本发明涉及一种副边可重构的恒功率输出无线充电系统和方法，属于旋转导向钻井。
背景技术：
1、在旋转工况下，旋转电气设备已经被广泛应用到油气钻探、航天航空等领域。电刷和滑环是当前旋转工况下有线电能传输的主要设备，但是这种方式存在线缆接触不良、易产生电火花等问题，降低了供电设备的可靠性，影响了实际作业中系统的性能。近年来wpt技术(wireless power transfer technology)因其相比于有线电能传输技术具有安全、便捷、可靠、灵活等优点得到迅速发展。
2、对于旋转式wpt系统，稳定的传输功率和高效率是评价系统的关键因素。然而，由于接收侧位置具有随机性，在实际应用中普遍存在耦合结构难以完全对齐的情况。当耦合结构偏移造成耦合系数误差超过一定范围时，旋转式wpt系统的输出功率会急剧下降。此外，由于旋转设备复杂的外部使用环境和高速旋转的使用场景，会进一步导致耦合结构的振动和偏移。因此，需要旋转式wpt系统具有空间自由度，即能容忍一定程度的耦合结构偏移，从而具有相对稳定的传输功率。旋转式无线电能传输技术的应用，不仅提高了电能传输的可靠性，而且大大降低了系统设备的维护成本。
3、现有技术中通过具有相反输出特性的耦合结构相结合，使得系统的总输出电流或电压的变化量在一定范围内能够相互抵消，从而实现整体上输出的恒定。但现有技术中存在两组耦合拓扑结构相互影响相互干扰，以及系统的不稳定，出现电流振荡、频率分裂以及效率较低等问题。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种副边可重构的恒功率输出无线充电系统和方法，其能够在系统偏移的情况下，满足s-s工作模式和s-lcc模式的切换，且设计方法简单，输出稳定。
2、为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种副边可重构的恒功率输出无线充电系统，包括：高频全桥逆变电路、原边阻抗匹配网络、耦合线圈、副边阻抗匹配网络、副边拓扑切换网络和整流电路；所述高频全桥逆变电路的输入端与恒定电压源连接，所述高频全桥逆变电路的输出端与所述原边阻抗匹配网络的输入端连接，所述原边阻抗匹配网络的输出端通过所述耦合线圈与所述副边阻抗匹配网络的输入端连接，通过所述副边拓扑切换网络连接所述副边阻抗匹配网络的正负极，通过所述副边拓扑切换网络的开闭实现副边阻抗匹配网络的接入和切出，所述副边拓扑切换网络的输出端通过整流电路与负载连接。
3、进一步，所述耦合线圈包括第一电感、第二电感和第三电感，所述第一电感和第二电感串联，且与所述原边阻抗匹配网络的输出端连接，所述第三电感与所述副边阻抗匹配网络的输入端连接。
4、进一步，所述第一电感与所述原边阻抗匹配网络的正极输出端连接，所述第二电感与所述原边阻抗匹配网络的负极输出端连接。
5、进一步，所述原边阻抗匹配网络包括第一电容，所述第一电容设置在所述原边阻抗匹配网络的正极，其输入端连接高频全桥逆变电路，其输出端与第一电感连接。
6、进一步，所述副边阻抗匹配网络包括第二电容和第四电感，所述第二电容与所述第四电感串联，且所述第二电容和第四电感均设置在所述副边阻抗匹配网络的正极，所述副边拓扑切换网络设置在所述第二电容和第四电感之间。
7、进一步，所述副边拓扑切换网络包括第三电容和开关，所述第三电容的一端连接所述副边阻抗匹配网络的正极，另一端连接所述开关的一端，所述开关的另一端连接所述副边阻抗匹配网络的负极。
8、本发明还公开了一种副边可重构的恒功率输出无线充电方法，用于上述任一项所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，包括以下步骤：所述副边拓扑切换网络为可重构拓扑结构，当开关断开时，所述可重构拓扑结构工作在s-s模式；当开关断开时，所述可重构拓扑结构工作在s-s模式，当开关闭合时，所述可重构拓扑结构工作在s-lcc模式下，获得s-s模式和s-lcc模式在预设偏移情况下的输出功率；根据s-s模式和s-lcc模式在预设偏移情况下的输出功率，使所述可重构拓扑结构在预设增益偏差δ范围内恒功率输出，判断是否需要在s-s模式和s-lcc模式之间进行切换；根据所述可重构拓扑结构的切换方式，计算不同切换方式下对应的第三电容值；根据所述第三电容值，对恒功率输出无线充电系统的参数进行调节，使所述可重构拓扑结构在预设增益偏差δ范围内恒功率输出，并且在开关的作用下完成s-s模式和s-lcc模式之间的转换。
