车载充电器原文

1、基于无线电能传输的车载充电器研究摘要 现如今，地球上的人们正面临着越来越大压力，这些压力源于我们赖以生存的大自然。在我们的日常生活中，总是离不开化石类能源资源的辅助。化石能源是我们赖以生存的主要能源资源。化石类能源在提升我国国民经济的发展上有着其重要的意义。在我们经济飞速发展的今天，虽然化石类能源资源在努力的保障着我们的生活，但是一些由于化石类能源资源的过度使用，对我国经济的发展造成了很大的威胁：一是环境污染的问题。由于注重经济的发展而过度使用化石类能源资源，对环境造成了非常严重的污染，也对我们的健康生活造成了一定的威胁；二是资源枯竭问题。化石类能源资源是一种不可再生资源，而我们所面临的化石类

2、资源已经开始报警，面临枯竭的危险。所以，我们迫切需求一种能够替代化石类能源资源的能源出现，而电能的发明为经济的发展迈出了坚实的一步。电能作为一种无污染并且是可在生能源，能够很好的代替化石类能源资源去发展生产。现在的社会已经进入到信息化的社会，人们的生活水平日益增长，各种各样的电子产品应运而生。人们对于电子产品的需求也是日益显著增长。但是这些电子产品的发展有着一个很大的弊端，比如很多的智能手机就需要面临电池存电量的影响，很多产品不能够为消费者带来令人满意的电池使用状况。随着人们生活水平的提高，人们的消费观念也发生了重要的改变。人们对于电子产品的消费也在发生着很大改变，不再只是满足电子产品的普通使

3、用，对于电子产品的外观设计更加注重。人们对于电子产品消费观念的改变，更能代表人们对于电子产品的期待。人们渴求那些经济实用产品的同时，更加注重产品外观设计。对于那些复杂的电源线、数据线的不通用情况已经渐渐不能满足人们的消费需求，人们更加在意的是更为简洁的设计要求，人们迫切需要一种能够更加方便快捷的充电装置。所以，人们正在逐步地探索与发现无线电充电技术。 关键词：无线电 耦合 补偿方式 传输特性 仿真 Research of Car Charger based on Wireless Power TransmissionABSTRACT Nowadays, mankind is facing mo

4、re and more pressure from natural resources. Now the human use mainstream energy resources, that are, fossil energy resources in the convenience to the people living, meanwhile, it also brings a lot of problems. Be the first to bear the brunt is the problem of environmental pollution, environmental

5、pollution problems now faced by the human society is composed mostly of oil, coal and other fossil energy generation. Secondly, fossil energy resources are limited, once exhausted, human should decide on what path to follow? While the energy as a clean and renewable energy, fossil energy is a good a

6、lternative to the . As the development of human society into the information age, a variety of electronic products such as bamboo shoots after a spring rain like into people's lives. The development speed and battery technology has not kept up with electronic products, a lot of intelligent mobil

7、e phone users face a daily charge or even a two charge dilemma feel helpless . In addition, the modern human lifestyle and consumption concept has changed turn the world upside down compared with the previous changes. People are no longer satisfied with the electronic products only have the common u

8、se function, but hope that electronic products also have the appearance of fashion.According to the survey, many consumers which a variety of complex power line, the data line and other parts of electronic products are not the general feel very upset . People need charging device convenient can be u

9、sed wherever possible. Therefore, wireless charging technology, are being gradually explore and discover for people.Keywords: Radio; coupling;compensation;characteristics of transmission;simulation目录第1章 绪论.51.1 项目概况51.2 研究的背景和目的51.2.1 国内外背景51.2.2 研究的意义61.3 课题要求8第2章 无线电能传输的基本原理92.1 三种无线电能传输方式9 2.1.1

10、电磁感应92.1.2 电磁谐振耦合92.1.3 微波方式112.2 对串联补偿方式的认知11 2.2.1 串联补偿的原理112.2.2 串联电容补偿对电力系统的作用132.3 对并联补偿方式的认知13 2.3.1 并联补偿的原理132.3.2 并联电容补偿对电力系统的作用152.4 两种补偿方式的比较15第3章 对于串-串补偿与串-并补偿的研究.173.1 非接触感应173.2 串-串补偿方式183.2.1 谐振变换器输出电压增益值193.2.2 谐振变换器转移阻抗特性研究21 3.2.3 谐振变换器软开关特性研究223.2.4 谐振变换器负载调整率233.2.5 谐振变换器效率243.3 串

11、-并补偿方式工作特性分析253.3.1 谐振变换器输出电压增益特性研究253.3.2 谐振变换器转移阻抗特性研究28 3.3.3 谐振变换器软开关特性研究293.4 本章小结30第4章 1KW的无线车载充电器的设计实现.314.1 实施方案314.2 参数选择314.3 硬件设计32 4.3.1 方波的产生324.3.2 负载调整率334.3.3 效率曲线334.4 系统在matlab中的仿真35第5章 结论 38致谢39参考文献40 第1章 绪论 1.1 项目概况 市场需求在目前耗电量极大的电子设备中体现出来，目前基本上所有的电子设备的充电器都是与之相应配套的，所以造成了资源上的极巨大费和消

