学术简报︱磁谐振无线电能传输系统的频率跟踪失谐控制
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广西大学电气工程学院的研究人员黄程、陆益民，在2019年第15期《电工技术学报》上撰文指出，当磁谐振无线电能传输系统的初级与次级都为谐振补偿网络时，系统的传输性能随着传输距离的变化发生较大的波动。
为了使磁谐振无线电能传输系统在不同的传输距离下拥有相对平稳的能量传输特性，利用互感耦合理论对磁谐振无线电能传输系统进行建模，对初级不同补偿程度条件下系统传输功率的大小进行了分析。采用一种基于微分环节锁相环的频率跟踪失谐控制策略主动跟踪谐振频率，通过对阻抗角的控制保持系统工作在合理的失谐率下，同时实现软开关。设计了150 W，10 kHz的实验平台，实验结果论证了理论分析和仿真的正确性。
近年来，无线电能传输系统已成为国内外研究的热点。目前主要有三种基本形式的无线电能传输技术：①基于微波的无线电能传输技术；②基于电场谐振原理与电磁谐振原理的谐振耦合式无线电能传输技术；③基于电场耦合原理与电磁感应原理的感应无线电能传输技术。其中电磁谐振耦合式无线电能传输（Magnetic Resonant Wireless Power Transfer,MR-WPT）适用于传输距离为十几cm到几m、传输功率为十几W到几kW的应用范围。但是对于典型的初级、次级谐振补偿MR-WPT系统，负载大小以及传输距离的改变会使系统的传输功率与传输效率发生较大的波动。
为了在宽范围的传输距离内稳定、安全地传输能量，有学者通过中继线圈增加了磁共振无线电能系统的传输功率与传输效率。
有学者针对MR-WPT系统中激励线圈与初级线圈是否谐振、次级线圈与负载线圈是否谐振，对4种结构模型下的等效阻抗进行了详细分析。
有学者为了保证输出电压与输出功率在一定范围内保持良好的稳定性，提出了新的次级拓扑结构。
有学者使用圆形非极化线圈、双D极化线圈、多绕组极化线圈等不同类型的谐振线圈，提升了传输功率容量与偏移距离。
有学者采用一种初级串联、次级串并联补偿（S/SP）拓扑，实现了负载端的恒压输出。
有学者分别针对初级串联、次级串联补偿（S/S）与初级串联、次级串联补偿（S/P），根据初级线圈电流的有效值与负载电压和电流的关系，设计了一种基于初级线圈的控制策略，能够在一定的负载范围内保持恒压输出。
有学者通过经济实惠的硬件检测电路检测短路电流，实现频率跟踪，使系统具有良好的能量传输特性，但系统抗干扰能力弱。
有学者分析了失谐对无线电能传输系统的影响，采用基于二阶广义积分数字锁相环的控制策略使无线电能传输系统工作在谐振状态，保证了能量传输的最优化。
有学者通过过零检测获取相角信息，运用移相全桥的方式实现了零电压开关（Zero Voltge Switch, ZVS）。
有学者提出了一种初级失谐的串串补偿拓扑，系统的输出功率波动程度能保持在20%以内，且系统效率维持在76%以上。对于MR-WPT系统，需要选用高耐压的薄膜电容作为谐振电容，每个薄膜电容都存在±5%的误差，在大量串并联时难以获得特定的容值，需要被动地微调谐振电容或调整驱动PWM频率使系统工作于谐振状态。
现有的方法未能充分解决传输距离变化导致MR-WPT系统传输性能发生较大波动的问题，难以保证MR-WPT系统在宽范围的传输距离内稳定、安全地传输能量。为了快速精确地实现频率跟踪，保证MR-WPT系统开关管工作于软开关状态，拥有相对平稳的能量传输特性，本文首先利用互感耦合理论对MR-WPT系统进行建模，采用初级失谐、次级谐振补偿，对不同失谐率条件下系统的传输性能进行分析，并设计了频率跟踪失谐控制系统，精确地对失谐进行了动态控制。
图10 MR-WPT系统实验平台
由于补偿电容的误差，MR-WPT系统的谐振频率难以确定，需要被动地调整驱动频率来获得较好的传输性能。为了解决这个问题，本文采用了一种基于微分锁相环的频率跟踪失谐控制策略来主动跟踪MR-WPT系统的谐振频率，实现初级失谐、次级谐振补偿。采用失谐控制策略后，在一定的传输距离内，MR-WPT系统传输功率的波动程度得到了明显的改善。