多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术提供一种多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统，该方法应用于无线电能传输系统时，以线圈间的互感值或谐振频率为优化参数，以传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数为目标函数，采用方法为通过优化谐振频率及其线圈间的互感值，运用多目标全局最优化的线性加权和法进行最优化设计，实现目标函数在可行域范围内的全局最优化。

【技术实现步骤摘要】
多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统
本专利技术涉及无线电能传输
，尤其涉及多目标全局参数优化方法及无线电能传输系统。
技术介绍
无线电能传输技术解决了移动设备的无线供电问题，在生物医疗、手持式电子设备、电动汽车等领域正受到越来越广泛的关注。在实际的无线电能传输系统的设计中，无线电能传输系统的输出功率、传输效率以及补偿电容上的电压应力等目标函数均会随着谐振频率的变化而变化，因此需要采取多目标全局最优化的参数设计方法详细分析无线电能传输系统的能量传输特性和电容电压应力特性，通过建立无线电能传输系统的数学模型，在建立的数学模型的基础上采取多目标全局最优化的方案实现目标函数的全局最优。目前，专利CN109256840A“一种发射端Buck控制的SS补偿型恒流无线充电电源以及充电方法”对发射端带有Buck控制的串串型无线电能传输系统的各个关键组成部分进行了分析，并说明此系统具有抗扰性强适合用于复杂电磁环境对的场合，但是对于系统效率、输出功率、电容电压应力等系统的关键评价指标没有提及。论文“感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化”(DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2010.33.007)采用一种新的效能积的方法对互感耦合参数进行了优化，在满足输出功率的基础上，该效能积方法对系统效率和输出功率等评价指标进行了优化，但是此方法的优化目标没有考虑电容电压应力，并且由于组成效能积的各个目标函数由于变化率和非线性程度的不同，导致目标函数在可行域范围内不一定是最优的。论文“任磊,薄翠梅,李俊,etal.SS型无线能量传输系统参数优化[J].电力电子技术,2016,50(7):74-77.”考虑了电容电压应力的影响，并采用综合优化系数的方法对无线电能传输系统进行了优化设计，该方法比效能积优化具有更高的传输效率、更低的电容电压应力，但是该方法同样由于目标函数变化率和非线性程度的不同，导致各目标函数在可行域范围内不一定是全局最优的。因此需要一种既考虑了系统效率、输出功率、电容电压应力又采用多目标全局优化的线性优化方法，本专利技术的多目标全局最优化参数设计方法的线性加权和法可以满足这种要求
技术实现思路
为了克服综合优化系数在无线电能传输系统优化设计中的不足，本专利技术以线圈间的互感值和谐振频率为优化参数，以传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数为目标函数，采用方法为通过优化谐振频率及其线圈间的互感值，运用多目标全局最优化的线性加权和法进行最优化设计，实现目标函数在可行域范围内的全局最优化。本专利技术提供一种多目标全局参数优化方法，包括根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数，求最优解，得出优化方案。优选的，包括所述无量纲目标函数包括传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数；所述传输效率为负载有功功率与输入有功功率的比值；所述功率传输系数为在某一个谐振频率点系统的输出功率最大时，其它谐振频率点对应的系统输出功率与此最大输出功率的比值；所述电容电压应力系数为某一个谐振频率点补偿电容上的电压应力最大时，其它谐振频率点对应的补偿电容电压应力与此补偿电容上的最大电压应力的比值。在本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，通过把输出功率和电容电压应力归一化为无量纲的功率传输系数β和电容电压应力系数σ，可以方便的将这两个目标函数与传输效率α进行统一的多目标全局最优化设计，避免了量纲的差异造成各目标函数不能全局最优化设计的缺点。在上述任意一项实施例中优选的，所述无量纲目标函数代入构建的多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：Z＝h1(-α)+h2(-β)+h3σ其中，α为传输效率、β为功率传输系数、σ为电容电压应力系数；h1、h2、h3分别为传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ的匹配权重。在上述任意一项实施例中优选的，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式后，多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：其中，w0为发射侧和接收侧的谐振角频率，M为发射线圈和接收线圈的互感值，Rp、Rs分别是发射端、接收端电感Lp、Ls的寄生电阻，R为负载电阻值。在上述任意一项实施例中优选的，按照如下方法对匹配权重进行设定：根据无量纲目标函数中重要程度对传输效率、功率传输系数，电容电压应力系数进行排序；按照排序位次对无量纲目标函数按照从大到小匹配权重，且所有权重之和相加为1。本实施例提供的多目标全局参数优化方法中，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。不仅可以为实际的无线电能传输系统的设计和应用提供指导，而且可以为无线电能传输系统的研究开辟一条新的途径。在上述任意一项实施例中优选的，在求取最优解时，包括绘制线性加权和函数Z与谐振频率的关系曲线，计算线性加权和函数Z在曲线峰值处的最优解。本专利技术还提供一种无线电能传输系统，应用上述所述的优化方法得出的优化方案，进行优化设置；包括高频交流电源、发射侧线圈、发射侧补偿电容、接收侧补偿电容、接收侧线圈、负载；所述高频交流电源与发射侧线圈和发射侧补偿电容连接，接收侧补偿电容与接收侧线圈和负载连接，发射侧和接收侧通过感应耦合传输电能。优选的，所述发射侧线圈和发射侧补偿电容谐振，接收侧补偿电容与接收侧线圈谐振，且谐振频率等于高频交流电源的频率时，通过感应耦合传输电能。在上述任意一项实施例中优选的，根据设定的发送和接收端的线圈电感值、电感内阻值、负载电阻值、交流电源的有效值及互感值，根据优化方案，进行电能传输。在上述任意一项实施例中优选的，所述优化方案中根据多目标全局最优化的评价函数最优解时的谐振角频率，进行电能传输。本实施例提供的应用多目标全局参数优化方法的无线电能传输系统，多目标全局最优化参数设计对重要的目标函数给予较大的权系数，同时避免传统的综合优化系数优化方法由于目标函数变化率的不同导致的误差，并且构造评价函数可以将多目标向量的优化问题转化为所有目标的线性加权求和的标量问题。优化后，采用使输出功率增加，谐振频率降低，谐振频率的下降可以在降低逆变器开关损耗的同时提高无线电能传输系统的安全性和可靠性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例提供的无线电能传输系统的结构框图；图2为一种用于无线电能传输系统的电路拓扑；图3为本专利技术实施例提供的多目标全局参数优化方法中线性加权和函数与谐振角频率的曲线关系图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多目标全局参数优化方法，其特征在于，包括/n根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；/n对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数；/n将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；/n以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数求最优解；得出优化方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种多目标全局参数优化方法，其特征在于，包括
根据无线电能传输系统的电路拓扑关系，设定无量纲目标函数对数据进行归一化处理；
对无量纲目标函数设定匹配权重，构建的多目标全局最优化的评价函数；
将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式；
以谐振频率为自变量，对多目标全局最优化的评价函数求最优解；得出优化方案。