12、耗；除此之外还有另外一点说明，对于两种或者说多种用电设备，其充电器往往不相符合，从而无法通用，这样会在顾客方造成不必要的烦恼。与此同时，目前我们所使用的有线充电设备都是使用了一个与之相对应的有线接口，以此来完成充电过程，但这样的设计不可避免的，当设备靠近水时，就会使得发生故障的概率大大提升1,2。然而无线充电设备很好的避免了这个问题，它不需要依靠充电接口来实现充电，无线充电设备，顾名思义是不需要充电线的，不仅如此在很大程度上，很多种不同类型的电子设备还可以共用同一个充电器，这样就可以很好的节约资源。新的科技能够给用户带来新的体验，无线充电技术目前已经在不断的升级和优化，并且慢慢地投入到市场中去

13、。 电动汽车的充电装置从总体上来说主要可以分为两大类型：一种是非车载充电器，而另一种即为车载充电器。其中非车载充电器又被称作地面充电装置，其主要分为专用充电机、通用充电机、专用充电站以及公共场所用充电站等等，非车载充电器能够迎合多种电池、多种充电方式的要求。相对于车载充电器来说，非车载充电器的体积和质量比较大，同时其功率也都比较大，因此车载充电器能够满足各种功率需求。而车载充电器主要是指采用车载电源或者地面交流电网、对安装在电动汽车上对电动汽车的电池组进行及时充电的一种装置，其主要组成部分有：车载充电发电机组、车载充电机以运行能量的回收充电装置，车载充电器给电动汽车充电主要是通过将交流动力电缆

14、线直接插入电动汽车的插座中。车载充电器一般都采用结构比较简单、控制比较容易的接触式充电器，当然也可以是感应式充电器，其主要是按照车载的蓄电池种类和充电方式进行专业设计，针对性比较强。目前韩国的高级研究所（KAIST）研制的非接触式供电电动巴士能够在电动巴士行进的过程中对电动巴士进行同步充电，满足电动巴士的长时间续航要求。但是，由于电动巴士在行驶的过程中位置并不固定，同时也会对城市供电系统的参数造成较大的不利影响，因而对采用的供电系统的动态响应能力也有十分高的要求。从该例子可以看出基于无线电能传输的车载充电器的发展过程中还存在许多问题，因此我们有必要对各种补偿方式下的电压传输特性和效率特性进行研

15、究，从而找出最优效率的补偿方法，以期能够设计一种功能完善、性能良好的无线电能传输的方法，最终实现基于无线电能传输的对车载充电器的充电研究。 1.2 研究的背景和目的 1.2.1 国内外背景 无线电技术虽然现在来说是个新兴的科技，但是呢，其发展前景是非常乐观且广袤的。这种新型的科技甚至可以应用到人类生活中的所有领域，覆盖所有角落。并且能把无线充电技术能够将能量以电磁波的形式传递，在空气这个介质中也能够得到有效的传播，然后由接收天线接收，传播方式为电波辐射方式3,4。首先，无线充电技术将会被应用到比如MP3、MP4、照相机还有手机等小功率电子产品，；然后会是如接着无线充电将会开设于家用电器类的充电

16、研发中去，例如冰箱、空调、洗衣机、电风扇等；连着交通工具如电动自行车、电动公交车、轻轨、地铁等，将实现无线充电，为我们的交通便利提供一个有力的条件；最后，结合我们目前已经开发的风能、太阳能、潮汐能等资源利用，将这些跟无线充电结合，为我国的军事和航空带来新的运行模式，掀起一场科技革命。在美国，麻省理工大学早已经预见了无线供电技术的前景，并且实行了深入发展与调研。美国华盛顿州，西雅图实验室，一个名字叫做约翰逊·史密斯的实验小组在2008年展开的一系列的实验无线传能实验中发射谐振器和接收谐振器（利用电磁谐振耦合），其制作工艺是利用小半径的铜材料而生成的线圈，线圈的参数经测量为：R=300m

17、m、H=200mm，这种线圈包含了分布式电感，另外也具备了一系列电容的特性，通过多次实验，他们得出了另外一个参数，谐振频率f9.9M赫兹。传输效率跟谐振器距离长度d有关系，实验得出，d=1m时,=75%；而如果d=2m时，=40%，结论就是距离越远，效率随之越低。利用近距离的某种电源不通过金属部分的直接接触，能够神奇地使得一盏灯泡顺利亮起来6。时间过了几年之后，在北京奥运会召开期间，国际上对于无线电技术的应用已经取得了重大的突破，在奥运会残奥会的赛场还有后勤部门中，各种无线电设备已经粉墨登场。 然而相对于世界的大进步，国内对于无线电传输的探索则是处于摇篮阶段7。我国高校和科研机构例如西安交通大

