【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线电能传输(wpt)，尤其涉及一种多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法。
技术介绍
1、无线供电系统利用高频电磁场近场耦合原理，以高频磁场作为传输介质，通过发射线圈和接收线圈间的磁场耦合实现电能的无线传输。常见的两线圈无线供电系统主要由两个部分组成，一部分是连接在电源一侧的发射端，另一部分是位于负载侧的接收端，能量通过电磁感应的方式由发射端传输到接收端。无线供电系统具有电气与机械隔离的特点，可以用于高压、无尘等严苛的工作环境。
2、为了提高无线供电系统的传输距离，同时保持线圈之间的电气隔离，可在发射与接收线圈之间插入多个中继线圈，从而形成多中继无线供电系统。能量主要从第一个发射线圈，逐渐通过中继线圈，传递至接收线圈和负载。这种多中继无线供电方式可用于高压场景，如在电力输电线路杆塔上对监测设备进行供电等。
3、然而，由于多中继无线供电系统存在多个谐振环路，系统阶数高，其输入与输出特性在不同频率、不同负载条件下表现各异，难以保持一个较为稳定的系统状态，为多中继无线供电系统的平稳运行带来了挑战；此外，多个谐振环路中的补偿电容参数都不确定，求解空间大，设计难度高。
技术实现思路
1、本专利技术提供多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，解决的技术问题在于：多中继无线供电系统参数设计求解空间大、在负载变化下输入相角变化大、输出电压变化大。
2、为解决以上技术问题，本专利技术提供一种多中继wpt系统实现恒压输出零
3、s1、确定所述多中继wpt系统的初始工作频率为f0，所述交流源的输入电压为vin，无线能量传输方向上n个线圈中第i个线圈的自感为li，线圈之间的互感为mij，交流负载电阻为rleq，i,j＝1,…,n,i≠j；
4、s2、计算所述发射串联补偿电容、中继串联补偿电容、接收串联补偿电容的初始补偿电容参数；
5、s3、选择第k个补偿电容的参数ck作为可变参数，k≠n；在系统工作频率f的频率范围[fl,fh]内和第k个补偿电容ck的电容范围[cl,ch]内找出实现系统零相角输入特性的工作频率fzpa和电容参数czpa，fl、fh分别表示所允许的最低和最高系统工作频率，cl、ch分别表示所允许的第k个补偿电容ck的最小和最大参数值；
6、s4、在系统工作频率f＝fzpa、参数ck＝czpa以及其余补偿电容的值保持为初始值的条件下，计算第n个线圈环路的等效总阻抗zt,n；
7、s5、使得zt,n的虚部为0，计算第n个补偿电容的参数cn。
8、进一步地，在所述步骤s3中，在频率范围[fl,fh]内和ck的电容范围[cl,ch]内找出实现系统零相角输入特性的工作频率fzpa和电容参数czpa，具体包括步骤：
9、s31、在频率范围[fl,fh]内，以步长δf改变当前工作频率f；在电容范围[cl,ch]内，以步长δc改变当前补偿电容参数ck；
10、s32、计算多中继wpt系统的阻抗矩阵z的下三角阻抗矩阵zl、对角阻抗矩阵zd；
11、s33、根据矩阵zl、zd计算n个线圈环路中的前向电流，其中第i个线圈环路的前向电流表示为
12、s34、根据计算的前向电流和矩阵zl计算第k个线圈环路传递至第1个线圈环路的后向传递电流
13、s35、判断的幅值是否小于阈值，若是则将此时对应的f和ck分别记为fzpa、czpa，表示使系统实现零相角输入特性的f和ck；若否则返回至所述步骤s31。
14、进一步地，在所述步骤s32中，矩阵zl、zd分别表示为：
15、
16、其中，tpq为第p个线圈环路与第q个线圈环路之间的传递系数，p＝1,…,n-1,q＝2,…,n，p≠q；zt,i为第i个线圈环路的总等效阻抗。
17、进一步地，在所述步骤s33中，根据矩阵zl、zd计算n个线圈环路中的前向电流，包括步骤：
18、s331、根据zlvf＝v计算系统的前向电压向量vf，v是系统的输入电压相量，可以表示为：
19、
20、式中，vin为系统输入电压；
21、s332、根据zdif＝vf计算系统的前向电流向量if，其中第i个线圈环路的前向电流计算为：
22、
23、其中，表示第i个线圈环路的前向电压，为前向电压向量vf中的第i个元素；zt,i表示第i个线圈环路的总等效阻抗，为zd中的第i个元素。
24、进一步地，在所述步骤s34中，计算为：
25、
26、其中，为第k个线圈环路的前向电流。
27、进一步地，在所述步骤s2中，n个串联补偿电容中第i个串联补偿电容的初始补偿电容值ci计算为：
