应用新型Z源变换器的无线电能传输系统谐振逆变源设计与控制方法研究

In traditional wireless power transfer system, the dead time of resonant inverter control leads to voltage and current waveform distortion, and the two-stage structure, single degree of freedom control make it difficult to the optimization of system efficiency. The scheme of resonant inverter using novel Z-source converter is proposed. It doesn’t need dead time control and allows the existence of shoot-through state for the bridge arm, which improves the security of the system. Compared with the traditional Z-source converter, the boost capacity of the novel topology is higher, and the voltage output range of the resonant inverter is widened. The single-stage structure has two degrees of freedom- shoot-through ratio and phase-shift angle, which is more flexible for control. Network parameter design and topology optimization method for novel Z-source converter will be carried out. The method of shoot-through control that doesn’t increase the switching frequency and can reduce the Z-source network inductor volume will be studied, so as to reduce the switching loss and optimize the ratio of power to volume. Research on the optimal control method of two degrees of freedom coordinated control will also be carried out to improve the system efficiency.

针对传统无线电能传输系统中谐振逆变源控制存在死区，导致电压、电流波形畸变，两级结构、单自由度控制不利于系统效率优化的问题，提出应用新型Z源变换器的谐振逆变源方案。该方案不存在控制死区且允许桥臂直通，提高了系统的安全性；与传统Z源变换器相比，升压能力更高，拓宽了谐振逆变源电压输出范围；单级结构，具有直通占空比和移相角两个自由度，控制上更为灵活。研究新型Z源变换器网络参数设计及拓扑优化方法；研究既不增加开关频率，又能减少网络电感体积的直通移相控制实现方法，以期降低开关损耗、优化系统功率体积比；研究直通占空比和移相角两自由度协调控制的损耗最小控制方法，力图提升系统效率。

本项目针对Z源逆变器在直通状态下存在的问题进行研究，提出了抑制输入电流纹波的新调制策略，并就系统功率控制和效率优化问题进行了论述。.分析了有源开关电容型准Z源逆变器（Active Switched Capacitor quasi-Z Source Inverter, ASC-qZSI）在单相谐振逆变系统的续流直通问题，对续流直通状态发生的临界条件、升压特性和输出特性进行了深入研究，推导出续流直通占空比和直通占空比的隐函数关系方程，给出了续流直通直通下的升压比变化曲线和电感电流变化曲线，分析表明续流直通状态增加了控制器设计的复杂度、降低了电能传输质量和系统安全性；通过分析系统工作模态，提出了基于ASC-qZSI消除续流直通的改进方案。.ASC-qZSI采用传统直通调制策略时电感电流纹波较大，为了减小输入电流纹波，本项目针对单相逆变系统提出了PWM2异步直通调制法，并通过工作模态分析推导了其电感电流纹波的表达式，与传统PWM1同步直通调制法相比，纹波减小了50%以上。..根据直通矢量插入方式的不同，传统Z源在三相系统中的空间矢量调制可分为四段式和六段式两种，其中四段式ZSVM具有更小的输入电感电流纹波。本文在四段式ZSVM的基础上，提出了基于ASC-qZSI的ZSVMm纹波抑制调制策略，并从工作模态、直流母线电压、电感电流纹波最大值等方面进行了详细的理论分析及计算，与传统ZSVM相比，纹波减小了50%以上。.在系统效率分析过程中，传统方法多将原副边功率变换器的损耗忽略，从而使得分析结果不甚理想。本项目将逆变器和整流器的损耗纳入到效率模型内，以损耗电阻近似的方法对系统的最大功率点和最优效率点进行分析，得出了各系统参数对最优效率点的影响。.最后，分别搭建了单相谐振逆变系统和三相逆变系统的实验平台，以及应用Z源变换器的无线电能传输系统实验平台，并对PWM2异步直通调制策略和ZSVMm异步直通调制策略进行了实验验证。结果表明理论模型具有足够的精准度，两种调制策略下的输入电感电流纹波测试值与理论分析值一致，且系统在最优效率控制策略下，效率可得到有效提升。