18、学、中国科学院、重庆大学等，已经开始致力于无线供电这一块，针对无线供电进行开发，在各类期刊已经可以看见不少的相关论文，成果彼丰。 综上所述，目前我国的相关研究人员重点将无线供电的输出功率和其供电效率作为研究对象，但在相应的使用产品上还相当的匮乏，仅仅有几个代表性的企业做出了其专业领域的概念性产品。1.2.2 研究的意义1、无线换能技术的研究意义 在绪论中提到，目前电子产品对于电量的极度消耗给我们的市场带来了极大的商机，目前为止，每个电子产品都具有一套与之配套的充电设备，在有限的资源里属于浪费行为；而且让顾客麻烦的是，不同的电子设备间充电器都是专用的。以下几个方面可以很好地诠释无线电技术相对于传

19、统的有线充电技术的优越性： 美观性：电线接口和充电插口被代替后，移动类便携式的电子设备的个头被减小，设备上的“伤口”没了，进而也就好看了。伴随着科技的发展与创新，人类具有了更多的用于办公和娱乐的电子设备，增长速度非常快速，让人震惊。但是想象一下，几乎所有设备均配备有特用的充电器，让人觉得乱糟糟，没有一点好感。能改变这种状况的只有无线充电。在攻克了人体电磁辐射健康和能效转化效率的情况下，可以都用该技术，破坏景观等很多问题，使我们的生活具有较多的美化作用。另外，还将在大量节省金属材料、塑料以及人资等方面发挥重要作用。安全性：能够避免接触可能引起的电火花问题，规避了电火花触发引发的爆炸；也可以避免由

20、于频繁的插拔插头造成的破坏和不良接触等安全性隐患；而且，电子设备的密闭性和封装性将更加强化，如利用无线充电技术的电吹风和电动按摩椅的防水性能将更加提高。医疗卫生事业中，我们如果利用了无线充电技术取代了充电插头，设备可以避免因为接触水而漏电的情况，消毒清洗各方面会更加方便，会极大地提高医疗效率8。永久性：未来，假如空间太阳能发电实现真正的商业化，我们将能从太阳中吸取更多的能源，进而从源头上解决能源危机，有利于国家贯彻可持续发展战略方针9。 是无线充电技术的出现，很好的拯救了现代的电池技术，不但可以帮助用户快速充电，而且不同电子产品之间的充电器相互之间也不通用的烦恼同样也能迎刃而解。电磁辐射传播是

21、无线电能传输的主要方式，该种充电方式是不需要用到电源线和插座的。无线充电技术的基本理论实际上是电磁感应与充电原理的结合。目前我们的无线传输电力理论还处于一个不断优化升级的阶段。在现阶段，相关科研机构在他们各自擅长的领域已经开发出了无线充电设备，但是碍于技术上的不成熟，这些设备都受到了距离和效率的限制，其价值只能在一定的小范围内体现出来。然而，虽然目前无线电能传输的理论还处于一个过渡阶段，但是，其工作原理已经被广大群众所认知，并且在该基础上进行了广泛的学习10。 结合目前的实际情况，我们可以对此作出预测，人们将会享受到无线充电技术带来的极大便利，理由如下： 第一，如果有一天，无线电技术普及到人人

22、生活中，大家都在用无线充电电源，彻彻底底地拜托了充电线和传统的充电器，极大地方便了所有人的生活。另外，当人们平时上班工作，外出旅游之类时，一个充电板就可以很好地满足人们的对于手机电脑还有一系列用电器件充电的需求。 第二，无线充电技术的优势可以体现在某种特别的应用场合。很多传感器我们日常生活是很少接触的，例如在医院里、在工地里还有在电场里，因为这些传感器藏在我们看不到的地方，因此给这些传感器充电的工作会特别特别繁杂。就拿一些专门植入人体的医疗设备来举例子，这些电子设备都是通过给电池充电的方式来完成工作的，手术时充电给病人带来很大的风险，一来浪费时间，二来提高风险率。而无线充电能够很好的避免这些问

23、题。第三，无线电充电技术同样可以用在“大马路”上。解决交通问题同样可以大显身手2010 年 3月份，韩国首尔大公园，成功实行了第一辆使用无线充电技术的电动车，该辆电动车是很特别的存在，这个电动车的设计十分精巧，我们见不到以往电车头顶上的天线顶着架空的输电线路，取而代之的是在柏油马路上在正确的位置放置了电感应带可以给正在行驶的车辆提供下一步行驶需要使用的能量。运用该种新型科技的公交车被网友们称为网上电车和无线电车。2、车载充电器的研究意义随着汽车产业的快速发展，市场上出现了大量的新型汽车，其中典型的十分受欢迎的一种就是新能源汽车，其主要包括醇类汽车、混合动力汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车等等。

24、电动汽车是新能源汽车的主力，它以蓄电池中储存的能量作为自身的能量来源。相对于传统汽车，电动汽车的优势在于低排放、高效率以及超节能。纯电动汽车可以说是不产生任何污染的车辆，它不消耗柴油、汽油等不可再生资源，也不排放或者排放极低量的废气，因此具有高环保的优点，与此同时，电动汽车在运行过程中产生的噪声较小，而且操作极其方便，也不存在没有十分复杂的机械结构。纯电动汽车的最大特点是节能环保、安全高效，它是现代化社会可持续发展过程中不可或缺的交通工具。从环境保护的角度来进行考虑，在城市中推广使用电动汽车可以实现极低的废气排放，减少环境污染。即使将电池厂家在生产电池过程中所造成的一系列污染统统考虑在内，电动

