CN207882790U - 一种短路电流最大功率点跟踪电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短路电流最大功率点跟踪电路，包括无输入电容主电路，无输入电容主电路包括温差发电器和Boost升压电路；温差发电器的等效电路输出端与Boost升压电路输入端连接；Boost升压电路包括电感L₁；电感L₁与开关管S₁和开关管S₂连接；开关管S₂与输出滤波电容C₁和负载R_L连接，在无输入电容主电路Boost输入端连接输入电容C₂与开关管的串联支路，并通过数字控制芯片控制输入电容C₂是否接入电路。本实用新型通过分析温差片等效模型及Boost主电路工作模态，采集电感L₁电流，根据电感L₁电流上升段的电流值及其斜率计算温差片短路电流，并通过增量式PI控制器实现对温差发电短路电流法MPPT的最大功率点条件i_TEG＝I_SC/2的无差跟踪。

Description

一种短路电流最大功率点跟踪电路

技术领域

本发明属于温差发电的技术领域，具体涉及一种短路电流最大功率点跟踪电路。

背景技术

温差发电是一种利用热电材料实现热能到电能直接转换的技术，它具有无噪音、无振动、无有害物质排放、可靠性高、无磨损、移动方便、使用寿命长等优点。早期主要应用于航天与军事领域，随着技术进步，逐步应用到交通领域、工业废热余热回收及发电领域等。尽管温差发电片有了长足的发展，现在的效率依然较低，因此，为了充分利用能源，引入最大功率点跟踪技术(MPPT：Maximum power point tracking)，实现对温差发电片输出的最大功率传输。

半导体温差发电主要原理为赛贝克(Seebeck)效应，期间伴随着帕尔帖(Peltier)效应、汤姆逊(Thomson)效应、焦耳效应、傅里叶效应等。赛贝克效应又被称为第一热电效应：由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，这个电压被称为赛贝克电压，如下式：

ΔU＝α(T_h-T_o)

其中：α为材料的赛贝克系数；T_h为导体或半导体热端温度；T_c为导体或半导体冷端温度。

现有的温差发电MPPT方法存在如下的不足：

1、扰动观察法需要采集电压与电流两个量，且即使追踪到最大功率点仍然会不停地震荡；

2、电导增量法的实现同样需要测量电压与电流两个量，其工作在稳态时也会不停地震荡，且往往存在静差；

3、开路电压法是目前各文献中常用的方法，依托于温差发电片的固有特性，但为了采集到开路电压与平均电压往往需要多个开关管与电容，结构复杂，且在每次采样开路电压的时间段内，需要将TEG与主电路断开，使得这段时间TEG发出的电能浪费；

4、传统的短路电流法仅停留在理论阶段，实际中几乎不会采用，短路电源会带来诸多不稳定因素，且同样需要断开TEG与主电路的连接。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种短路电流最大功率点跟踪电路，以解决现有温差发电片最大功率传输效率低的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种短路电流最大功率点跟踪电路，其包括无输入电容主电路；无输入电容主电路包括温差发电器和Boost升压电路；温差发电器的等效电路为恒电压源V_oc与内阻R_in的串联；温差发电器的等效电路输出端与Boost升压电路输入端连接；Boost升压电路包括电感L₁；电感L₁与开关管S₁和开关管S₂并联连接；开关管S₂与输出滤波电容C₁和负载R_L连接；滤波电容C₁和负载R_L并联连接。

优选地，电感L₁一侧设有用于采集电感电流的数字控制芯片。

优选地，数字控制芯片型号为STM32F407VET6。

优选地，还包括有输入电容主电路；有输入电容主电路包括无输入电容主电路，以及与无输入电容主电路Boost升压电路输入端连接的输入电容C₂和开关管S₃的串联支路。

本发明提供的用于温差发电器的短路电流最大功率点跟踪电路及其控制方法，具有以下有益效果：

本发明通过分析温差片等效模型及Boost主电路工作模态，采集电感L₁电流，根据电感L₁电流上升段的电流值及其斜率计算温差片短路电流，并通过增量式PI控制器实现对温差发电短路电流法MPPT的最大功率点条件i_TEG＝I_SC/2的无差跟踪。

