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基于LCL-S拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法
资料介绍
分析了基于LCL-S拓扑的感应电能传输(IPT)系统的动态特性,旨在利用数字PI控制器提高负载电压动态响应.首先,利用广义状态空间平均建模方法得到IPT系统的大信号模型及稳态工作点.在此基础上,建立描述在IPT系统的输入受到扰动状态下的小信号模型.经实验样机与小信号模型阶跃响应对比证明,小信号模型能够较准确地描述IPT系统动态响应.然后,根据小信号模型,借助Matlab中PIDtool工具箱设计合适的PI控制器参数,提高IPT系统的负载电压响应特性.最后,通过实验证明设计的闭环数字 PI 控制器使 IPT 系统负载电压响应时间在12 ms左右.
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（完整内容请下载后查看）2018 年 1 月
第 33 卷第 1 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.33 No. 1
Jan. 2018
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.160914
基于 LCL-S 拓扑的感应电能传输系统的
建模与控制方法
林天仁 李 勇 麦瑞坤
（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）
摘要 分析了基于 LCL-S 拓扑的感应电能传输（IPT）系统的动态特性，旨在利用数字 PI 控
制器提高负载电压动态响应。首先，利用广义状态空间平均建模方法得到 IPT 系统的大信号模型
及稳态工作点。在此基础上，建立描述在 IPT 系统的输入受到扰动状态下的小信号模型。经实验
样机与小信号模型阶跃响应对比证明，小信号模型能够较准确地描述 IPT 系统动态响应。然后，
根据小信号模型，借助 Matlab 中 PIDtool 工具箱设计合适的 PI 控制器参数，提高 IPT 系统的负载
电压响应特性。最后，通过实验证明设计的闭环数字 PI 控制器使 IPT 系统负载电压响应时间在
12 ms 左右。
关键词：LCL-S 广义状态空间平均 小信号模型 数字 PI 控制器
中图分类号：TM712
Modeling and Control Method of Inductive Power Transfer System
Based on LCL-S Topology
Lin Tianren Li Yong Mai Ruikun
(School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China)
Abstract This paper analyzes the dynamics of an LCL-S based inductive power transfer (IPT)
system, and aims to improve its reference tracking performance by using a digital PI controller. Firstly,
The large-signal model of the IPT system and the steady-state operating point are derived with the help
of the generalized state-space averaging (GSSA) technique. Based on the previous work, the small-signal
model is established to describe how the load voltage will react to a perturbation in its input. Comparing
the step response of the small-signal model with the output of the experimental setup, the small-signal
model is nearly identical to the system dynamics. In other words, the proposed small-signal model can
describe the prototype well. Then, the Matalab’s PIDtool design toolbox is used to generate suitable PI
controller parameters for a fast response time in the load voltage according to the small-signal model.
Finally, experiments prove that the closed-loop digital PI controller is designed to ensure a fast response
time of approximately 12 ms in the load voltage step change.