25、汽车还是能够很大程度上降低大气和环境污染。不过随着电动汽车的飞速发展，大量技术难题和技术瓶颈都显现出来。在目前来说，蓄电池技术的发展相对来说比较落后，高性能、高效率电池还处在研发阶段，当然可喜的是，已经有部分性能比较好的电池开始出现并逐渐得到推广，其一次充电所能够使用的里程也能够满足市民在日常生活中的基本需要。目前，制约电动汽车发展的主要因素是电动汽车的初始成本太高以及电动汽车续航里程短，因此，人们的迫切需要研制出能满足人们需要的高性能、高效率电池，使得电动汽车充电能够不受时间地点限制。研制出能够延长电池使用寿命和电动汽车续航里程的电池，一定会大大促进电动汽车的产业化发展。自上个世纪90年代起

26、，电动汽车的开发和研究受到人们的重视，这使得电动汽车行业得到迅速的发展，经过20多年的发展，目前市场上已有日产聆风、通用雪佛兰VOLT、比亚迪E6、奇瑞瑞麒M1等多款国内外品牌的电动汽车上市销售。但是电动汽车配套的非车载充电器（例如专用充电桩等）价格一般都非常昂贵，因此普及的城市相当稀少，仅仅只有沿海的一些大城市才有配置，与电动汽车配套的专用充电站和停车场充电桩的建设远远落后于新能源和电动汽车的发展速度，造成了电动汽车充电极其不方便，这极大程度上制约了新能源和电动汽车行业的发展，成为电动汽车技术进步过程中一个必须突破的瓶颈。而近年来出现并受到重点关注和研究的车载充电器能够使这一问题得到十分有效

27、的解决，从而使得电动汽车普及率大大地提升。目前，国内外的多款电动汽车都配置有车载充电器，但一般都存在充电电池发热量高、充电效率低以及电池长时间充不满等等各种各样的问题。但是，电动汽车车载充电器，可以使电动汽车只需要通过电源线和电源插座连接就能方便地进行充电，有利于改善电动汽车的使用性能，从而促进电动汽车的发展普及。电动汽车车载充电器主要是利用了非接触供电技术，其所能提供的功率范围十分地广泛，低至几毫瓦，而高至几十千瓦。目前非接触供电技术主要被应用于人体的医疗植入设备、便携式电子设备以及电动汽车的充电等等场合。电动车辆充电需求功率较大，主要用于电动汽车充电以及物料输送场合。近年来最为热门的例子就

28、是由韩国的高级研究所（KAIST）研制的非接触式供电电动巴士，这种巴士的车载充电器的功率最高可以达到10千瓦，并且车载充电器能够在电动巴士行进的过程中对电动巴士进行同步充电，满足电动巴士的长时间续航要求。但是，由于电动巴士在行驶的过程中位置并不固定，同时也会对城市供电系统的参数造成较大的不利影响，因而对采用的供电系统的动态响应能力也有十分高的要求。因此我们有必要对电动汽车的车载充电器进行深入的研究，以期能够较好地解决目前车载充电器发展过程中存在的技术瓶颈，例如上文中提及的提高供电系统的动态响应能力等等。相对于国外而言，我国新能源汽车产业的发展起步比较晚。但是国家相关部门和领导十分关注新能源汽车

29、的发展，先后设立了很多电动汽车的重大专项，从而大力支持电动汽车的发展。尽管我国电动汽车的发展起步比较晚，并且相比于其它国家来说还存在着巨大差距，但是我国电动汽车的发展拥有着巨大的发展空间与光明的发展前途。通过将目前国内人们使用的汽车改装成电动汽车，能够有效地提高汽车的效率、减少废气排放。综上所述基于无线电能传输的车载充电器研究是非常有意义的，它结合了具有巨大科研前景的无线充电技术以及亟待解决的车载充电器，如果能够将这两者的优势相互利用，并且加以完善，这一研究将会产生巨大的社会效益和经济效益，同时对全球的环境污染和资源紧张问题起到一定程度上的缓解作用，高性能的基于无线电能传输的车载充电器一旦被研

30、制出来，将具有十分巨大的市场。1.3 课题要求本文主要应用无线电能传输的基本原理，通过比较基于串串、串并和并并各种补偿方式下的电压传输特性和效率特性的不同，研究各补偿方式下电压传输特性，效率特性等，找出最优效率的补偿方法，寻找的一款合适的充电器，包括充电的特性和工作原理、充电方式和安全问题，设计一种无线电能传输的方法，对实现对车载充电器的充电研究。在实现电能无线传输的基础上，加入对电能发送电路的保护设计以及对充电器的充电管理设计和保护设计。搭建利用电磁感应原理的不同补偿方式的电路，利用非接触变压器，实现了无线电能传输工作。 第2章 无线电能传输的基本原理 2.1 三种无线电能传输方式 塞尔维亚

