本发明涉及大功率无线能量传输，尤其涉及无线配电中低压大容量无线变换装置及能量路由控制方法。
背景技术：
1、无线配电系统以无线电能传输技术为支撑，其具有灵活组合、无线互联、多端传输等特征，可满足非接触式灵活电能接入及获取、模块化扩展、带电插接、多端口柔性切换需求并实现高适配性电力调配，在配电网层面给整个新型电力系统提供更多灵活调节的能力和资源。
2、相关专业领域研究学者已在大功率无线电能传输磁耦合机构、拓扑建模分析、多端口能量有效聚合以及功率流控制上取得了大量的研究成果。目前已有学者研制出400kva大容量无线电能传输系统，但其对功率半导体开关器件的承载能力和开关速度要求极高，且磁耦合机构缺乏自适应抗偏移能力。针对群体负荷可靠无线供电，研究人员提出了负荷侧多端口并行式无线电能传输拓扑结构，但需配备额外的识别探测回路已预知负荷位置，且负荷间距离较近时易引起同频率回路间交叉耦合，影响磁耦合机构输出功率与传能效率。为保证多端口供能时的稳定性，技术人员提出了一种基于多频段磁场聚合重构的补偿拓扑架构，通过改变逆变器频率调制特定磁场，从而实现多负载稳定供能，但控制策略复杂，难以实际推广应用。
3、目前配电系统领域应用较多的多端口电力电子变压器(pet)承担着连接着不同电压形式、不同电压等级馈线的任务，其具有变换效率高、控制可靠性高、多端输出等优点。但大面积多元要素接入的新型电力系统要求传统pet走向多模块单元级联结构，以适应多样化潮流流动，这也导致其拓扑结构冗杂、模块及功率器件数量众多、体积庞大，从而造成现有基于模块化多电平换流器的pet结构灵活性及经济型差。且短时超高电力资源需求或高同时率下的功率冲击现象对pet的容量裕度带来了严峻挑战，难以适应无线配电系统对多端口潮流柔性控制、带电灵活插接及模块化扩展的需求。
技术实现思路
1、本发明提供无线配电中低压大容量无线变换装置及能量路由控制方法，用以解决现有技术中交流/直流/高频负荷电能高效、灵活、可靠分配及中低压无线互联和无线配电系统集成运行可靠性提升的问题。实现交流/直流/高频负荷多向能量路由协同管理。
2、本发明提供一种无线配电中低压大容量无线变换装置，包括：包括高频变换模块和多端口模块化插接电磁耦合机构；多端口模块化插接电磁耦合机构包括多组电磁耦合机构模块，每个电磁耦合机构模块均包括发射端补偿网络、接收端补偿网络、逆变器、接收端变换器以及与之对应的发射线圈和接收线圈；高频变换模块通过脉冲宽度与频率调制，实现功率流幅值及流向的调控。
3、根据本发明提供的一种无线配电中低压大容量无线变换装置，电磁耦合机构发射线圈包括三个互相解耦的线圈，矩形线圈及两个呈正交排布的双扭型线圈，接收线圈由两个呈正交布局的圆形线圈构成。发射和接收端补偿网络分别采用电感-电容-电容lcc及多重频率谐振dcc网络，实现发射端线圈及负载侧输出恒流。
4、无线配电中低压大容量无线变换装置可模块化扩展，单个模块磁耦合机构包括一个矩形发射线圈，两个双扭形发射线圈并呈正交排布形式，接收端由两个初始位置正交的圆形线圈构成；双纽形线圈布置于矩形发射线圈中间，其两端所通过的电流方向相反，根据纽曼公式，三个发射之间的互感可由下式计算
5、
6、其中mij表示线圈i和线圈j之间的互感；li和lj表示线圈i和线圈j的空间单位方向向量；dli和dlj表示线圈i和线圈j的积分元素；rij表示两空间单位方向向量末端的距离；μ0是真空磁导率。
7、在本发明中，双纽形线圈两端通过电流方向相反，其每部分与矩形式发射线圈或另一双纽形线圈之间产生的互感大小相同，符号相反，因此，三个发射线圈间的互感可表达为
8、
9、其中下标l、r、b、u分别表示双纽形线圈的左、右、下、上部分；其中左和右两部分对应发射线圈#2，即能量发射端口b，上和下两部分对应发射线圈#3，即能量发射端口c；矩形发射线圈对应发射线圈#1，即能量发射端口a。
10、根据式(2)和(3)，本发明所提出的无线变换装置磁耦合机构其相互之间交叉耦合为0，在进行多端口能量变换及传输时，传输功率及效率不会受到相邻另一发射端口的影响。两接收端在初始位置并不会产生交叉耦合，在通过旋转角度偏移调整功率流幅值时，两者一直保持正交形态，因此其交叉耦合一直为0。所述发射端a端频率与b端一致，系统存在两种高频变换模态，即fb和fc。
11、多端口无线变换及能量路由电路拓扑结构包括两种拓扑网架形式：电感-电容-电容谐振(lcc)补偿结构及多重频率谐振(dcc)补偿结构。其收发端电路网络kvl方程可表示为：
