《电工技术学报》2019年优秀论文｜互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化

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《电工技术学报》

2019年度优秀论文

—获奖论文简报—

《光伏发电出力预测技术研究综述》等15篇优秀论文入选《电工技术学报》2019年度优秀论文，荣获中国电工技术学会表彰。现将部分获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。

电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT）技术，是一种以高频电场作为能量传输载体，并综合利用电力电子技术、电工理论和现代控制理论，实现无直接电气连接的电能传输技术。

该技术具有如下优点：耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；在工作状态中，耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当耦合机构中或周围存在金属导体时，所产生的涡流损耗甚小；可以跨越金属物体进行传能。

目前，全世界已有很多专家和学者围绕EC-WPT系统的耦合机构、电能变换拓扑构建、系统建模与动力学行为特性分析、系统控制和参数优化等理论方面展开了研究，并围绕电动汽车充电、机器人和消费电子产品的供电或充电等许多领域的应用进行了探索，取得了丰富的研究成果。

团队介绍

重庆大学无线电能传输技术研究所是国内最早组建并专业从事无线电能传输技术研发及推广应用的专业团队。团队目前拥有教授5人，副教授3人，讲师和工程师4名，博士、硕士研究生100余人。团队围绕无线电能传输技术坚持不懈地开展了近20年的研发工作，已形成前沿探索、应用开发以及产业化应用的技术体系。

目前研究所拥有国家无线电能传输技术国际联合研究中心、中国-新西兰无线电能传输技术国际研究中心、重庆市无线电能传输技术工程中心等平台，发起成立了中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会。研究成果已成功应用于电动汽车、数码家电、石油勘探、电力系统装备以及国防军工等多个领域。在高水平论文、发明专利、专著以及获奖等方面取得了一系列成果。在国内外有一定的影响力并享有很高的声誉。

苏玉刚

1962出生，工学博士，重庆大学自动化学院教授/博导，重庆大学无线电能传输技术研究所副所长，国家无线电能传输技术国际联合研究中心副主任。中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会委员，四川省电工技术学会常务理事。研究方向为无线电能传输技术、电力电子与电气传动、控制理论应用与综合自动化系统集成技术。曾在澳大利亚昆士兰大学从事合作研究。近年来主持和主研了30多项国家级和部省级科研项目及企业合作项目，荣获部省级科技进步二等奖4项，已受理和获权的发明专利100余项，在国内外重要学术期刊发表的SCI和EI检索论文100余篇。出版专著2部。主持国家级教改项目1项，主编规划教材2部。

研究背景

对于传统的EC-WPT系统而言，极板的耦合电容较小，为增大系统传输功率和效率，通常需要串联较大电感来补偿其容抗，从而导致系统体积增大，且电感等效串联电阻较大，损耗也增大。一般通过增大系统工作频率，以减小串联补偿电感，从而达到增大输出功率的目的。

然而频率高达兆赫兹级的系统，开关管损耗必然会增大，而且系统的电磁干扰增大，控制难度也大大增加，这使得EC-WPT系统在实际应用中受到限制。在这种多约束的情况下，寻找一种既能减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性，又能提高输出功率和传输效率的拓扑结构和系统性的优化设计方法尤为重要。

论文方法及创新点

图1 双向LCC谐振网络的EC-WPT系统拓扑

本文对图1所示的EC-WPT系统进行研究，在基于双向LCC谐振网络的参数配置方法基础之上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的优化方法，对系统做多约束条件下的优化，使系统在满足所需输出功率和系统ZPA、低激励电压、小补偿电感等约束条件下，系统传输效率最大。以此算法对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，将优化后的f和k结合LCC谐振网络的参数配置方法得到满足上述约束指标的系统参数。

根据图2所示的系统等效电路，首先给出系统约束条件，包括激励电压和工作频率的约束、ZPA等式约束、补偿电感最大值约束和输出功率需求约束。

图2 双向LCC谐振网络的EC-WPT系统等效电路

为了克服以往算法易陷入局部收敛的问题，本文从种群进化的宏观阶段方面进行考虑，利用非线性规划局部搜索能力强的特点，提出将自适应遗传算法与非线性规划相结合的优化方法对系统进行优化，使算法能快速收敛于全局最优解。

利用智能优化算法对EC-WPT系统进行优化，必须先确定系统目标函数、约束条件以及待优化参数。在负载电阻一定的情况下，系统中待优化的参数包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓扑的对称特性和LCC网络的谐振关系，待优化变量可以减少为k和f。

通过分析可知，EC-WPT系统的非线性规划模型可表示为

本文将自适应遗传算法与非线性规划相结合对系统进行优化，使算法能够快速找到全局最优解。系统参数设计与优化流程图如图3所示，图中E根据实际应用中所需功率等级而定，C_s根据实际应用中所需的传输距离和空间尺度而定，R_L由实际应用中的供电对象决定。

图3 参数设计与优化流程图

图4 最优解追踪图

表1 遗传算法优化得到的参数

为了对本文所提出的方法的可行性和有效性进行验证，基于图1所示的EC-WPT系统拓扑和优化算法得到的系统参数搭建了如图5所示系统实验装置。电感用利兹线绕制成空心电感，全桥逆变采用美国CREE公司的碳化硅MOSFET C2M0080120D，整流桥采用Infineon公司的碳化硅二极管IDW30G65C。

为了使系统在给定参数下能工作于ZVS软开关状态，以减小了开关管损耗，实验中通过增大开关频率让其稍高于系统谐振频率，使系统呈弱感性。图6为系统逆变输出电压、电流和负载拾取电压，电流稍滞后于电压，与理论分析一致。实验结果验证了在减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性的前提下，以及满足系统多约束的条件下，系统性能得到进一步的提升。

图5 EC-WPT实验装置

图6 EC-WPT实验波形

结论

本文针对EC-WPT系统的多约束条件下系统参数优化问题，在双侧LC型EC-WPT系统和LCC谐振网络参数配置方法的研究基础上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法的优化方法，以系统效率为目标函数，在多约束条件下对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，最终使系统在满足所需功率的条件下效率最高，也解决了系统ZPA、低激励电压、小补偿电感和传输距离之间相互制约的问题。

本文的成果对于高阶复杂的电场耦合无线电能传输系统在多约束条件下如何优化系统参数，提升系统的传输性能具有参考价值和理论指导作用，有利于进一步促进无线电能传输技术的发展。

引用本文

苏玉刚, 吴学颖, 赵鱼名, 卿晓东, 唐春森. 互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J]. 电工技术学报, 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.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180806

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