31、科学家尼古拉·特斯拉在上世纪九十年代就有了研究实现无线电能传输的想法，但遗憾的是毕生未能实现。但是，数风流人物，还看今朝，后来人们对于此研究则是不断产生新的突破人类现在研究出了三种原理可以帮助这位伟大的科学家实现他的毕生理想。这三种原理分别是电磁感应、电磁谐振耦合还有微波技术。 2.1.1 电磁感应 电磁感应式无线电能传输技术是利用非接触式变压器以电磁理论为基础，使得能量从变压器原副边之间流动来完成电能无线传输。与普通变压器存在问题一样，这种技术任然存在发热、高频波泄露以及传输距离等问题。图2-1为电磁感应式无线电能传输系统的原理图。直流电先通过一个高频逆变电路将直流电转化成高频交流

32、电，并输入到变压器原边线圈，根据电磁感应原理，在变压器副边线圈将感应出同频率的交流电，这就使得电能实现了无线传输，最后变压器副边线圈通过补偿、整流、滤波电路得到给负载的直流电。对于系统的传输效率是人们一直很关心的问题，传输效率主要受非接触式变压器的耦合性能影响，而传输距离又直接决定变压器的耦合性能，因此无线电能传输距离直接决定系统的传输效率即传输距离越远，传输效率越低。因此，考虑到电能传输效率，电磁感应式无线电能传输距离大约为几到几十毫米不等。11-13 图2-1 磁感应式无线电能传输示意图 2.1.2 电磁谐振耦合 这种原理的无线感应技术主要通过两个模块来实现，即发射模块还有接收模块，这两个

33、模块存在着耦合的现象。谐振频率下，这两个模块之间耦合传输电能会达到最大限度的，在大约2米之内的距离适合使用此种技术。有第一章知，此种原理最早是被美国麻省理工提出来的，他们的实验得出的结论两个模块相距两米时传输效率达到百分之四十至百分之五十，在距离相距一米时的传输效率甚至高达百分之九十。这种原理是基于耦合模理论而衍生出来的 14。对于这两个互相耦合的模块，如果他们之间的谐振频率近似相等的时候，发射模块会基于这个谐振频率产生同样大小频率的交变磁场，所以接收模块如果在一定距离内靠近发射模块时，也会产生自谐振，从而将发射装置的能量不断地聚集，接着传输到了负载（用户端）上，从而完成了功能的高效率实现15

34、，其传输示意图如图2-2 所示。该技术运用了电磁谐振耦合原理，大约在2米距离内的范围可以实现高效率的电能传输，而且对于其效率还有进一步的探索提高空间，探索前景光明。图2-2 电磁谐振耦合无线电能传输示意图 电磁谐振耦合无线电能传输系统理论基础是根据麦克斯韦电磁场理论而衍生出来，下面将从理论的角度出发分析电磁谐振耦合无线电能传输过程中磁场的传播途径和方法方式。我们曾经在麦克斯韦电磁场理论中学到过，不静止的电荷、交变的电场，在其周围空间能够产生磁场，这种磁场同样也是交变的;然而磁场同样又能够在周围产生电场。图2-3类比螺线管磁场分布图，H 表示产生的磁场强度，当有交流电通过螺旋线圈它的四周将产生交

35、变的电磁场。离中心线圈距离越近， H 的数值也就会随之上升。图2-3 螺旋线圈周围磁场分布图 2.1.3 微波方式 若电能以微波形式传输，则可弥补距离问题，但由于微波传输过程中必须要求路径无障碍物，并且传输效率比较低，这也使得这项技术应用范围受到很大限制。解决了另外两类传输方式在传输效率和传输长度上不可得兼的矛盾。微波无线电传输技术就是在自由空间内，将电能转化成微波形式通过发送端发送，接收端接收到微波后通过一些列转化、补偿电路将电能供给负载。图2-4为微波无线电能传输技术原理图。从图看出电能先通过转化电路将直流电转化成微波通过发射装置发射，接收端通过天线接受微波然后经过转化电路将接收到的微波转

36、化成负载所需的直流电16-17。这项技术虽然可以实现大功率传输，但由于微波在传输过程中能量衰减严重，所以效率依然不高。所以这项技术在微波型飞机、太阳能发电站、卫星等特殊范围中应用最为广泛18-19。图2-4 电磁谐振耦合无线电能传输示意图 2.2 对串联补偿方式的认知 我国当前电力需求紧张，“西电东送”等技术要求输电距离不断加长，电能质量还需要提高，面对这一系列的情况，电容补偿在输电线路中也得到了越来越多的应用。以下内容将从理论上对串联电容补偿和并联电容补偿的应用范围大致进行了界定20。 2.2.1 串联补偿的原理 在一段输电线路中，串联一个补偿电容器，就形成了串联补偿图，因为电容器产生容抗，

