多自由度组合控制策略，能提升双向无线电能传输系统的整体效率
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电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员刘方、陈凯楠、蒋烨、赵争鸣，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“双向无线电能传输系统效率优化控制策略研究”）指出，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。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。
该文首先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。在此基础上，针对上述优化运行条件，对系统各部分损耗及整体效率进行了估算，并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。搭建了相应的仿真和实验平台，实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。与传统控制策略的对比结果表明，所提方法能进一步优化系统运行状态，提升整体效率。
无线电能传输技术的飞速进步和电动汽车行业的快速发展，使得电动汽车无线充电技术成为学术界和工业界的研究热点。当前，关于无线电能传输技术的研究大多集中在输出特性分析、传输效率提升、信号传输方法及电磁环境安全评估]等方面，且主要针对单向传输系统（即电能只能从电网流向车载电池）。
而随着能源互联网概念的提出以及车联网技术的发展，电动汽车将作为未来智能配电网中一类重要的移动式储能系统。双向无线电能传输（Bidirectional Wireless Power Transfer，BWPT）系统以其便利性和互动性，使用户乐意参与到电网削峰填谷等调控行为，对提升未来能源互联网的稳定性和智能性起到重要作用。
关于BWPT系统，目前国内研究较少。文献[10]仿真分析了多负载传输系统中电能双向流动的控制策略。文献[11]对适用于BWPT系统的三种谐振拓扑特性进行了比较分析。国外以奥克兰大学U. K.Madawala和佛罗里达国际大学O. A. Mohamed研究团队为代表，研究集中在系统数学模型的建立、传输特性的分析、控制信号的同步方法及能量双向流动的功能实现等方面。
在控制策略方面，由于BWPT系统控制自由度较多，而不同自由度的选取和组合会影响系统变换器和传输线圈的损耗分布及大小，进而影响系统整体效率。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BWPT系统控制的关键问题。
文献[17]提出“发射端变换器工作在高频逆变模式，接收端变换器工作在不控整流模式”的思路，其问题在于线圈间传输效率受负载变化影响较大，不适用于宽负载范围运行，且不能实现能量流动方向的平滑切换。文献[18]分析了负载变化时维持线圈间较高传输效率的约束条件，但未考虑变换器损耗的影响。文献[19]计及了变换器损耗对系统效率的影响，但优化目标仍是线圈间传输效率，并未对变换器运行状态进行分析和优化。
针对以上问题，本文着眼于BWPT系统整体效率，从一次、二次变换器的优化运行和线圈间传输效率的提升两个方面对BWPT系统运行状态进行优化。本文首先分析了三个控制自由度对于一次、二次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传输效率提升的约束条件。
在此基础上，针对上述优化运行条件，对系统各部分损耗及整体效率进行估算，并提出一种实现系统效率优化的控制策略。搭建了相应的仿真和实验平台，实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。与传统控制策略的结果对比表明，所提方法能进一步优化BWPT系统运行状态，提升系统整体效率。
图8 BWPT系统实验平台
图11两种控制方案的系统整体运行效率对比
针对双向无线电能传输系统，本文主要研究了如何通过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。与现有研究中仅关注线圈间传输效率不同，本文的优化目标同时着眼于变换器的运行状态和系统整体效率。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。与传统控制策略的对比结果表明，在宽负载范围运行时，所提控制方案能进一步提升BWPT系统整体效率。本文工作有助于BWPT系统的优化设计、运行状态分析及工作模式选择。