本文是一篇电气工程论文，本文建立了计及海洋环境参数影响的水下无线电能传输系统模型。针对水下无线电能传输系统存在的输出电压和输出电压易波动和系统参数变化造成的系统谐振点偏移的问题，本文设计了一种频率跟踪-恒压/恒流组合控制策略。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
中国拥有漫长的海岸线、广阔的管辖海域和丰富的海洋资源。海洋经济已经成为沿海国家和地区经济增长的重要发展方向，发展海洋经济对于推动经济持续健康发展意义重大。随着海底资源勘探技术的发展，水下移动装备具有安全和可靠的能源供给也就显得十分重要[1]。目前，水下移动设备常用的能源补充方式主要包括人工换电和有线充电两种，然而这两种方式都需要进行直接的电气接触，并需要定期进行检修和维护[2,3]。第一种方式无法完成较长时间的水下作业，从而降低水下设备的灵活性。第二种方式需要严格密封的供电接口，同时充电线缆也制约着水下设备工作范围[4–6]。无线电能传输技术通过非接触的方式实现一次侧与二次侧间的电能传输，不存在传统能源供给方式中线缆老化、短路漏电和频繁地更换电池等问题，极大提高了能源补给的灵活性、稳定性和安全性，在特殊环境下发挥着独特的优势[7–10]。因此应用无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）是解决水下设备能源补给的重要途径。
目前，应用最广泛的无线电能传输技术主要分为两种：
（1）电场耦合式[11–13]：电场耦合式无线电能传输系统通过金属极板间的高频交互电场来完成能量传递。电场耦合式无线电能传输系统想要实现高效率高功率传输需要尺寸较大的极板和极高的极板间电压，这对实际应用场景有严格的限制。
（2）磁场耦合式[14–16]：磁场耦合式无线电能传输系统通过线圈产生高频的交变磁场来传输能量，此方法传输效率高，目前已广泛应用于可穿戴设备、电动汽车和家用电器的充电等领域。
1.2 国内外研究现状
在空气环境中，针对无线电能传输技术的相关研究已经得到了快速发展，并在多个领域实现了应用。但是，由于水下环境的特殊性和复杂性，无线电能传输系统的水下应用仍面临多方面的挑战。首先，海水介质相比于空气介质，具有较大的电导率和介电常数。在系统工作时会在线圈产生较大的涡流损耗[22,23]，降低系统的传输效率，同时，海水会在电路间产生寄生电阻、寄生电容等参数，增加了系统分析时的复杂度。此外，海水的压力、温度、盐度以及洋流等多方面因素同时作用在无线电能传输系统上[24–26]，这些影响对无线电能传输系统的稳定、高效工作提出了极大的挑战。
1.2.1 海洋环境对水下无线电能传输系统的影响
文献[27]研究了海水对无线电能传输系统运行的影响。通过将涡流损耗引入电路模型来建立改进的互感电路模型。通过对线路模型的分析，发现海水对WPT系统的影响主要在两个方面：涡流损耗和失谐。由于海水的电导率和介电常数远大于空气，海水中的电场分布与空气中的相比存在巨大差异，使电压电流的相位差发生变化，造成系统失谐。为了消除WPT系统初级侧的失谐，在初级电路中添加了补偿电感，以保持水下无线电能传输系统维持谐振状态。该文章通过添加补偿电感的方法解决了水下无线电能传输系统失谐的问题，但电感的加入提高了系统阶数，使系统变得更为复杂，更容易受到水下环境中其他因素的影响。
文献[28]对不同介质中的耦合机构的损耗分布进行研究，分析了空气、淡水、海水三种不同介质中的涡流密度和磁场分布。结果表明，三种介质中的绕组损耗和铁芯损耗基本相同。然而，不同介质的电导率和相对介电常数存在差异，各种介质中的涡流损耗是不同的。在空气中，不存在涡流损耗，在淡水中，涡流损耗极低，在海水中涡流损耗相对较大。低频条件下，随着线圈电流的增大，三种损耗都非线性地增长，其中绕组损耗的增加趋势最为显著。三种损耗中，绕组损耗是最高的，涡流损耗仅次于绕组损耗。该文章对不同介质下无线电能传输系统的主要损耗进行了分析，说明了无线电能传输系统在空气、淡水和海水中在不同工况下各种损耗的占比。但文章缺少对涡流损耗的定量分析。文献[29]对基于LCC-S补偿的水下无线电能传输系统的涡流损耗进行分析，提出在线圈结构以及环境介质一定的情况下，涡流损耗仅与电流和频率有关。当工作频率固定时，涡流损耗与电流平方的比值固定。
2 水下无线电能传输系统建模及传输特性研究
2.1 水下无线电能传输系统电路结构分析
水下无线电能传输系统电路结构如图2-1所示，整个系统由直流电源、高频逆变电路、谐振补偿网络、线圈、整流电路和负载组成[55]。输入系统的直流电经过高频逆变器产生高频的交流电，并通过补偿网络对电感线圈进行补偿。流过谐振网络的高频交流电经过发射线圈产生高频的交变磁场，接收线圈将高频的交变磁场能量转换为高频交流电，最后经过二次侧补偿网络以及整流滤波电路，得到直流电。整个过程实现了从发送端到二次侧的无接触供能。其中水下无线电能传输系统的负载多为水下设备的供能电池，电池的内阻随着电池电量的变化而发生变化。