37、而抵消了一部分线路中产生的感抗，使得线路电压损耗 中的的这一部分大幅度降低，末端电压从而增大。如此以来，电路能保证电能质量稳定传输，减小线路的功率以及电能的损耗，提高了输送电能的能力21-22。输电线路中没有串入补偿电容的电路如图2-5所示，电压降可以求得：图2-5 未补偿电路 （2-1）以及线路中串联了补偿电容的线路如图2-6所示，电压降同样可求得：图2-6 串联电容补偿电路 (2-2) (2-3) 式中，U1为首段电压，U2为未加补偿时的末端电压，为已经加上串联电容补偿时的末端电压。Xc就是串联电容的容抗大小，（）就是在线路中串联了容抗为的电容以后，线路末端电压提高所得数值。根据调压所要求

38、可以得出： (2-4) 在配电网中串联电容补偿的主要目的是调压，在感性电路中串入容性阻抗，提高了的补偿度。其补偿度应稍稍大于1，在1到4中间即可，高达3至4时，功率因数由滞后变成了超前，这种状态称为过补偿。对于超高压线路，其补偿度不能接近一，全补偿将会使静态稳定变坏，且易发生自振荡，故极限补偿度应该在百分之五十到百分之六十之间，不宜超过此范围。从而能算出来，串联电容的容量大小是： （是通过串联电容器的最大负荷电流） （2-5） 2.2.2串联电容补偿对电力系统的作用 在等于以及低于110千伏电压等级的电力系统中，我们可以利用串联电容补偿电路来使电压质量得到改善，其最大能够将线路末端电压等级提高

39、百分之十到百分之二十，利用串联电容器的容抗补偿线路电感感抗的作用，使线路电压降减少，从而保证了线路末端电压的要求。所以说，串联电容补偿可以改变电压等级；另外，如果输电线路上产生了冲击负荷，使得线路产生高次谐波，串联补偿电容可以有效地抑制这种谐波。220千伏及以上电压等级比较高的电力系统，输电线路往往很长，线路会产生极大的感抗。同样利用电容器的容抗抵消部分线路感抗的原理，减小了线路电气空间长度，进一步提高系统的输电效率和输电能力23。综上所述，我们可以总结出串联电容补偿的5个优点：（1）电力线路的输电能力得到极大的提升。例如上述串联电容器的容抗抵消部分线路感抗的原理，减小了线路电气空间长度，而且

40、也使得线路两端的电压的相角变小，抗干扰能力增强了，同样增强了电力网的稳定性。（2）改善系统的无功平衡条件和运行电压，在配电网系统中主要用于补偿线路消耗的感性压降从而来改善电压质量，亦频率质量、波形质量、网损率。流过电容器的电流与电容器两端电压存在着函数关系：。即串联电容补偿方式对改善系统运行电压和无功电压的平衡条件具有很强的自适应能力。采取串联补偿方式对于提高线路末端电压水平来说比较合适；如果是站在提高电力系统电压等级的角度上来说，采用并联电容补偿方式更合适一些。（3）串联补偿能够很好地分配电力环网的潮流分布。第二点中提出来电容的容抗抵消了线路感抗，线路的空间电气长度得以减小，对于一个电压等级

41、大小不一的电力系统，串联电容的补偿可以优化系统，使得潮流分布更加合理，线路损耗降到很低。（4）可以有效地降低网损率。由于线路的损耗主要由线路电阻阻抗所造成的，在一定情况下，串联电容可以减小无功电流的产生，提高运行电压的大小，从而抑制网损。（5）从经济性角度出发，也是理想的。串联电容补偿技术在远距离、大容量输电线路中可以被得到广泛的应用，可缩水输电线路回路次数，从而节省线路投资。 2.3 对并联补偿方式的认知 2.3.1 并联补偿的原理 对于电力系统的负载来说，异步电动机的数量所占比例是很大的。对于像异步电动机这种电气设备，人们常常将其视为电阻R和电感L串联的一种等效电路。其功率因数可求得为：

42、(2-6)式中。将输电线路两端并联一个补偿电容器C，我们可以画出并联补偿的电路如图7所示。该电路的电流方程为 (2-7) 并联电容的电压和电流组成的相位差减少了,亦是说供电回路的功率因数得以上升了。此时对于两个向量和，的相位滞后于，我们将这种情况称作欠补偿。但是如果电容C的容量Q比较大的话，容易使的相位超过的相位，这就是相反的过补偿现象。在实际的情况下，我们往往不希望过补偿出现在电力系统上，在电力系统中的变压器中，如果过补偿情况出现，则副边电压将会得到提升，紧接着输电线路上将会产生极大的电能损耗。此外如果供电线路的电压因此而增加，系统温度升高，电容器自身可能会发生击穿现象。电力系统中的电容器往

43、往是最脆弱的，电容器的寿命直接影响设备的使用年限。 由于电容器安装的方式会有不同，所以并联补偿也大致可分为几种，一般来说有三种补偿方式：第一种是集中补偿，电容器组集中安装在企业或地方总降压变电站的六到十千伏的母线上，集中补偿可以使得整个变电所的功率因数提升，使其供电范围内无功功率基本维持平衡。在特高压输电线路中，线路的无功损耗能够很好地被抑制，从而使得电压质量得以提升；第二种方式是分散补偿，将电容器组分别装设在功率因数很小的车间或乡村终端变配电所低压或者是高压母线上，也被叫做分组补偿。这种方式具有与刚所提到的集中补偿具备同样的好处，仅无功补偿的范畴和大小相对小些。但是分散补偿的效果较为显著，也

