《电工技术学报》优秀论文：电场耦合式无线电能传输系统优化方法

《电工技术学报》2019年度优秀论文获奖论文简报

《光伏发电出力预测技术研究综述》等15篇优秀论文入选《电工技术学报》2019年度优秀论文，荣获中国电工技术学会表彰。现将部分获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。

电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT）技术，是一种以高频电场作为能量传输载体，并综合利用电力电子技术、电工理论和现代控制理论，实现无直接电气连接的电能传输技术。

该技术具有如下优点：耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；在工作状态中，耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当耦合机构中或周围存在金属导体时，所产生的涡流损耗甚小；可以跨越金属物体进行传能。

目前，全世界已有很多专家和学者围绕EC-WPT系统的耦合机构、电能变换拓扑构建、系统建模与动力学行为特性分析、系统控制和参数优化等理论方面展开了研究，并围绕电动汽车充电、机器人和消费电子产品的供电或充电等许多领域的应用进行了探索，取得了丰富的研究成果。

团队介绍

重庆大学无线电能传输技术研究所是国内最早组建并专业从事无线电能传输技术研发及推广应用的专业团队。团队目前拥有教授5人，副教授3人，讲师和工程师4名，博士、硕士研究生100余人。团队围绕无线电能传输技术坚持不懈地开展了近20年的研发工作，已形成前沿探索、应用开发以及产业化应用的技术体系。

目前研究所拥有国家无线电能传输技术国际联合研究中心、中国-新西兰无线电能传输技术国际研究中心、重庆市无线电能传输技术工程中心等平台，发起成立了中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会。研究成果已成功应用于电动汽车、数码家电、石油勘探、电力系统装备以及国防军工等多个领域。在高水平论文、发明专利、专著以及获奖等方面取得了一系列成果。在国内外有一定的影响力并享有很高的声誉。

苏玉刚

1962出生，工学博士，重庆大学自动化学院教授/博导，重庆大学无线电能传输技术研究所副所长，国家无线电能传输技术国际联合研究中心副主任。中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会委员，四川省电工技术学会常务理事。

研究方向为无线电能传输技术、电力电子与电气传动、控制理论应用与综合自动化系统集成技术。曾在澳大利亚昆士兰大学从事合作研究。近年来主持和主研了30多项国家级和部省级科研项目及企业合作项目，荣获部省级科技进步二等奖4项，已受理和获权的发明专利100余项，在国内外重要学术期刊发表的SCI和EI检索论文100余篇。出版专著2部。主持国家级教改项目1项，主编规划教材2部。

研究背景

对于传统的EC-WPT系统而言，极板的耦合电容较小，为增大系统传输功率和效率，通常需要串联较大电感来补偿其容抗，从而导致系统体积增大，且电感等效串联电阻较大，损耗也增大。一般通过增大系统工作频率，以减小串联补偿电感，从而达到增大输出功率的目的。

然而频率高达兆赫兹级的系统，开关管损耗必然会增大，而且系统的电磁干扰增大，控制难度也大大增加，这使得EC-WPT系统在实际应用中受到限制。在这种多约束的情况下，寻找一种既能减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性，又能提高输出功率和传输效率的拓扑结构和系统性的优化设计方法尤为重要。

论文方法及创新点

图1EC-WPT系统拓扑

本文对图1所示的EC-WPT系统进行研究，在基于双向LCC谐振网络的参数配置方法基础之上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的优化方法，对系统做多约束条件下的优化，使系统在满足所需输出功率和系统ZPA、低激励电压、小补偿电感等约束条件下，系统传输效率最大。以此算法对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，将优化后的f和k结合LCC谐振网络的参数配置方法得到满足上述约束指标的系统参数。