Keywords：LCL-S, generalized state-space averaging, small-signal model, digital PI controller
技术通过非接触的方式实现从电源侧到用电设备的
电能传输，克服了传统接触式取电存在的接触火花、
漏电、受雨雪尘土影响等问题，已经被应用到轨道
交通、消费电子、特殊供电环境、工业生产以及家
用电器等多个领域[1-5]。
0
引言
感应电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）
铁路总公司科技研究开发计划课题(2014J013-B)、中央高校基本科
研业务费专项资金 (2682015CX021)和牵引动力国家重点实验室
自主研究课题 (2016TPL_T11) 资助项目。
IPT 系统通过一次电路线圈和二次电路线圈
之间的高频磁场近场耦合来传递能量，一、二次
收稿日期 2016-06-15 改稿日期 2016-08-25
万方数据
第 33 卷第 1 期
林天仁等 基于 LCL-S 拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法
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线圈等效为一个松耦合变压器模型，因为存在空
气间隙致使耦合系数很小，需要通过在一、二次
侧添加补偿电容使 IPT 系统谐振以提高传输效
率[6]。传统的补偿拓扑有 SS (series-series)、SP
(series-parallel) 、 PP (parallel-parallel) 和 PS
(parallel-series)[7]。然而，在一些应用场合下，传
统的LC 串联、并联补偿拓扑并不适用，改进的拓扑
如LLC、CLC、LCL 等补偿方式被广泛研究应用[8,9]。
其中，LCL 补偿拓扑因具有初级线圈恒流特性，电
流与负载无关等优点，近年来获得广泛关注[9]。
现有的针对电力电子变换装置的建模方法
主要有交流阻抗方法[10]、频闪映射方法[11]、开
关状态空间平均法[12]、广义相量变换法[13]、广
义 状 态 空 间 平 均 （ Generalized State-Space
Averaging，GSSA）法[14,15]。其中，广义相量变
换法适用于复杂系统建模，能够大大简化高阶
系统的复杂性[13]。GSSA 法[14,15]是一种分析低
阶谐振变换器（15 阶以下）的建模方法，不仅
能精确描述 IPT 系统的状态变量的动态响应，
同时能实现系统的优化设计和分析。文献[16]分
析了基于 LCL-T 拓扑的 IPT 系统供电电源的动
态特性，利用 GSSA 法建立谐振电路小信号模
型，并设计数字 PI 控制器[17,18]实现能量发射线
圈恒流控制，但模型并未涉及二次电路，未对二
次电路动态特性进行分析。
图 1 基于 LCL-S 拓扑的 IPT 系统结构
Fig.1 Structure of IPT system based on
LCL-S topology
一次部分与二次部分通过一次励磁线圈 Lp 和
二次接收线圈 Ls 磁感应耦合完成能量传递，互感由
系数 M 给出。在磁感应耦合作用下，接收线圈 Ls 中
产生的感生电动势通过串联谐振网络 Ls 和 Cs 构成
谐振。通过 VD1~VD4 构成的整流桥的整流作用及电
容 Cf 的稳压作用，将交流电压 uCD 转换为直流电压
向负载 RL 输出。
为了使 IPT 系统的功率因数为 1，需保证谐
振网络的谐振频率和逆变器工作频率 (ω = 2πf )
保持一致。当一次侧 LCL 谐振网络满足式（1）
时，一次侧处于谐振；当二次侧串联谐振网络满
足式（2）时，二次侧处于谐振，此时 IPT 系统
谐振。
1
本文在文献[16]的基础上，考虑包含一、二次电
路的完整电路模型，采用 GSSA 法分析基于 LCL-S
拓扑的 IPT 系统的动态响应特性，得到 IPT 系统的
大信号模型、稳态工作点和小信号模型。通过对比
IPT 系统的小信号模型与实验样机的响应特性，验
证小信号模型的准确性。在 Matlab 的 PIDtool 工具
箱中导入小信号模型求解合适的数字 PI 控制器，最
后通过实验验证了本文方法能有效提高负载电压的
响应特性。
（1）
（2）
ωL =
= ωL
1
ωC1
1
ωLs =
ωCs
其中
jωLp +1
jωCp
jω
（3）
L =
1
IPT 系统模型分析
1.2 IPT 系统数学模型
在 IPT 系统中，H 桥逆变器将直流电压逆变
为交流电压，采用移相控制技术可以改变逆变器
输出电压 uH [19]。移相控制技术如图 2 所示，逆变
器输出电压波形 uH 由四路开关管驱动信号 S1(t)、
S2(t)、S3(t)、S4(t)控制，其中 S1(t)、S2(t)为一个桥
臂，S3(t)、S4(t)为另一个桥臂。θ 表示驱动信号 S2(t)、
S3(t)导通之间的相位，即移相角。T 为开关周期，
T=1/f。
1.1 IPT 系统电路模型
典型的基于 LCL-S 拓扑的 IPT 系统结构如图 1
所示，系统分为一次电路和二次电路两部分。在一
次电路部分，直流电源 E 作为输入，S1、S2、S3、S4
构成 H 桥逆变器，用于将直流电压 E 逆变为交流
电压 uH。L1、C1、Lp 及 Cp 构成 LCL 型谐振网络，
其中 Lp 与 Cp 等效于电感 L。LCL 谐振网络的作用
是在一次励磁线圈 Lp 上产生正弦励磁电流。
万方数据
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