44、被人们普遍使用。第三种叫做就地补偿，将电容器组装设在异步图2-7 并联补偿示意图电动机或具有感抗的电感器件用电设备周围，就地进行无功补偿，也称为个别补偿或单 独补偿方法。这种方式既能增大为用电设备供电回路的功率因数，又能改良用电设备的电压波形等质量，对中小型号的设备的使用可谓十分普及。这些年来，伴随着我们国家正慢慢拥有了创造低电压自愈式并联电容器的本领，并且型号规格也渐渐变得齐全，为就地补偿方式的普及打造了有利的条件，并已有诸多成功实施的情况。如果能将三种补偿方式统筹考虑、合理分配的话，则可以取得理想的经济效益以及技术突破。 2.3.2 并联电容补偿对电力系统的作用 并联电容补偿装置可以维持或

45、者是控制节点电压大小不会产生太大的波动，向电力系统攻击或从电力系统中获取有功功率，也可以向电力系统供给和吸取无功功率，通过控制功率大小的波动，阻尼系统的振荡，改变电力系统的动态特性，有效地增强电力系统的静态稳定性，采用快速可控并联补偿可以增强电力系统的暂态稳定性，改变系统的阻抗特性，从而也就提高了电力系统的电能质量。 2.4 两种补偿方式的比较 串联电容补偿也好，并联电容补偿也好，两者都能提高线路的输电能力，提高输电能力是在电力系统中采用补偿电容的目标。由于串联电容补偿技术技术相对来说更优越一些，投资比较节约，见效快。因此，串联电容补偿技术在电网，特别是大容量、远距离输电系统得到大范畴的应用。

46、在长距离的电力系统输电中，串联电容补偿相对于并联电容补偿来说具备以下几个方面的长处：串联补偿的调压效果更好一些，利用具有负值的电压降直接用来补偿线路中产生的电压损耗。串联电容补偿具有自动调压作用，可以随电流波动进行自我调压，当线路电流加大时，电感压降也上升，但与此同时电容的补偿电压也会升高，结果有自行调整末端电压的特点。此外，对于有无功冲击的负荷，可以有效地限制电压谐波产生。而且串联电容补偿能够起到新建线路或抬高电压供电的能力，节省投资，经济性良好。最重要的是，串联补偿的安装和运行灵活可靠，不但可以按需求容量分期进行配置，还可以轻易地组装到其他线路上去。第3章 对于串-串补偿与串-并补偿的研究

47、 3.1 非接触感应 非接触供电技术是利用了电力电子技术和电磁感应技术，可以说是两种技术的结晶产品。同样的说，非接触供电技术是实现无线供电的新型充电方式的途径。其形式上是将电能传输系统分离成了供电端和用电端两个部分，原理是通过原边和副边安全分离开的一种非接触的变压器，利用了高频磁场的耦合来实现点能的传输。因此其完成了供电侧和受电测之间没有物理连接就能传输电能的工作。可以说，此种供电使用及其安全且方便，在恶劣的环境中也能得到广泛的使用。 非接触谐振变换器按照所需求的供电电源的特征可以分为输入电流源和输入电压源两种类型。其中，输入电流源型的非接触变换器主要包括变压器原副边并-串补偿和并-并补偿两种

48、方式，电压源串联一个大电感来实现电能的输入；但是现在较为广泛使用的是输入电压源性变换器，这种类型的非接触谐振变换器主要包括串-串和串-并补偿以及LCL补偿等，前两种变换器也是最为常用的两种电路拓扑结构。 图3-1 给出了非接触的谐振变换器的框架电路图，其组成部分是以下几个逆变器、补偿部分、整流滤波部分还有负载。直流电压V经过逆变器，即开关网络的逆变成为了交变电压，此交变电压让变压器的原边和补偿电容发生谐振，产生一种高频的交变磁场，变压器的副边也会同样地产生一种感应电压，再由副边的补偿电容和整流滤波出直流电给负载进行供电。V副边原边图3-1 非接触谐振变换器框架 3.2 串-串补偿方式 图3-2

49、给出了原边副边（即初次级）均采取了串联电容器补偿的非接触的谐振变换器的电路拓扑结构。图中的符号分别表示的是：Cp表示原边补偿电容器，Cs表示副边补偿电容器，一个变比为n的非接触变压器Tr,四个整流二极管D1，D2，D3和D4，滤波电容Ca,负载。此图为忽略了开关网络，即逆变器的拓扑结构电路图形，开关部分可有直流电源加上四个IGBT管组成的桥式电路产生方波，或者是利用方波发生器外加受控源产生。如果只是考虑频率为50赫兹的基波部分的话，忽略高次谐波的话，开关网络的桥臂正中间的电压可以用正弦电压源对其进行等效替换。等效电路可以有图3-3进行表示。图3-2 串-串补偿方式的非接触变换器的电路拓扑图3-

