基于PSIM的宇称-时间对.能传输系统仿真实验平台设计.pdf
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1、实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 7 期 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.7 Jul.2023 收稿日期:2023-02-24 基金项目:国家自然科学基金项目(52207193);福建省自然科学基金项目(2021J05136)作者简介:疏许健(1993),女,安徽铜陵,博士,讲师,主要从事电力电子学方向教学与研究工作,xujian_。引文格式:疏许健,张雪琪,江彦伟.基于 PSIM 的宇称-时间对称无线电能传输系统仿真实验平台设计J.实验技术与管理,2023,40(7):116-120.Cite
2、 this article:SHU X J,ZHANG X Q,JIANG Y W.Design of simulation experimental platform for parity-time symmetric wireless power transfer system based on PSIMJ.Experimental Technology and Management,2023,40(7):116-120.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.07.018 虚拟仿真技术 基于 PSIM
3、 的宇称-时间对称无线电能 传输系统仿真实验平台设计 疏许健,张雪琪,江彦伟(福州大学 电气工程与自动化学院,福建 福州 350108)摘 要:近年来,无线电能传输技术无论是机理研究还是产业化,都取得了长足的发展。其中基于量子力学中宇称-时间(parity-time,PT)对称机理的无线电能传输系统,因其固有的恒定传输特性,具有非常广阔的应用前景和重要的研究价值。该文结合当下开展的电力电子技术和无线电能传输课程,基于 PSIM 仿真软件,设计了一种PT 对称无线电能传输系统仿真实验平台。首先根据 PT 对称机理,得出无线电能传输系统的 PT 对称条件,并据此分析 PT 对称无线电能传输系统的基
4、本特性;然后系统地给出 PT 对称无线电能传输系统的设计方法和步骤,并由此确定系统的电气参数;最后在 PSIM 仿真软件中搭建一套系统的仿真实验平台,验证 PT 对称无线电能传输系统的恒定输出功率和传输效率特性。该仿真实验平台设计实现了电力电子技术和无线电能传输课程的交叉融合,有利于激发学生的创新性思维,培养学生的综合素质,进一步提高了无线电能传输课程的教学质量。关键词:无线电能传输;宇称-时间对称;PSIM;仿真实验平台 中图分类号:TM724 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)07-0116-05 Design of simulation experimental p
5、latform for parity-time symmetric wireless power transfer system based on PSIM SHU Xujian,ZHANG Xueqi,JIANG Yanwei(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)Abstract:In recent years,wireless power transfer technology has made great progress in both mechan
6、ism research and industrialization.The wireless power transfer system based on the parity-time(PT)symmetric mechanism in quantum mechanics has broad application prospects and important research values because of its inherent constant transfer characteristics.Combined with the current courses of powe
7、r electronic technology and wireless power transfer,and based on PSIM simulation software,this paper designs a simulation experimental platform of PT symmetric wireless power transfer system.Firstly,according to the PT symmetric mechanism,the PT symmetric conditions of wireless power transfer system
8、 are obtained,and the fundamental characteristics of PT symmetric wireless power transfer system are analyzed.Then,the design method and procedure of PT symmetric wireless power transfer system are systematically given,and the electrical parameters of the system are determined.Finally,a systematic s