28、
29、进一步地，在所述步骤s4中，第n个线圈环路的等效总阻抗zt,n为对角阻抗矩阵zd的最后一个元素。
30、进一步地，在所述步骤s5中，使得zt,n的虚部为0的第n个补偿电容的参数cn由下式计算：
31、
32、其中，ωzpa＝2πfzpa为实现零相角输入特性对应的系统角频率，rn为接收线圈的等效内阻；cn0为第n个线圈环路补偿电容的初始值，im()表示虚部。
33、本专利技术提供的多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，通过先确定初始工作频率f0以及初始补偿电容参数，然后在系统工作频率f的频率范围[fl,fh]内和第k个补偿电容ck的电容范围[cl,ch]内找出实现系统零相角输入特性的工作频率fzpa和电容参数czpa，从而在系统工作频率f＝fzpa、参数ck＝czpa以及其余补偿电容的值保持为初始值的条件下，计算第n个线圈环路的等效总阻抗zt,n，最后计算出第n个补偿电容的参数cn。经该参数设计方法得到的参数fzpa、czpa、cn，使得多中继wpt系统在负载变化下可保持恒压输出特性和零相角输入特性，可解决多中继无线供电系统参数设计求解空间大、在负载变化下输入相角变化大、输出电压变化大的问题。
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1.多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，所述多中继WPT系统包括1个发射线圈环路、n-2个中继线圈环路和1个接收线圈环路，n≥3；所述发射线圈环路包括交流源、发射线圈、发射串联补偿电容；每个所述中继线圈环路包括中继线圈、中继串联补偿电容；所述接收线圈环路包括接收线圈、接收串联补偿电容和交流负载电阻；其特征在于，该参数设计方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在频率范围[fL,fH]内和Ck的电容范围[CL,CH]内找出实现系统零相角输入特性的工作频率fZPA和电容参数CZPA，具体包括步骤：
3.根据权利要求2所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S32中，矩阵ZL、ZD分别表示为：
4.根据权利要求3所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S33中，根据矩阵ZL、ZD计算n个线圈环路中的前向电流，包括步骤：
5.根据权利要求4所述的多中继WPT
6.根据权利要求1～5任一项所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，n个串联补偿电容中第i个串联补偿电容的初始补偿电容值Ci计算为：
7.根据权利要求1～5任一项所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于：在所述步骤S4中，第n个线圈环路的等效总阻抗Zt,n为对角阻抗矩阵ZD的最后一个元素。
8.根据权利要求1～5任一项所述的多中继WPT系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，使得Zt,n的虚部为0的第n个补偿电容的参数Cn由下式计算：
...【技术特征摘要】
1.多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，所述多中继wpt系统包括1个发射线圈环路、n-2个中继线圈环路和1个接收线圈环路，n≥3；所述发射线圈环路包括交流源、发射线圈、发射串联补偿电容；每个所述中继线圈环路包括中继线圈、中继串联补偿电容；所述接收线圈环路包括接收线圈、接收串联补偿电容和交流负载电阻；其特征在于，该参数设计方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤s3中，在频率范围[fl,fh]内和ck的电容范围[cl,ch]内找出实现系统零相角输入特性的工作频率fzpa和电容参数czpa，具体包括步骤：
3.根据权利要求2所述的多中继wpt系统实现恒压输出零相角输入的参数设计方法，其特征在于，在所述步骤s32中，矩阵zl、zd分别表示为：
4.根据权利要求3所述的多中继wpt系统实现恒压输出零相...
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