50、3 串-串补偿等效电路 3.2.1 谐振变换器输出电压增益值 图3-4和图3-5分别为串-串补偿基波等效模型和串-串完全补偿等效电路。其中表示无线车载充电器的副边反射电流。图3-4 串-串补偿基波等效模型图3-5 串-串完全补偿等效电路所以可以求得输出电压增益为： （3-1）两个频率点的电压增益为： （3-2） （3-3） 当在频率为L或者H的条件下工作时，车载充电器变换器输出的电压的增益与其所受的负载没有关系，即负载改变时输出电压的增益Gv不定，这样可以使得车载充电器变换器在其所受负载变化时能稳定工作。 下面通过实例分析对上述讨论进行论证。假设存在这样一组非接触式变压器参数：LS_1=43.

51、22uH，LP_1=50.46uH，Ll1_1=22.43uH，Ll2_1=22.18uH，LM_1=27.96uH，n=0.887，同时最高耦合系数kmax为0.5314；选择原副边的谐振频率为200kHz，本文依据完全补偿原则（Z1=Z2=0）进行计算，得出原副边的补偿电容CP为27.23nF、CS为29.32nF。将以上非接触式变换器参数(下文中将简称为1#)代入上文中的3-1式中，运用工程计算软件MathCAD计算在不同负载条件下变换器输出电压的增益值，图中对高耦合系数条件kmax进行了标记。将以上非接触式变换器参数(下文中将简称为1#)代入上文中的3-1式中，运用工程计算软件Math

52、CAD计算在不同负载条件下变换器输出电压的增益值，图中对高耦合系数条件kmax进行了标记。其计算结果由图3-6表示。根据图3-6所示的输出电压增益曲线我们可以得知，频率范围从左至右分为三个区间。最左端的区间为低频区，从图中可以看出：随着频率的增大，输出电压的增益值也随之增大，成正比例关系；区为中频区，这一区间内的电压增益相对值比较大，但是增益的趋势不稳定，呈现非单调性，因此我们必须控制电路参数避免工作在该区间内，以免导致变换器工作不稳定；区间为高频区，随着工作频率的不断增大变换器的输出电压不断下降，呈现反比例关系。 图3-6 串/串完全补偿输出电压增益曲线1#参数- Mathcad计算结果 3

53、.2.2谐振变换器转移阻抗特性研究 当变压器匝比固定以及补偿电容参数值不变时，电压输出的增益值也是固定不变的。基于上述讨论论文下面将阻抗匹配、补偿的1#参数代入进行计算，得到不同负载下的谐振变换器转移阻抗特性的曲线图，如下图3-7所示。图3-7 串/串补偿方式转移阻抗特性曲线1#参数由图可以得知可以得出，右边的最大频率点H处转移阻抗相角等于0，这说明此处输入电压与副边电流方向相同，即是同相的；左边的最大频率点L处的转移阻抗相角为180°，即输入电压与副边电流反相。 现以第二组非接触式变压器参数为例说明：LP_2=43.86uH，LS_2=38.68uH，Ll1_2=33.04uH，L

54、l2_2=29.58uH，LM_2=11.85uH，kmin=0.2534；同时原副边补偿电容与1#参数相同。论文将该组参数(以下将简称2#参数)代入上文中的式3-1，同时论文运用工程计算软件MathCAD软件进行运算，从而得出在不同负载条件下谐振变换器输出电压的传输比。图3-8给出了通过工程计算软件MathCAD得出的计算结果。图3-8 串/串补偿方式下2#参数输出电压的增益值曲线- Mathcad计算结果由上图3-8可以得出可以得出，谐振变换器新出现了两个增益交点，分别是感性区的H_kmin和容性区的L_kmin，这两个频率点对应的输出电压的传输比仍不与负载相关，但数值上与1#参数稍有变化

55、。结合以上讨论，论文可以得出以下结论，串/串补偿方式下谐振变换器肯定会工作在相应的增益交点H处。当原副边补偿阻抗匹配，增益值为n，此时增益值不随负载和主电路参数改变而改变；当原副边补偿阻抗不匹配时，增益值才会受主电路参数改变的影响，随着参数值的改变而改变。 3.2.3 谐振变换器软开关特性研究论文通过谐振变换器的输入阻抗Zin可以分析其软开关特性、输入有功以及无功电流。激磁电感与副边等效电阻并联后，得到输入阻抗，很明显可以得出下述结论：感性的输入阻抗可保证原边开关管实现零电压开关，当负载越重时，其输入阻抗角越小，其环流损耗越小，但要实现软开关相对来说比较困难。可直观看出，在上述1#和2#两组参数条件下，输入阻抗在不同负载条件、完全补偿和部分补偿下的曲线如图3-9、3-10所示。由计算结果得出的结论是：负载越大，阻抗角越小，环流损耗相对较小。图3-9 串/串完全补偿输入阻抗曲线1#参数图3-10 串/串部分补偿输入阻抗曲线1#参数 3.2.4 谐振变换器