12、
13、其中上标i代表角频率ωb和ωc下各参数表达式；ztx，zrk，zvk，zhk分别表示发射线圈部分阻抗，接收线圈部分阻抗，多重频率谐振腔并联部分阻抗以及串联部分阻抗，itx，ipx分别表示发射端流经发射线圈和补偿电感的电流，其下表x表示不同发射端，irl，isk，irk分别表示流经对应接收线圈和整流的电流，其下标l和k表示不同接收端口，ita，itb表示发射端口a和发射端口b中发射线圈电流。ztx，zrk，zvk，zhk其阻抗表达式为：
14、
15、其中ltx表示发射端口线圈自感值，ctx表示与发射线圈串联的补偿电容容值，rtx表示发射线圈交流阻抗值；同理，lrk，crk，rrk，lvk，cvk，lhk，chk表示接收端两个网络回路中的电感值与电容值。
16、发射端采用lcc拓扑网络架构，lc谐振腔实现发射端横流输出，三个发射线圈分别对应三个谐振网络及与其联结的全桥h型逆变变换器；接收端采用dcc拓扑网络架构，引入额外的无源补偿原件，实现多重频率下的谐振以保证负载侧恒流输出，因矩阵式发射端不参与功率幅值及流向调制，在双重频率下其谐振网络元件参数调谐表达式为：
17、
18、联立求解网络方程(3)、(4)、(5)，接收端通道1和2的功率表达式为：
19、
20、其中umpi是你便输出电压均方根值，umisk是负载侧电压幅值大小，γik是在频率fi(i＝b，c)下逆变器输出电压与负载侧接收电压的相位差，此角度偏差也为后续功率幅值及流向的关键变量；mik为一个模块中第i个发射端(i＝a，b，c)与第k(k＝1，2)个接收端之间的耦合。
21、无线变换装置磁耦合机构能量发射端a与能量发射端b变换频率一致，其功率输出表达式psk(a)与psk(b)一致，但因两发射端磁路结构不同，互感大小不一致以及相关补偿元件参数不一致。因此，无线配电中低压大容量无线变换装置总输出功率表达式为
22、
23、其中psk表示接收端输出功率，上标(b)或(c)表示在一个三发射双接收的多重频率谐振补偿网络中不同接收端口的输出功率。
24、本发明还提供无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法，包括多端口功率流流向控制、功率流幅值控制及接收端角度偏移调控；功率流流向及幅值控制可通过逆变器开关与接收端变换器桥臂开关之间的相位差实现输出调制。接收端角度偏移调控采用预留参考角度矩阵与实时负载侧电流值进行比较，得到合适的角度偏移值，并进行相应的变换器开关角度调控。
25、无线变换装置的能量路由控制方法由接收端变换器实现，接收端变换器由4个时序控制开关构成，其中两个桥臂的开关ss2k和ss1k代表两个桥臂的控制时序信号，分别对应调控两种频率fi(i＝b,c)。调控变量γik由两种频率决定，考虑到发射端脉冲宽度调制信号对应的开关s1a和s2a与ss2k和ss1k之间存在相位差，引入表示两个桥臂开关之间上升沿的角度差值，其中下表k表示不同接收端口，并用αi(i＝b，c)表示逆变器开关在不同频率下的正脉冲宽度调制信号在一个周期内的持续时间，βik(i＝b，c)表示接收端变换器开关在不同频率下的正脉冲宽度调制信号在一个周期内的持续时间。基于此，逆变器输出电压与负载侧接收电压的相位差γik可表示为：
26、
27、谐振网络参数元件确认后，通过调整αi以及γik即可控制功率流流向即幅值大小，当γik的值被调整至π/2或者3π/2后，将不再会有无功功率传输至负载侧，为减少功率损失，γik的值被限制于π/2和3π/2之间。当固定发射端脉冲宽度调制角αi，所述功率流流向将由γik大小控制，功率流幅值将由βik大小控制。
28、功率流流向调控主要由γik控制，在能量路由初始阶段，系统根据单个模块中双负载侧功率阈值上限做出预估，即参考值prefk1和prefk2，通过假定γik单个截止限值，例如π/2，判断功率总和prefk与实时功率值的正负关系，如若两个值异号，此时γik＝3π/2，即可判断功率流向。
29、功率流幅值调控联结功率流流向调控模块及接收端角度调整模块，当对功率流流向判断完成后，如若输出功率未达到负荷侧需求值，则调节βik大小，使其偏差一定角度δβk以调整。
30、接收端角度调整由事先预留的角度矩阵与耦合系数关系来判断，当未达功率输出阈值时，首先由角度矩阵进行调控，在得知功率流流向后，再由βik调控幅值大小。所述预留角度矩阵为：