9、imulation is built in PSIM simulation software to verify the constant output power and transfer efficiency characteristics of PT symmetric wireless power transfer system.The design of this simulation experimental platform achieves the cross-integration of power electronic technology and wireless pow
10、er transfer courses,which is conducive to stimulate students innovative thinking,and cultivating their comprehensive quality,so as to further improve the teaching quality of wireless power transfer course.Key words:wireless power transfer;parity-time symmetric;PSIM;simulation experimental platform 疏
11、许健,等:基于 PSIM 的宇称-时间对称无线电能传输系统仿真实验平台设计 117 无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术因其高安全性、高可靠性及免操作性等突出优点,被广泛应用于电动汽车、移动电子设备、植入式医疗器械、家用电器等多个领域,具有非常广阔的应用前景和巨大的市场空间1-5。现有的 WPT 技术根据传输机理可分为磁场耦合式、电场耦合式和电磁辐射式(包括微波、激光等),其中磁场耦合式是目前研究最广泛且应用最成熟的一种无线电能传输方式6-7。近 20 年里,磁场耦合式 WPT 技术从机理研究到产业化都取得了快速的发展。2007 年,麻省理工学院的 Mar
12、in 教授团队利用物理学的谐振原理,提出了磁耦合谐振WPT 技术,实现了中距离无线电能传输,激起了磁场耦合式 WPT 技术的研究热潮8-9。然而,磁耦合谐振WPT 系统的输出功率和传输效率对线圈位置和偏移角度、线圈固有谐振频率都十分敏感,当接收线圈位置发生变化或线圈固有谐振频率发生偏移时,系统的输出功率和传输效率将急剧下降,导致电能无法稳定高效传输10-11。2017 年,斯坦福大学的范汕洄教授团队将量子力学中的宇称-时间(parity-time,简称 PT)对称原理引入无线电能传输中,提出了一种新型的 PT对称磁场耦合式 WPT 技术,实现了发射和接收线圈在 0.7 m 范围内轴向运动时,系
13、统输出功率和传输效率保持恒定,一定程度上解决了 WPT 系统传输特性对传输距离变化的敏感性问题12。然而,系统的非线性饱和增益元件由运算放大器构造而成,功率等级仅 mW 级,极大地限制了 PT 对称 WPT 技术的应用范围13-14。2018 年,华南理工大学的张波教授团队利用电力电子器件替代运算放大器来构建 PT 对称WPT 系统,显著提高了系统的输出功率和传输效率,极大地拓展了 PT对称 WPT系统的应用范围15。然而,PT 对称无线电能传输作为一项新兴技术,其理论和实验研究还不是很完善,尤其在教学方面,关于电力电子变换器构建 PT 对称 WPT 系统的介绍还十分匮乏。该部分内容难度大、理
14、论分析复杂、缺乏直观性,学生理解困难,开发一套系统的、易操作的仿真实验平台,通过理论知识讲解和仿真实验演示的同时进行,来增强教学的直观性,有利于学生对理论知识的深入理解,对无线电能传输课程的教学也具有十分重要的意义。因此,本文首先基于 PT 对称机理,给出了无线电能传输系统的 PT 对称条件,并基于电路理论,探究了 PT 对称无线电能传输系统的频率特性和传输特性;然后,根据实际系统的需求,系统地给出了 PT对称无线电能传输系统的设计方法和步骤,同时确定了系统的电气参数,为下一步的仿真实验设计奠定了基础;最后,基于 PSIM 仿真软件,搭建了一套 PT对称无线电能传输系统的仿真实验平台,验证了
15、PT对称无线电能传输系统的恒定传输特性。1 系统结构与特性 PT 对称 WPT 系统主要由发射电路和接收电路两大部分组成,其中发射电路主要由负电阻RN、发射线圈 LT、发射端补偿电容 CT和发射端等效内阻 RST构成,接收电路则由接收线圈 LR、接收端补偿电容CR、接收端等效内阻 RSR和等效负载电阻 RL构成,如图 1(a)所示。İT和 İR分别是流过发射和接收线圈的电流相量,NV?和LV?分别是负电阻RN和等效负载电阻RL两端的电压相量,M 是发射与接收线圈之间的互感,TR/kML L=表示耦合系数。图 1 PT 对称 WPT 系统 PT 对称由 P 反演不变性和 T 反演不变性共同描述。
16、P 反演可描述为空间的反转,在连续空间坐标下,P 反演表示从 x 到x 的空间坐标镜像,又称为空间镜像变换;T 反演表示反转时间的流向,通过 tt 的变换来实现。PT 对称系统在 P 反演变换和 T 反演变换的共同作用下仍保持对称性,即系统在时间倒流时的空间镜像表现与该系统在时间正向流动时的表现相同。在 WPT 系统中,P 反演指对 WPT 系统进行空间镜像变换,如图 1(a)到 1(b)的过程,即发射端和接收端互换位置,电路方程中表现为各变量下标的互换;T 反演意味着时间倒流,如图 1(b)到 1(c)的过程,电路中原本吸收电能的负载转变为产生电能的负电阻,118 实 验 技 术 与 管 理