2.根据权利要求1所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，包括所述无量纲目标函数包括传输效率、功率传输系数、电容电压应力系数；
所述传输效率为负载有功功率与输入有功功率的比值；
所述功率传输系数为在某一个谐振频率点系统的输出功率最大时，其它谐振频率点对应的系统输出功率与此最大输出功率的比值；
所述电容电压应力系数为某一个谐振频率点补偿电容上的电压应力最大时，其它谐振频率点对应的补偿电容电压应力与此补偿电容上的最大电压应力的比值。


3.根据权利要求2所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，所述无量纲目标函数代入构建的多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：
Z＝h1(-α)+h2(-β)+h3σ；
其中，α为传输效率；β为功率传输系数；σ为电容电压应力系数；h1、h2、h3分别为传输效率α、功率传输系数β、电容电压应力系数σ的匹配权重。


4.根据权利要求3所述的多目标全局参数优化方法，其特征在于，将无量纲目标函数换算为与谐振频率相关的表达式后，对多目标全局最优化的评价函数采用如下公式表示：



其中，w0为发射侧和接收侧的谐振角频率；M为发射线圈和接收线圈的互感值；Rp为发射端接收端电感Lp的寄生电阻；Rs是接收端接收电感Ls的寄生电阻，R为负载电阻值...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋成，王松岑，徐翀，吴晓康，魏斌，郑正仙，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国网浙江省电力有限公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11