31、
32、其中表示无线变换装置接收端旋转角度。
33、角度调控向量及耦合系数矩阵为：
34、
35、其中k1，k2，k3表示一个无线变换模块中接收端a与三个发射端口之间的耦合系数。
36、该方法克服了配电中低压变换器与有缆接入的物理制约，实现了交流/直流/高频负荷多向能量路由协同管理。
37、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法。
38、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法。
39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40、(1)本发明提出的无线配电多端口无线能量传输及路由拓扑架构可满足风、光、储等多种新型能源系统的接入，提升了无线配电系统运行的经济性和可靠性，同时采用的无线电能传输技术避免了繁杂交错的电缆线路，节省了布线成本。
41、(2)本发明在发射端与接收端同时构造正交式结构，在保证磁耦合机构具有较好抗偏移能力的同时，避免了同频回路间因交叉耦合造成的功率损失和传输效率降低的现象。
42、(3)本发明提出在传统双边lcc补偿拓扑网络的基础上，在接收端引入额外的无源补偿元件，使得接收端可适应三种不同频率的可重构聚合磁场，有效满足不同功率等级负荷的用能需求。
43、(4)本发明引入了三个开关角延时可控变量，通过调控发射端和接收端开关时许信号的相位角差值，实现功率流的定向流动，防止接收端的误匹配，并利用逆变器移相角达到控制功率流幅值的目的。
44、(5)本发明为扩大磁耦合机构功率输出范围，在电力电子变换器功率流流向和幅值调控的基础上，引入了接收端旋转角度矩阵，极大提升了多端口无线变换装置能量路由的灵活性和可控性，同时每个功率调控环节可单独进行，避免了复杂的倒置化能量管理流程
1.一种无线配电中低压大容量无线变换装置，其特征在于，包括高频变换模块和多端口模块化插接电磁耦合机构；多端口模块化插接电磁耦合机构包括多组电磁耦合机构模块，每个电磁耦合机构模块均包括发射端补偿网络、接收端补偿网络、逆变器、接收端变换器以及与之对应的发射线圈和接收线圈；高频变换模块通过脉冲宽度与频率调制，实现功率流幅值及流向的调控。
2.根据权利要求1所述无线配电中低压大容量无线变换装置，其特征在于，发射线圈包括矩形线圈及两组呈正交排布的双扭型线圈，接收线圈包括两个呈正交布局的圆形线圈；发射端补偿网络采用电感-电容-电容lcc网络，接收端补偿网络采用多重频率谐振dcc网络，以实现发射端线圈及负载侧输出恒流。
3.根据权利要求1所述无线配电中低压大容量无线变换装置，其特征在于，两组呈正交排布的双扭型线圈为：两组双纽形线圈布置于矩形线圈中间，其两端通过的电流方向相反，其中，一组双纽形线圈每部分与矩形线圈或另一组双纽形线圈之间产生的互感大小相同，符号相反。
4.根据权利要求1所述无线配电中低压大容量无线变换装置，其特征在于，接收端变换器为全桥变换器，包括4个时序控制开关。
5.一种无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法，其特征在于，该方法用于权利要求1-4任意一项所述无线配电中低压大容量无线变换装置，该方法包括功率流流向控制、功率流幅值控制以及接收端角度调整；包括：
6.根据权利要求5所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法，其特征在于，功率流流向控制具体步骤如下：
7.根据权利要求5所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法，其特征在于，所述功率流幅值控制具体步骤如下：
8.根据权利要求5所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法，其特征在于，所述接收端角度调整具体步骤如下：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5至8任一项所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5至8任一项所述无线配电中低压大容量无线变换装置的能量路由控制方法。
