【摘 要】
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随着人类对海洋的重视程度不断提高,如何合理、高效地开发和管理海洋资源,已经成为当前海洋战略中不可或缺的一部分。水下装备诸如海洋浮标、水下无人潜航器等是人类认知和探索海洋中十分重要的工具。无线电能传输技术解决了传统电能传输系统操作复杂、可靠性较差、安全性较低等问题,目前正被广泛地应用于水下装备的电能供给中。针对水下装备中需要同时对多个负载进行稳压供电的情况,本文从实际需求出发,为携带多个次级的水下装
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随着人类对海洋的重视程度不断提高,如何合理、高效地开发和管理海洋资源,已经成为当前海洋战略中不可或缺的一部分。水下装备诸如海洋浮标、水下无人潜航器等是人类认知和探索海洋中十分重要的工具。无线电能传输技术解决了传统电能传输系统操作复杂、可靠性较差、安全性较低等问题,目前正被广泛地应用于水下装备的电能供给中。针对水下装备中需要同时对多个负载进行稳压供电的情况,本文从实际需求出发,为携带多个次级的水下装备设计了可行的无线电能传输方案。通过建立多次级松耦合变压器的互感模型以及供电系统的等效电路模型,本文对系统的逆变电路、补偿拓扑、多次级耦合器、驱动电路、整流电路等部分进行了详细的分析与设计。本文分析了水下多次级无线电能传输系统干扰的主要来源,提出了一种基于初级侧调节的稳压控制策略,并对控制器的各个环节进行了设计与参数整定;同时本文通过Matlab/Simulink与Ansoft Maxwell 3D搭建联合仿真系统验证了系统电路与控制方案的合理性与可行性,证明了所设计控制方案可以在初次级无通讯、次级无稳压电路的情况下维持输出电压的稳定;且与对比算法相比拥有更优秀的鲁棒性与抗干扰性。在稳压控制方案设计的基础上本文总结了控制器参数优化的步骤,根据次级输出电压在动态性能方面的需求提出了一种多目标参数优化算法:NSGA-Ⅲ/SDR,并对优化算法的流程和超参数进行了详细地分析与设计;同时本文完成了控制器参数优化的对比实验,证明了在水下多次级稳压系统中采用NSGA-Ⅲ/SDR算法的必要性与可行性。本文最后搭建了水下多次级无线电能传输系统实验样机,分析了样机中电流捕捉电路和闭环控制电路等部分的器件选型与工作原理,完成了次级等效性电能传输实验,并分别实现了冷启动阶段、次级数量增加/减少时与耦合间距增加/减少时的稳压输出实验;样机系统可以完成10V以上的稳压输出,传输总功率不低于150W,面对干扰时次级超调不超过10%,稳定时间不超过75ms,可以满足本课题组的水下装备供电系统在传输功率与动态性能等方面的应用需求。
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