《电工技术学报》2019年优秀论文｜双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究

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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。

双向无线电能传输系统控制自由度多，不同自由度的选取和组合会影响系统中变换器和传输线圈损耗的分布及其大小，进而影响系统的整体效率。文章分析了多个控制自由度间组合关系对变换器运行状态和线圈间传输效率的影响，推导了实现变换器优化运行和线圈间传输效率提升的约束条件，提出一种实现双向无线电能传输系统效率优化的多自由度组合控制策略。

团队介绍

清华大学大容量电力电子与新型电力传输团队由赵争鸣教授于1997年创立，是清华大学电机系骨干科研团队之一。一直致力于大容量电力电子技术、光伏发电、电机控制以及新型电力传输理论与技术的研究。目前聚焦于大容量电力电子基础理论与应用以及新型电力传输技术，在科研攻关和人才培养方面取得显著成果，先后被评为校、系优秀科研团队。

团队的理念是融合电力电子基础理论和新型电力传输关键技术，面向能源互联网中的电能变换和传输技术前沿方向，打造国际一流的电力电子与新型电力传输研究团队；坚持基础理论研究和实际应用关键技术研究“两条腿”走路，坚持国际化与交叉化的道路，坚持面向能源互联网创新研究方向和人才培养。

刘方

1990年出生，博士研究生。研究方向为无线电能传输、大容量电力电子技术等。已发表论文12篇，获国内外优秀论文奖4项。

陈凯楠

1988年出生，助理研究员，硕士生导师。研究方向为无线电能传输、大容量电力电子技术等。清华大学能源互联网研究院无线电能传输研究室主任，中国电工技术学会无线电能传输技术专委会委员，中国能源研究会电能技术专委会委员，北京电力电子学会青年工作委员会委员。作为技术负责人承担了国家自然科学基金联合基金重点项目、国家重点研发计划子课题以及多项企业合作项目；作为技术骨干深度参与了所在团队主持的国家自然科学基金重大、重点等项目。相关成果已发表论文55篇，其中一二通讯作者21篇（SCI收录10篇），WOS核心合集他引637次，H因子13；授权发明专利14项（国际发明专利1项）。曾获省部级一等奖2项、二等奖1项，日内瓦国际发明特别金奖2项、金奖1项，国内外优秀论文奖4项。

赵争鸣

1959年出生，教授，博士生导师，IEEE Fellow。研究方向为大容量电力电子技术、电能路由器、无线电能传输等。清华大学电机系大容量电力电子与新型电力传输团队负责人，能源互联网研究院大容量电力电子技术中心主任，清华大学电磁实验中心主任。先后负责完成多项国家重点专项、国家“863”课题、国家自然科学基金重大、重点和面上课题以及多项重大横向科研课题和国际合作项目。发表500余篇学术论文，其中SCI论文120余篇，SCI他引3100余次，出版8部科技书籍；获得发明专利60余项、软件著作权20余项。作为第一完成人，带领科研团队，先后获得国家教育部技术发明和科技进步一等奖各1次，中国电工技术学会科学技术一等奖3次，日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”2次和金奖1次，清华大学教学成果一等奖1次，及其他省部级科技成果奖6次。个人先后获得清华大学“学术新人奖”，“全国优秀科技工作者”称号，“北京市教育创新标兵”，2次获得“电工行业—正泰科技成就奖”。

研究背景

电动汽车双向无线电能传输系统以其便利性和互动性，可适用于未来车联网，对提升未来能源互联网的稳定性和智能性起到重要作用。相比单向系统，双向系统控制自由度多，不同自由度的选取和组合会影响系统中变换器和传输线圈损耗的分布及其大小，进而影响系统的整体效率。因此，如何通过多个控制自由度间的协调组合提升系统整体效率，是双向系统控制的关键性问题。

论文方法及创新点

1BWPT系统变换器运行状态分析

图1 BWPT系统控制信号和状态量工作波形

表1 变换器开关动作及电流过零点坐标表示

2BWPT系统效率优化控制策略

图2 BWPT系统优化运行控制策略

3实验验证

为进一步验证上述分析的正确性，搭建了如图3所示的实验平台。

图3 BWPT系统实验平台

图4展示了充电模式下控制信号和状态量的相位关系。可以看到，原边线圈电流滞后原边变换器输出电压，副边线圈电流同样滞后副边变换器输入电压。对比图4和图1，可以发现两者控制信号和状态量间的相位关系一致，即说明该工况下系统中所有开关管工作在零电压开通状态，实现了变换器优化运行。

图4 变换器控制信号及状态量工作波形（充电模式）

使用功率分析仪WT1800对不同输出功率下，采用文章所提策略和现有策略时，系统整体效率进行测试，结果如图5。

图5 两种控制方案下系统整体运行效率对比

采用文章所提控制策略后，在充、放电模式下，系统整体效率较现有策略均有所提升，且输出功率较小时，这种提升效果更加明显。结合文章中的分析可知，当输出功率较小时，变换器损耗占系统总损耗的比重较大，而实现变换器优化运行有利于减小其开关损耗。随输出功率增加，线圈铜耗增加，同时，变换器损耗比重下降，所提策略和现有策略的系统整体效率呈逐渐接近的趋势。因此，对于宽负载范围运行，所提策略更有利于提高系统整体效率。

结论

文章研究了如何通过双向无线电能传输系统中三个控制自由度的协调组合，对BWPT 系统的运行状态和整体效率进行优化的控制策略。文章首先分析了 BWPT 系统中三个控制自由度对变换器运行状态和线圈间传输效率的影响，得到了实现系统优化运行的约束条件，在此基础上，推导了一套系统整体效率的估算方法，并提出了一种实现 BWPT 系统效率优化的多自由度组合控制策略。仿真和实验结果证实了理论分析的正确性和所提方法的有效性。

引用本文

刘方,陈凯楠,蒋烨,赵争鸣. 双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 891-901. Liu Fang, Chen Kainan, Jiang Ye, Zhao Zhengming. Research on the Overall Efficiency Optimization of the Bidirectional Wireless Power Transfer System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 891-901.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180143

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