根据图2所示的系统等效电路，首先给出系统约束条件，包括激励电压和工作频率的约束、ZPA等式约束、补偿电感最大值约束和输出功率需求约束。

图2 EC-WPT系统等效电路

为了克服以往算法易陷入局部收敛的问题，本文从种群进化的宏观阶段方面进行考虑，利用非线性规划局部搜索能力强的特点，提出将自适应遗传算法与非线性规划相结合的优化方法对系统进行优化，使算法能快速收敛于全局最优解。

利用智能优化算法对EC-WPT系统进行优化，必须先确定系统目标函数、约束条件以及待优化参数。在负载电阻一定的情况下，系统中待优化的参数包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓扑的对称特性和LCC网络的谐振关系，待优化变量可以减少为k和f。

通过分析可知，EC-WPT系统的非线性规划模型可表示为

本文将自适应遗传算法与非线性规划相结合对系统进行优化，使算法能够快速找到全局最优解。系统参数设计与优化流程图如图3所示，图中E根据实际应用中所需功率等级而定，Cs根据实际应用中所需的传输距离和空间尺度而定，RL由实际应用中的供电对象决定。

图3 参数设计与优化流程图

图4 最优解追踪图

表1 遗传算法优化得到的参数

为了对本文所提出的方法的可行性和有效性进行验证，基于图1所示的EC-WPT系统拓扑和优化算法得到的系统参数搭建了如图5所示系统实验装置。电感用利兹线绕制成空心电感，全桥逆变采用美国CREE公司的碳化硅MOSFET C2M0080120D，整流桥采用Infineon公司的碳化硅二极管IDW30G65C。

为了使系统在给定参数下能工作于ZVS软开关状态，以减小了开关管损耗，实验中通过增大开关频率让其稍高于系统谐振频率，使系统呈弱感性。图6为系统逆变输出电压、电流和负载拾取电压，电流稍滞后于电压，与理论分析一致。实验结果验证了在减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性的前提下，以及满足系统多约束的条件下，系统性能得到进一步的提升。

图5 EC-WPT实验装置

图6 EC-WPT实验波形

结论

本文针对EC-WPT系统的多约束条件下系统参数优化问题，在双侧LC型EC-WPT系统和LCC谐振网络参数配置方法的研究基础上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法的优化方法，以系统效率为目标函数，在多约束条件下对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，最终使系统在满足所需功率的条件下效率最高，也解决了系统ZPA、低激励电压、小补偿电感和传输距离之间相互制约的问题。

本文的成果对于高阶复杂的电场耦合无线电能传输系统在多约束条件下如何优化系统参数，提升系统的传输性能具有参考价值和理论指导作用，有利于进一步促进无线电能传输技术的发展。

引用本文

苏玉刚, 吴学颖, 赵鱼名, 卿晓东, 唐春森. 互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J]. 电工技术学报, 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.

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《电工技术学报》3篇论文入选中国科协第六届优秀科技论文

11月8日，中国科协公布第六届优秀科技论文遴选计划入选论文。《电工技术学报》三篇论文成功入选，在此向获奖作者表示热烈的祝贺！

中国科学技术协会自2016年起每年组织开展“中国科协优秀科技论文遴选”，旨在遴选出在国际学术界有影响、在科技前沿有突破和建树、对原始创新有引领作用、对国家经济社会建设有重大贡献的优秀论文，提升我国在国际科技界的话语权，更好地提升科技创新能力和服务广大科技工作者。同时，通过学科集群专家推荐、牵头单位组织遴选、中国科协终审认定等程序，确定入选论文名单。

本届入选的95篇论文是2017年1月1日以来，发表在我国科技期刊上的优秀论文的代表。这些论文有的在基础研究前沿领域作出重要原始创新，对丰富和发展学科体系作出了积极贡献；有的在应用研究领域取得重要突破，解决重大工程技术难题，极大促进了技术创新和产业发展。发表上述优秀论文的期刊及编辑人员，为论文的编辑出版做了大量基础性工作，为吸引和凝聚高水平成果在我国科技期刊上发表作出了积极贡献。

