持在最優負載點,由于補償拓撲具有二次側恒壓輸出的特點,調節輸出功率可以維持最優工作點。功率調節環節均在副邊實現,避免了原副邊的無線通信,同時滿足了負載傳輸功率和系統最優傳輸效率的要求。

本文首先在系統模型中給出基于HESS負載的WPT電路。根據電路等效模型推導出系統參數的數學關系式,并給出了實現最大效率運行時的最優負載及對應的最優工作點。其次,進行控制策略分析,總結了典型的雙邊控制方法,并提出本文采用的功率分配方式和控制策略。在實驗驗證部分,介紹了實驗平臺,并進行控制策略的實驗驗證。最后得出本文結論。

圖10 WPT-HESS系統實驗平臺

總結

本文給出了采用混合儲能裝置作為無線電能傳輸系統負載的充電拓撲結構。考慮超級電容采用恒流充電,提出電池在額定功率下吸收剩余功率的分配策略;并基于這種功率分配策略,設計系統控制方式。該控制方式不僅可以實現系統充電功率恒定,而且可以保持系統工作在最高效率點,并且避免了原副邊的無線通信,可靠性高。最后,通過實驗驗證了該控制方法的可行性。

關鍵字:儲能系統

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