INT J CIRC THEOR APP 哈尔滨工程大学 尚浩等 | 无线电能传输系统中基于负能量反馈的失谐校正策略综合分析

文献速读

阻抗失配是无线电能传输（WPT）系统在动态环境中功率传输能力下降的关键问题。本文系统分析了一种基于负能量反馈的自主失谐校正策略，通过附加简单电路，将失谐状态产生的无功功率转换回有功功率，从而无需任何检测或控制电路即可维持系统谐振。该策略实现了谐振频率、参数与状态的完全解耦，在负载突变、线圈错位等干扰下仍能快速收敛至稳态，显著提升了WPT系统在恶劣环境中的鲁棒性与可靠性。

正文导读

阻抗失配是无线电能传输系统在深海等恶劣环境中长期可靠运行面临的主要挑战。在充电过程中，由谐振参数漂移和线圈错位等因素引起的随机阻抗波动会显著降低系统的功率传输能力。传统的解决方案，如频率跟踪和补偿参数调节，往往需要复杂的辅助检测与控制电路，增加了系统的复杂性和成本。

本文深入分析了一种基于负能量反馈的失谐校正策略。该策略的核心在于，利用一个由两个开关和一个储能电容构成的简单附加电路（图1），将失谐状态下产生的无功功率捕捉并转换回有功功率，从而实现自主的失谐校正。与现有技术相比，此方法最大的优势在于实现了谐振频率、谐振参数与谐振状态之间的完全解耦，无需任何辅助检测或控制电路即可工作。

图1 具备能量反馈特性的WPT拓扑结构

文章首先阐述了WPT系统在失谐状态下的能量构成，并详细推导了负能量反馈的逻辑原理，如图2。研究表明，通过精确设计附加开关的相位，可以捕获与电源电压相位差90度的无功电流分量，并将其能量存储起来。随后，这些能量被重新注入谐振网络，产生一个与系统有功电流同相的新电流分量，从而将无功功率转化为有功功率，使系统恢复谐振状态。

图2 使用负能量反馈进行失谐校正的逻辑流程图

文中进一步通过模态分析和迭代计算，从理论上证明了该反馈过程的收敛性，并分析了储能电容值对收敛速度的影响。实验部分构建了一台50W的原理样机，在纵向错位3-6厘米、横向错位达8厘米、角度错位达45°的严苛条件下进行了验证。结果表明，系统能够在负载突变后数毫秒内重新收敛至谐振状态，并在耦合强度连续波动时实时维持谐振，输出功率曲线平滑单调，峰值效率可达91.2%，如图3。与典型的SS-WPT拓扑对比实验证实，该方法在不牺牲效率的前提下，显著提升了系统在阻抗扰动下的功率传输能力和稳定性。

这项研究为WPT系统，特别是在动态、不确定环境下的应用，提供了一种高鲁棒性、低成本且无需复杂控制的失谐校正新方案。

图3 WPT系统的关键结果：(a) 功率-电压曲线, (b) 效率曲线

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