17、 而提供电能的负电阻则转变为消耗能量的正电阻,电感电容等储能元件则由于不产生也不消耗能量,在 T反演后保持不变。由此,根据基尔霍夫电路定律,可以很容易列写出图 1(a)所示系统的电路相量方程,结合上述 PT 对称的定义,WPT 系统的 PT 对称条件可以表示为 TRNSTLSRTR0RRRRLL=|-+=|(1)其中,TTT1/L C=和RRR1/L C=分别表示发射和接收线圈的固有谐振频率。当式(1)所示PT对称条件满足时,令T=R=0,可以分析得到PT对称WPT系统的工作频率存在两个稳定解:022222LSRLSR2 22 20R0R1()()11122kRRRRkLL=-+-+-|(2)
18、由于实际应用中系统的工作频率恒为正实数,可得PT对称WPT系统的有效工作区间为kkC,kC为临界耦合系数:22LSRC220R()112RRkL+=-|(3)继而,根据输出功率和传输效率的定义,可以推导得到在一定传输范围(kkC)内,PT对称WPT系统的输出功率和传输效率满足:22N T R LLL2222LTLSRT R STLSRR ST2R LT L22R STTSRLT STRSRL()2()()()V L L RVPRL RRL L RRRL RI RL RL RL RRI RIRR=|+|=|+(4)其中,VL、VN、IT和IR分别是相量LV?、NV?、İT和İR的有效值。可以看出
19、,在耦合系数k大于临界值kC的传输范围内,PT对称WPT系统实现了输出功率和传输效率与传输距离完全解耦,始终保持稳定不变。与传统的WPT系统相比,PT对称WPT系统一定程度上解决了WPT系统传输特性对传输距离敏感的问题。2 系统设计 由图1的PT对称WPT系统等效电路图可知,PT对称WPT系统的设计核心主要在于负电阻的构造和耦合线圈机构的设计。针对具体的实际应用场合,如移动、便携式无线充电设备和家用电器无线充电装置等,已知负载电阻的变化范围为220,使用频率为80205 kHz,输出功率要求为50 W,设计50 W恒定功率输出的PT对称WPT系统。具体的系统设计流程如下。步骤1:针对已知负载电
20、阻的变化范围(220)和工作频率段(80205 kHz),确定发射和接收线圈的电气参数。不失一般性,考虑负载电阻为RL=10,发射和接收线圈一致,其固有频率选择为f0=0/(2)=150 kHz,则根据线圈固有频率的定义式0TT1/L C=RR1/L C,可以得到LTCT和LRCR的值。这里,线圈的电感值设计为LT=LR=100 H,则补偿电容值可计算为CT=1/(2f0)2LT=CR=1/(2f0)2LR=11.258 nF。步骤2:确定PT对称WPT系统的有效传输范围。首先可以通过文献16的方法计算线圈的内阻,不失一般性,这里假设线圈的内阻为RST=RSR=0.25,继而根据式(3)可计算
21、得到临界耦合系数为kC=0.108 6,由此可得PT对称WPT系统的有效传输范围为k0.108 6。步骤3:确定负电阻的工作电压VN。首先,由于输出功率的定义式为2LLL/PVR=,可计算得到负载电阻两端的电压为VL=22.36 V。其次,基于式(1)所示的PT对称条件,结合式(2)所示的系统工作频率解和系统的电路方程,可推导得到发射和接收线圈的电流比满足IT/IR=1,继而根据VN=RNIT和VL=RLIR,进一步得到VN/VL=(RL+RSR+RST)/RL=1.05,从而可以确定负电阻的工作电压为VN=23.48 V。步骤4:构造负电阻部件。负电阻是实现PT对称WPT系统的关键部件,其输
22、出电压和电流的相位差为180o。考虑到在PT对称WPT系统中,负电阻的构造需要满足功率等级的要求,且工作频率自适应于系统参数的变化。由于电力电子变换器通过电流的过零点控制,可实现其输出电压和电流呈负电阻特性,因此,采用电力电子变换器作为负电阻部件的主电路,并结合相应的控制电路,可实现PT对称WPT系统所需的负电阻部件。这里,负电阻部件的主电路设计主要采用电压型全桥逆变电路。根据步骤3中负电阻部件的工作电压VN=23.48 V,以及全桥逆变器输出电压基波有效值与直流输入电压的关系式NDC2 2/VV=,可以确定全桥逆变电路的直流输入电压为VDC=26.08 V。负电阻部件的控制电路主要包括采样电
23、路、过零比较器和驱动电路。首先通过电流互感器检测发射线圈的电流,并经由电阻接地,将检测的电流信号转化为电压信号,然后通过差分放大电路将该电压信号放大至逻辑电路可正确识别,继而再经过过零比较器获得包含发射线圈电流过零点信息的矩形驱动信号,最 疏许健,等:基于 PSIM 的宇称-时间对称无线电能传输系统仿真实验平台设计 119 后经驱动电路控制开关管的状态。3 系统 PSIM 电路仿真 在实际电路中,根据负电阻部件的构造原理,发射电路中的负电阻RN应由全桥逆变器来替代,而接收电路若考虑直流负载,应增加不可控整流电路。图2给出了PT对称WPT系统的仿真电路图,其电路参数如表1所示。具体的PSIM仿真
24、流程如下。步骤1:搭建PT对称WPT系统的仿真电路。根据PT对称WPT系统的实际电路原理,在元器件库中选择对应的元器件,并用连接线将各元器件连接起来。其中全桥逆变器由1个直流电压源和4个MOSFET开关管组成,直流电压源通过元器件库(Elements)电源(Sources)电压源(Voltage)直流(DC)来选择,MOSFET开关管通过元器件库(Elements)功率电路(Power)开关(Switches)MOSFET来选择;发射和接收线圈的内阻和直流负载电阻可通过元器件库(Elements)功率电路(Power)RLC支路(RLC Branches)电阻(Resistor)来选择,发射和
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