【SS拓扑】基于移相控制的磁耦合谐振无线电能传输系统仿真附Simulink仿真

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磁耦合谐振无线电能传输（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT）技术凭借非接触式供电、传输距离远、电磁辐射低等优势，已广泛应用于新能源汽车、医疗设备、智能家居、工业物联网等领域。其中，SS拓扑（发射端串联谐振、接收端串联谐振）因结构简洁、谐振特性稳定、易实现阻抗匹配，成为MCR-WPT系统的主流拓扑结构之一。

在实际应用中，MCR-WPT系统的传输效率与输出功率易受负载变化、传输距离偏移、线圈相对位置偏差等因素影响，导致系统性能波动。为解决这一问题，需引入高效的控制策略对系统输出进行动态调节。移相控制作为一种灵活的功率调节方式，通过改变逆变器输出电压的相位角，可实现对传输功率的连续调控，同时具备响应速度快、控制逻辑简单、易与谐振拓扑适配的优势，已成为MCR-WPT系统的核心控制手段之一。

当前SS拓扑MCR-WPT系统移相控制面临三大核心挑战：一是移相角变化会改变发射端等效阻抗，可能破坏系统谐振状态，导致传输效率下降；二是负载突变与传输距离变化时，移相控制的动态响应特性需进一步优化，避免输出电压/电流出现过冲；三是系统存在的线圈互感耦合、寄生参数等非线性因素，增加了移相控制策略的设计难度与仿真建模的精准性要求。因此，开展SS拓扑基于移相控制的MCR-WPT系统仿真研究，明确移相控制机理与系统参数的匹配关系，优化控制策略，对提升系统稳定性与传输性能具有重要意义。

本文针对SS拓扑MCR-WPT系统的功率调节需求，构建基于移相控制的系统仿真模型。首先解析SS拓扑MCR-WPT系统的工作原理与移相控制机理，随后设计系统核心参数与移相控制策略，基于仿真平台搭建完整系统模型，通过仿真分析移相角、传输距离、负载变化对系统输出功率与传输效率的影响，验证优化后移相控制策略的有效性，为实际系统设计提供理论支撑与仿真参考。

核心理论解析：SS拓扑MCR-WPT系统原理与移相控制机理

SS拓扑MCR-WPT系统的传输性能与移相控制效果密切相关，需从系统拓扑结构、谐振传输原理、移相控制机制三个层面明确核心理论基础，为后续仿真模型构建与控制策略设计提供支撑。

1. SS拓扑MCR-WPT系统结构与工作原理

SS拓扑MCR-WPT系统主要由直流电源、高频逆变器、发射端谐振网络、接收端谐振网络、整流滤波电路与负载组成，核心拓扑特征为发射端线圈（L₁）与发射端谐振电容（C₁）串联构成谐振回路，接收端线圈（L₂）与接收端谐振电容（C₂）串联构成谐振回路，其工作原理可分为三个阶段：

（1）电能逆变阶段：直流电源输出的直流电经高频逆变器转换为高频交流电，为发射端谐振网络提供激励信号；逆变器通常采用全桥拓扑结构，通过开关管的通断控制实现直流到高频交流的转换。

（2）谐振耦合传输阶段：发射端谐振网络在高频激励下产生谐振，形成强耦合磁场；接收端谐振网络通过磁耦合感应接收磁场能量，因发射端与接收端工作在同一谐振频率，实现能量的高效传输（即“磁谐振耦合”效应）；线圈间的互感M是能量传输的核心媒介，互感大小与线圈匝数、相对位置、传输距离密切相关。

（3）电能整流输出阶段：接收端谐振网络输出的高频交流电经整流滤波电路转换为直流电，为负载供电；整流电路通常采用全桥整流结构，滤波电路采用电容滤波或LC滤波，确保输出电压的稳定性。

SS拓扑系统的核心等效电路参数包括：发射端电感L₁、发射端谐振电容C₁、接收端电感L₂、接收端谐振电容C₂、线圈电阻R₁（L₁寄生电阻）、R₂（L₂寄生电阻）、互感M、负载电阻R_L。为实现谐振传输，需满足谐振条件：ω₀L₁=1/(ω₀C₁)、ω₀L₂=1/(ω₀C₂)，其中ω₀为系统谐振角频率，对应谐振频率f₀=ω₀/(2π)。

2. 移相控制的核心机理与功率调节规律

移相控制通过调节全桥逆变器中对角开关管的导通相位差（即移相角φ），改变逆变器输出电压的有效幅值，进而实现对MCR-WPT系统传输功率与输出电压的调控，其核心机理如下：

（1）逆变器输出电压调控：全桥逆变器的四个开关管分为两组对角臂（Q₁-Q₄与Q₂-Q₃），理想情况下，无移相时（φ=0°），两组对角臂交替导通，输出电压为方波，有效幅值U₁=U_dc（U_dc为直流电源电压）；引入移相角φ后，两组对角臂的导通时间存在重叠区，输出电压方波的占空比发生变化，有效幅值U₁随移相角增大而减小，其关系为：U₁=U_dc·(2φ/π - sin2φ/π)（φ∈[0, π/2]）。

（2）功率传输调节规律：SS拓扑MCR-WPT系统的传输功率与逆变器输出电压有效幅值U₁、线圈互感M、系统谐振状态密切相关。在谐振状态下，传输功率P与移相角φ的关系可表示为：P∝U₁²∝(2φ/π - sin2φ/π)²，即随着移相角φ从0°增大至90°，传输功率从最大值逐渐减小至0，实现功率的连续可调。

（3）谐振状态影响分析：移相角变化会改变发射端的等效阻抗，可能导致系统偏离谐振状态，引入额外的无功功率，降低传输效率。因此，在移相控制策略设计中，需结合阻抗匹配机制，确保系统在不同移相角下均能维持近似谐振状态，平衡功率调节范围与传输效率。

3. 移相控制与SS拓扑的适配性优化

为提升移相控制效果与SS拓扑的适配性，需从两个维度进行优化：一是参数匹配优化，通过合理设计谐振参数（L₁、C₁、L₂、C₂）与线圈结构，降低移相角变化对谐振状态的影响；二是控制策略优化，引入动态移相调节机制，根据负载与传输距离的变化自适应调整移相角，同时结合锁相环（PLL）技术实现系统谐振频率的实时跟踪，确保传输效率最优。

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