2.2 水下无线电能传输系统建模
2.2.1 计及海洋环境参数影响的耦合线圈等效阻抗建模
耦合线圈是水下无线电能传输系统进行能量传输的关键部分，水下耦合线圈由发射线圈和接收线圈构成。本文所使用的线圈是由利兹线绕制成的平面螺旋线圈，从结构而言类似一个阻感模型。发射线圈和接收线圈在水下布置时，为了保证传输效率，两线圈通常是平行正对放置，此时两线圈会由于其自身的平面螺线结构及匝间布置结构产生分布电容。同时，海水环境中耦合线圈的涡流损耗也可表征为线圈上涡流电阻所产生的损耗。因此，发射线圈和接收线圈所组成的耦合机构可等效为图2-6所示的由电阻、电感以及电容串并联的等效阻抗模型。图中R1和R2分别为发射线圈和接收线圈的总阻抗，Lp和Ls分别为两线圈的自感，Ce-s和Ce-p分别为两线圈的分布电容，Le-s和Le-p为海水环境带来的线圈自感的变化量，Reddy-p和Reddy-s分别为原副边线圈由于涡流损耗引入的涡流电阻，C0为发射线圈与接收线圈间的分布电容。
水下环境线圈的涡流电阻由涡流损耗等效而来，因此需要对线圈产生的涡流损耗进行计算。海水环境中接收线圈与发射线圈位置如图2-7所示。在海洋环境中接收线圈和发射线圈正对，两线圈之间的空间充满海水，两线圈间的距离为d，I1和I2分别表示发射线圈和接收线圈中流过的电流。
3 水下无线电能传输系统恒压/恒流输出控制策略 ............................. 23
3.1 水下无线电能传输系统数学建模 ..................... 23
3.2 恒压/恒流控制策略研究 ............................ 26
4 频率跟踪-恒压/恒流组合控制策略 ......................... 33
4.1 频率跟踪-恒压/恒流组合控制策略设计 ................. 33
4.2 频率跟踪控制策略研究........................ 34
5 实验验证与分析 ............................. 45
5.1 实验平台搭建 ........................ 45
5.2 实验验证及结果分析 ......................... 48
5 实验验证与分析
5.1 实验平台搭建
（1）耦合线圈机构
水下无线电能传输系统中，进行能量传输的关键部分就是谐振线圈和补偿电容，通过两者实现电能从发送端到接收端的高效率无线传输，因此耦合机构设计是整个实验验证的最重要环节。本文设计的耦合线圈如图5-1所示，发射线圈和接收线圈均使用利兹线绕制在空心圆形线盘上，线圈结构为平面螺旋线圈。绕制匝数为20匝，线圈外直径为6cm，内直径为3cm。为了增强发射线圈与接收线圈的耦合，增大线圈的电感量，提升系统的效率及稳定性，在线圈背部贴有铁氧体磁芯。为了降低海水环境中线圈的涡流损耗，提高系统整体效率，本文搭建的水下无线电能传输系统的工作频率为85kHz。使用LCR测试仪得到85kHz下，发射线圈和接收线圈的电感值分别为165μH和79μH。
6 总结与展望
6.1 本文工作总结
水下环境复杂多变，存在海水温度、海水盐度、水流和海水压力等环境因素的干扰，这些干扰给水下无线电能传输系统带来了输出不稳定，系统失谐的问题。为了准确分析水下无线电能传输系统的传输特性，本文建立了计及海洋环境参数影响的水下无线电能传输系统模型。针对水下无线电能传输系统存在的输出电压和输出电压易波动和系统参数变化造成的系统谐振点偏移的问题，本文设计了一种频率跟踪-恒压/恒流组合控制策略。本文的主要工作包括：
首先，从无线电能传输系统的基本结构和各部分工作原理出发，确立了基于SS补偿的水下无线电能传输系统电路拓扑。建立了水下耦合线圈涡流损耗模型以及水下耦合线圈阻抗模型。结合海水环境中耦合线圈的阻抗变化，建立了水下无线电能传输系统电路模型。分析了海水环境对无线电能传输系统所产生的影响，通过有限元建模和仿真研究了水下无线电能传输系统磁场与涡流损耗分布特点。分析了线圈互感和负载电阻的变化对水下无线电能传输系统的影响。
其次，针对水下无线电能传输系统输出不稳定的问题，设计了基于移相控制的恒压/恒流输出控制策略。基于广义状态空间平均法建立了水下无线电能传输系统的数学模型。介绍了移相控制的工作原理，推导了水下无线电能传输系统移相角与输出电压电流间的关系式，得到了恒压/恒流控制的移相角约束条件。使用MATLAB/Simulink仿真软件对控制方法进行验证，结果表明本文设计的恒压/恒流控制策略能够实现负载变化时水下无