在本届95篇获奖论文的发表期刊中，《电工技术学报》、《中国科学：地球科学》和《Science China(Life Sciences)》脱颖而出，入选的论文数量都达到三篇。

《电工技术学报》是电气工程领域综合性学术期刊，全面报道电气工程领域具有国际和国内领先水平的学术及科研成果，在电气工程学术界、工程界、教育界享有崇高的声誉，是我国电气工程学科最高水平的学术期刊之一。

入选论文（一）

论文信息： 姜慧， 邵涛， 章程， 严萍. 不同电极间距下纳秒脉冲表面介质阻挡放电分布特性[J]. 电工技术学报， 2017, 32(2): 33-42. Jiang Hui, Shao Tao, Zhang Cheng, Yan Ping. Distribution Characteristics of Nanosecond-Pulsed Surface Dielectric Barrier Discharge at Different Electrode Gaps. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(2): 33-42.

论文摘要： 电极间距是表面介质阻挡放电（SDBD）的一个重要结构参数。通过实验研究和仿真计算，研究电极间距对纳秒脉冲SDBD等离子体分布特性的影响，并从理论上分析类弥散和离散通道两种等离子体分布的形成机制。

实验研究表明，电极间距是造成两种典型特性及不同等离子体分布的关键结构参数。通过对放电区域外电场的仿真计算发现，不同电极间距下外电场分布形态和数值的差异，是形成两种不同等离子体分布模式的直接原因。

结合气体放电基本理论，分析认为：等离子体类弥散分布是由于流注前向发展和横向激发电离同时在起作用，而离散通道分布是因为流注通道以前向发展为主、横向电离作用较弱；两种等离子体分布模式形成的根本原因在于电场随时间的增大率和随空间的减小率以及流注通道的发展速度之间的匹配。

入选论文（二）

论文信息：刘国友， 黄建伟， 覃荣震， 朱春林. 高压大电流（4 500V/600A）IGBT芯片研制[J]. 电工技术学报， 2021, 36(4): 810-819. Liu Guoyou, Huang Jianwei, Qin Rongzhen, Zhu Chunlin. Development of Large Size IGBT Chip with High Power Capacity of 4 500V/600A. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 810-819.

论文摘要：提高绝缘栅双极晶体管（IGBT）单芯片电流容量，对减小封装器件芯片并联数、简化封装结构、改善芯片均流至关重要。该文基于高压、大电流、高可靠性IGBT应用需求，通过高压IGBT芯片坚强元胞设计及其协同控制技术实现了元胞之间的开关同步，通过光刻拼版技术解决大尺寸芯片的工艺制造，通过单芯片压接封装验证了大尺寸芯片设计及其性能，探索出一条大尺寸IGBT芯片设计、制造与验证的技术路径。

研究开发了全球第一片42mm×42mm大尺寸高压IGBT芯片，攻克了高压IGBT芯片内部大规模元胞集成及其均流控制的技术难题，首次实现了4500V/600A单芯片功率容量，具备优良的动静态特性和更宽的安全工作区，并可以显著提高IGBT封装功率密度与可靠性。

入选论文（三）​

论文信息：张国强， 王高林， 徐殿国. 基于无滤波器方波信号注入的永磁同步电机初始位置检测方法[J]. 电工技术学报， 2017, 32(13): 162-168. Zhang Guoqiang, Wang Gaolin, Xu Dianguo. Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Machines. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(13): 162-168.

论文摘要：针对无位置传感器内置式永磁同步电机（IPMSM）初始位置检测中，传统的基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难、二次谐波分量法信噪比低的缺点，提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM初始位置检测方法。

首先通过向观测的转子d轴注入高频方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信息，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后基于磁饱和效应，通过施加方向相反的d轴电流偏置给定，比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识；最后，通过2.2kW IPMSM矢量控制系统对提出的基于无滤波器方波信号注入的初始位置检测方法进行实验验证。

结果表明，所提方法收敛速度较快，可在IPMSM转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识和低速可靠运行，位置观测误差最大值为6.9°。

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