基于相轨迹操控的无线电能传输系统性能优化机制

Wireless power transfer (WPT) technology based on magnetic coupling is designed to deliver energy from power supply to electrical load over a short distance wirelessly. It has the advantages of convenient, flexible, safe and so on. Therefore, it has a broad market prospect and has become one of the ten emerging technologies of world attention. Along with the advancement of research and the extension of application fields, people put forward higher requirements on the system stability, robustness and steady state and dynamic performance. It is much needed to study from the control perspective so as to make a comprehensive understanding of the system characteristics, explore new control methods, and improve the system performance. Therefore, this project plans to set a goal of global optimization of the system performance, and propose an optimization mechanism based on phase trajectory manipulation. Researches on theories and applications will be carried out systematically on system modeling, behavior analyzing, trajectory manipulating and performance promoting. Consequently, a theory and technical system with a clue of phase trajectory will be formed. Particularly, a modeling and analyzing method based on theories of hybrid automaton and topological sequence is proposed for studying the features of series-connected multiple parts and high order nonlinearity. A variable-scale analyzing method based on phase trajectory is proposed for the complex dynamic behaviors of the systems. An optimization method based on phase trajectory programming and tracking is proposed for achieving globally improving the dynamic and steady state performance. The implementation of this project will effectively promote the development of fundamental theory and practical technology of WPT technology, and guide the analysis and control of complex systems.

基于磁场耦合的无线电能传输技术实现了电能从电源到用电设备的无线接入，具有便捷、灵活、安全等优点和广阔的市场前景，已成为世界关注的十大新兴技术之一。随着研究的深入和应用领域的拓展，人们对系统稳定性、鲁棒性及动静态性能等提出了更高的要求，亟需从控制的角度，全面认识系统特性，探索新的控制手段，挖掘系统性能提升空间。本项目以系统性能整体优化为目标，提出以相轨迹为操控对象的无线电能传输系统优化机制，从系统建模、行为分析、轨迹操控及性能提升四个方面进行系统的理论与应用研究，最终形成以相轨迹为线索的理论技术体系。针对系统的多环节级联及高阶特性，提出基于混杂自动机及拓扑序列的建模分析方法；针对系统复杂动力学行为，提出基于相轨迹的变尺度机理分析方法；针对系统动静态性能整体提升，提出基于相轨迹规划与跟踪的优化方法。本项目的实施将有效促进无线电能传输技术基础理论体系的完善，为复杂系统的分析与控制提供参考。

项目以无线电能传输系统性能优化为目标，建立了以相轨迹为操控对象的无线电能传输系统优化机制，从系统建模、动力学行为分析、动静态性能综合提升几个方面进行了系统的理论与应用研究。在系统机理建模与分析方面，为了更好地分析和认识系统的动力学行为特性，提出了一种基于多尺度思想的建模方法，将系统模型分为系统尺度、电路尺度、器件尺度、晶体尺度等，通过关联映射建立系统各尺度模型间的关联关系，实现系统在不同尺度上动力学行为特性的建模及分析；提出一种胞映射方法实现系统轨迹演化过程吸引子及其吸引域的分布情况的分析；提出一种基于模态分析的适用于任意线圈架构MC-WPT系统的建模分析方法，解决无线电能传输系统的共振传能机理分析问题。在系统动力学行为分析方面，针对系统的稳定性分析问题，提出一种基于边界的稳定域（RoS）求解方法，分析了系统中可能出现的全局稳定、局部稳定、多稳态解、极限环等稳定特性。针对系统相轨迹的全局运动特性，提出了一种三分胞映射分析方法，可以快速、准确地确定所选胞空间中的吸引子及其吸引域；针对系统的频率分裂现象，给出了系统共振及系统共振频率等关键概念，构建了系统能效与系统模态参数之间的数学描述，解释了“频率分裂”的物理原理。针对系统在闭环调节时的分岔行为，提出了一种基于混杂自动机模型及胞映射方法的系统动力学行为演化分析方法，揭示了系统的分岔特性及其吸引子的共存现象。在系统动静态性能综合提升方面，从参数优化以及控制两个角度展开研究，研究了互补对称的LCC谐振网络、F型补偿网络、T-Π复合谐振网络、∏-CLC复合谐振网络等多种网络拓扑，通过谐振网络拓扑及参数优化，使得系统宏观上呈现出良好的恒流、恒压或者恒频等特性，通过控制优化系统模态切换时刻，使得系统相轨迹逼近理想相轨迹，从而系统能效水平得以进一步提升。项目研究工作进一步完善了无线电能传输技术理论体系，促进了无线电能传输技术的发展。