《電工技術學報》2019年度優(yōu)秀論文獲獎論文簡報

《光伏發(fā)電出力預測技術研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術學報》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國電工技術學會表彰。現(xiàn)將部分獲獎論文的文章簡報分享給各位讀者，以期促進本領域的技術交流。

電場耦合式無線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT）技術，是一種以高頻電場作為能量傳輸載體，并綜合利用電力電子技術、電工理論和現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)無直接電氣連接的電能傳輸技術。

該技術具有如下優(yōu)點：耦合機構簡易輕薄，成本低，形狀易變；在工作狀態(tài)中，耦合機構的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環(huán)境的電磁干擾很小；當耦合機構中或周圍存在金屬導體時，所產(chǎn)生的渦流損耗甚?。豢梢钥缭浇饘傥矬w進行傳能。

目前，全世界已有很多專家和學者圍繞EC-WPT系統(tǒng)的耦合機構、電能變換拓撲構建、系統(tǒng)建模與動力學行為特性分析、系統(tǒng)控制和參數(shù)優(yōu)化等理論方面展開了研究，并圍繞電動汽車充電、機器人和消費電子產(chǎn)品的供電或充電等許多領域的應用進行了探索，取得了豐富的研究成果。

團隊介紹

重慶大學無線電能傳輸技術研究所是國內(nèi)最早組建并專業(yè)從事無線電能傳輸技術研發(fā)及推廣應用的專業(yè)團隊。團隊目前擁有教授5人，副教授3人，講師和工程師4名，博士、碩士研究生100余人。團隊圍繞無線電能傳輸技術堅持不懈地開展了近20年的研發(fā)工作，已形成前沿探索、應用開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化應用的技術體系。

目前研究所擁有國家無線電能傳輸技術國際聯(lián)合研究中心、中國-新西蘭無線電能傳輸技術國際研究中心、重慶市無線電能傳輸技術工程中心等平臺，發(fā)起成立了中國電源學會無線電能傳輸技術及裝置專委會。研究成果已成功應用于電動汽車、數(shù)碼家電、石油勘探、電力系統(tǒng)裝備以及國防軍工等多個領域。在高水平論文、發(fā)明專利、專著以及獲獎等方面取得了一系列成果。在國內(nèi)外有一定的影響力并享有很高的聲譽。

蘇玉剛

1962出生，工學博士，重慶大學自動化學院教授/博導，重慶大學無線電能傳輸技術研究所副所長，國家無線電能傳輸技術國際聯(lián)合研究中心副主任。中國電工技術學會無線電能傳輸技術專業(yè)委員會委員，四川省電工技術學會常務理事。

研究方向為無線電能傳輸技術、電力電子與電氣傳動、控制理論應用與綜合自動化系統(tǒng)集成技術。曾在澳大利亞昆士蘭大學從事合作研究。近年來主持和主研了30多項國家級和部省級科研項目及企業(yè)合作項目，榮獲部省級科技進步二等獎4項，已受理和獲權的發(fā)明專利100余項，在國內(nèi)外重要學術期刊發(fā)表的SCI和EI檢索論文100余篇。出版專著2部。主持國家級教改項目1項，主編規(guī)劃教材2部。

研究背景

對于傳統(tǒng)的EC-WPT系統(tǒng)而言，極板的耦合電容較小，為增大系統(tǒng)傳輸功率和效率，通常需要串聯(lián)較大電感來補償其容抗，從而導致系統(tǒng)體積增大，且電感等效串聯(lián)電阻較大，損耗也增大。一般通過增大系統(tǒng)工作頻率，以減小串聯(lián)補償電感，從而達到增大輸出功率的目的。

然而頻率高達兆赫茲級的系統(tǒng)，開關管損耗必然會增大，而且系統(tǒng)的電磁干擾增大，控制難度也大大增加，這使得EC-WPT系統(tǒng)在實際應用中受到限制。在這種多約束的情況下，尋找一種既能減小補償電感、增大傳輸距離、降低參數(shù)敏感性，又能提高輸出功率和傳輸效率的拓撲結構和系統(tǒng)性的優(yōu)化設計方法尤為重要。

論文方法及創(chuàng)新點

圖1EC-WPT系統(tǒng)拓撲

本文對圖1所示的EC-WPT系統(tǒng)進行研究，在基于雙向LCC諧振網(wǎng)絡的參數(shù)配置方法基礎之上，提出了一種結合非線性規(guī)劃和自適應遺傳算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的優(yōu)化方法，對系統(tǒng)做多約束條件下的優(yōu)化，使系統(tǒng)在滿足所需輸出功率和系統(tǒng)ZPA、低激勵電壓、小補償電感等約束條件下，系統(tǒng)傳輸效率最大。以此算法對系統(tǒng)頻率f和并聯(lián)諧振電容與耦合電容比值k進行尋優(yōu)，將優(yōu)化后的f和k結合LCC諧振網(wǎng)絡的參數(shù)配置方法得到滿足上述約束指標的系統(tǒng)參數(shù)。