9、进一步，所述s-s模式下的输出功率ps为：
10、
11、所述s-lcc模式下的输出功率plcc为：
12、
13、其中，uin是输入直流电压；r是负载的电阻；ω是角频率；k是耦合系数；l1是第一电感；l2是第二电感；l3是第三电感；c3为第三电容。
14、进一步，所述可重构拓扑结构的切换方式包括：电路最初设置为s-s模式，切换为s-lcc模式。耦合系数的变化范围为kmin～kmax，其中kmin为最小耦合系数，kmax为最大耦合系数。初始状态无偏移，此时耦合系数为kmin，则ps对应pmax。此时第三电容的计算公式为：
15、
16、电路最初设置为s-lcc模式，切换为s-s模式，初始状态无偏移，此时耦合系数为kmin，则plcc对应pmax，此时第三电容的计算公式为：
17、
18、其中，
19、进一步，所述s-s模式和s-lcc模式之间的转换方法为：判断工作模式是否需要切换，若是进入下一步；监测开关支路的电流，判断其是否为零，若不为零，则继续监测，若为零，则进入下一步；闭合开关s，检查开关s是否实际闭合，若否则返回上一步，若是则开始在s-lcc模式下工作。
20、本发明的技术方案至少具有如下技术效果或优点：
21、1、本发明在无线充电系统电感线圈发生偏移的情况下，能够通过原边和副边的阻抗匹配网络，实现在可接受范围内的恒定输出功率，提高了系统的稳定性和鲁棒性。
22、2、副边拓扑切换网络通过开关控制便可实现系统输出模式的切换，这种切换电路无需原边和副边的辅助通信，更不需要添加额外的调频调相控制电路，降低了系统的复杂程度，减少了制造成本。
23、3、本发明整个系统仅使用一个开关器件，并对电路部分元器件做了等效优化，避免较多开关或元器件引起的功率损耗，简化了系统设计，提高了系统的整体效率。
1.一种副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，包括：高频全桥逆变电路、原边阻抗匹配网络、耦合线圈、副边阻抗匹配网络、副边拓扑切换网络和整流电路；
2.如权利要求1所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，所述耦合线圈包括第一电感、第二电感和第三电感，所述第一电感和第二电感串联，且与所述原边阻抗匹配网络的输出端连接，所述第三电感与所述副边阻抗匹配网络的输入端连接。
3.如权利要求2所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，所述第一电感与所述原边阻抗匹配网络的正极输出端连接，所述第二电感与所述原边阻抗匹配网络的负极输出端连接。
4.如权利要求2所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，所述原边阻抗匹配网络包括第一电容，所述第一电容设置在所述原边阻抗匹配网络的正极，其输入端连接高频全桥逆变电路，其输出端与第一电感连接。
5.如权利要求1-4任一项所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，所述副边阻抗匹配网络包括第二电容和第四电感，所述第二电容与所述第四电感串联，且所述第二电容和第四电感均设置在所述副边阻抗匹配网络的正极，所述副边拓扑切换网络设置在所述第二电容和第四电感之间。
6.如权利要求5所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，其特征在于，所述副边拓扑切换网络包括第三电容和开关，所述第三电容的一端连接所述副边阻抗匹配网络的正极，另一端连接所述开关的一端，所述开关的另一端连接所述副边阻抗匹配网络的负极。
7.一种副边可重构的恒功率输出无线充电方法，其特征在于，用于如权利要求1-6任一项所述的副边可重构的恒功率输出无线充电系统，包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的副边可重构的恒功率输出无线充电方法，其特征在于，所述s-s模式下的输出功率ps为：
9.如权利要求8所述的副边可重构的恒功率输出无线充电方法，其特征在于，所述可重构拓扑结构的切换方式包括：
10.如权利要求7所述的副边可重构的恒功率输出无线充电方法，其特征在于，所述s-s模式和s-lcc模式之间的转换方法为：