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)等效電路，首先給出系統(tǒng)約束條件，包括激勵電壓和工作頻率的約束、ZPA等式約束、補償電感最大值約束和輸出功率需求約束。

圖2 EC-WPT系統(tǒng)等效電路

為了克服以往算法易陷入局部收斂的問題，本文從種群進化的宏觀階段方面進行考慮，利用非線性規(guī)劃局部搜索能力強的特點，提出將自適應遺傳算法與非線性規(guī)劃相結合的優(yōu)化方法對系統(tǒng)進行優(yōu)化，使算法能快速收斂于全局最優(yōu)解。

利用智能優(yōu)化算法對EC-WPT系統(tǒng)進行優(yōu)化，必須先確定系統(tǒng)目標函數(shù)、約束條件以及待優(yōu)化參數(shù)。在負載電阻一定的情況下，系統(tǒng)中待優(yōu)化的參數(shù)包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓撲的對稱特性和LCC網(wǎng)絡的諧振關系，待優(yōu)化變量可以減少為k和f。

通過分析可知，EC-WPT系統(tǒng)的非線性規(guī)劃模型可表示為

本文將自適應遺傳算法與非線性規(guī)劃相結合對系統(tǒng)進行優(yōu)化，使算法能夠快速找到全局最優(yōu)解。系統(tǒng)參數(shù)設計與優(yōu)化流程圖如圖3所示，圖中E根據(jù)實際應用中所需功率等級而定，Cs根據(jù)實際應用中所需的傳輸距離和空間尺度而定，RL由實際應用中的供電對象決定。

圖3 參數(shù)設計與優(yōu)化流程圖

圖4 最優(yōu)解追蹤圖

表1 遺傳算法優(yōu)化得到的參數(shù)

為了對本文所提出的方法的可行性和有效性進行驗證，基于圖1所示的EC-WPT系統(tǒng)拓撲和優(yōu)化算法得到的系統(tǒng)參數(shù)搭建了如圖5所示系統(tǒng)實驗裝置。電感用利茲線繞制成空心電感，全橋逆變采用美國CREE公司的碳化硅MOSFET C2M0080120D，整流橋采用Infineon公司的碳化硅二極管IDW30G65C。

為了使系統(tǒng)在給定參數(shù)下能工作于ZVS軟開關狀態(tài)，以減小了開關管損耗，實驗中通過增大開關頻率讓其稍高于系統(tǒng)諧振頻率，使系統(tǒng)呈弱感性。圖6為系統(tǒng)逆變輸出電壓、電流和負載拾取電壓，電流稍滯后于電壓，與理論分析一致。實驗結果驗證了在減小補償電感、增大傳輸距離、降低參數(shù)敏感性的前提下，以及滿足系統(tǒng)多約束的條件下，系統(tǒng)性能得到進一步的提升。

圖5 EC-WPT實驗裝置

圖6 EC-WPT實驗波形

結論

本文針對EC-WPT系統(tǒng)的多約束條件下系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問題，在雙側LC型EC-WPT系統(tǒng)和LCC諧振網(wǎng)絡參數(shù)配置方法的研究基礎上，提出了一種結合非線性規(guī)劃和自適應遺傳算法的優(yōu)化方法，以系統(tǒng)效率為目標函數(shù)，在多約束條件下對系統(tǒng)頻率f和并聯(lián)諧振電容與耦合電容比值k進行尋優(yōu)，最終使系統(tǒng)在滿足所需功率的條件下效率最高，也解決了系統(tǒng)ZPA、低激勵電壓、小補償電感和傳輸距離之間相互制約的問題。

本文的成果對于高階復雜的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)在多約束條件下如何優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，提升系統(tǒng)的傳輸性能具有參考價值和理論指導作用，有利于進一步促進無線電能傳輸技術的發(fā)展。

引用本文

蘇玉剛, 吳學穎, 趙魚名, 卿曉東, 唐春森. 互補對稱式LCC諧振網(wǎng)絡的電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J]. 電工技術學報, 2019, 34(14): 2874-2883. Su Yugang, Wu Xueying, Zhao Yuming, Qing Xiaodong, Tang Chunsen. Parameter Optimization of Electric-Field Coupled Wireless Power Transfer System with Complementary Symmetric LCC Resonant Network. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2874-2883.