附图说明

图1为短路电流最大功率点跟踪电路无输入电容的***框图。

图2为短路电流最大功率点跟踪电路的无输入电容主电路的电路结构图。

图3为短路电流最大功率点跟踪电路的有输入电容主电路的电路结构图

图4为短路电流最大功率点跟踪电路的无输入电容主电路参数的波形图。

图5为短路电流最大功率点跟踪电路的有输入电容主电路参数的波形图

图6为短路电流最大功率点跟踪电路的电路结构开关管S1闭合时TEG与电感L1的诺顿等效变换电路图。

图7为短路电流最大功率点跟踪电路中短路电流、TEG输出电流计算及滤波流程图。

图8为短路电流最大功率点跟踪电路无输入电容主电路的软件控制流程图。

图9为TEG等效电路图。

图10为TEG V-I与P-I曲线图。

图11为无输入电容、短路电流和TEG输出电流有效值的波形图。

图12为无输入电容，等效TEG在不同开路电压条件下电感L₁电流、TEG输出功率和负载功率的仿真结果波形图。

图13为无输入电容，等效TEG在开路电压为20V时的电感L₁电流、TEG输出功率和负载功率的仿真结果细节波形图。

图14为有输入电容的电路结构及控制框图。

图15为有输入电容的短路电流实现MPPT的流程图。

图16为有输入电容，短路电流和TEG输出电流有效值的仿真结果波形图。

图17为有输入电容，等效TEG在不同开路电压条件下电感L₁电流、TEG输出功率和负载功率的仿真结果波形图。

图18为无输入电容，等效TEG在开路电压为20V时的电感L₁电流、TEG输出功率和负载功率的仿真结果细节波形图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，包括温差发电器和Boost升压电路，根据是否具有输入电容分为有输入电容和无输入电容两种情况。

无输入电容如下：

参考图1和图2，电路结构：温差发电器的等效电路为恒电压源V_oc与内阻R_in的串联，温差发电器的等效电路输出端与Boost升压电路输入端连接，Boost升压电路包括依次电感L₁，电感L₁与开关管S₁和开关管S₂连接，开关管S₁和开关管S₂均与负载连接；负载包括并联设置的电容C₁和负载R_L。

根据本申请的一个实施例，参考图7，将温差发电器模型等效为恒电压源Voc串联一个等效电阻Rin。参考图10，结合TEG的V-I与P-I曲线图和最大功率传输定理，当负载阻抗值等于TEG阵列内阻时，负载能获得最大功率。

将其应用到本发明的温差发电装置中，通过调节DC/DC变换器开关管的开关占空比，进而温差发电器的输出电流I等于I_SC/2。

电流采集，参考图1，在电感L₁的输出侧设置一数字控制芯片，数字控制芯片型号为STM32F407VET6，用于采集连续周期内电感L₁的电流值。温差发电器(以下称为TEG)型号为TEG1-199-1.4-0.5，持续温差150℃时内阻R_in的阻值为3.07Ω。

参考图4，电感L₁电流上升阶段，对应图4中0-DT阶段：

开关管S₁闭合导通，温差发电器为电感L₁充能，电感L₁电流逐渐上升，TEG内电阻R_in压降增大，输出电压V_TEG减小，温差发电器的短路电流为，

其中，I_SC为温差发电器的短路电流，L₁为变换器主电感的电感量，R_in为温差发电器的等效内阻，i_L为电感L1电流，i’_L为电感L1电流的一阶导数。

电感L₁电流下降阶段，对应图4中DT-T阶段：

开关管S₁断开，电感L₁与负载连接，并为电容C₁和负载R_L供电，电感L₁电流下降，TEG内阻R_in压降减小，TEG输出电压上升，电感L₁电流下降阶段的变化率为，

其中，Vo为负载两端电压。

参考图4和图6，在电感L1电流处于0-DT阶段时，将电路做诺顿等效变换，并对图6列写KCL方程：

根据电感L₁电流上升阶段的变化率、电感L₁电流下降阶段的变化率和变换后等效电路的KCL方程，计算得到短路电流的表达式，

由上式短路电流的计算可知，要求的短路电流的具体数值，至少需要两组独立的i_L与i’_L可以计算出短路电流I_SC。

短路电流值的计算：

由于数字控制芯片采集的电感L₁电流值为离散的点集，在较高的采样频率下，可以有一阶中心差商值近似替代电感L₁电流值。

在若干采集的电感L₁电流数据中，选择电感L₁电流上升阶段的任意两个点(不妨记为a点和b点)，分别计算其一阶中心差商值i′_L(a)，i′_L(b)，结合a点和b点的电感L₁电流值i_L(a)，i_L(b)，带入短路电流的表达式中，计算得到短路电流的具体值：

综上，要实现短路电流的解算，至少需要采集一个完整周期的电感L₁电流值。

参考图8，短路电流的滤波：

本发明是基于Boost变换器作为主电路拓扑，随着主开关管S₁和S₂的开通、关断，电压、电流随之脉动，同时，开关管导通、截止瞬间产生的尖脉冲沿主电路传输并叠加在电流波形上形成噪声，电路中出现与开关管工作频率相同或者奇数倍频率的噪声。一方面通过主电路线路传输到采样电路，另一方面，变换器主回路向周围空间辐射出大量电磁波，附近的信号放大电路受到电磁场干扰。数字控制芯片的ADC转换过程中常常会引入额外的噪声，包括输入相关噪声和量化噪声，这部分噪声只能通过数字控制芯片调用软件滤波器滤除。

本发明计算短路电流时，无输入电容的拓扑直接采集，有输入电容的拓扑会先将输入电容断开，此时的电流波形近似于三角波，根据周期三角波的傅里叶级数分析，三角波由基波与奇次谐波组成，对于开关频率为20KHz的变换器，若仅考虑三角波的7次谐波及以下成分，则要求滤波器的截止频率大于140KHz，太低的截止频率的滤波器会滤除过多有效成分，太高则会残留大量噪声信号。

开关管开通、关断瞬间的电流尖峰往往比较大，一阶低通滤波器并不能有效的滤除这样的尖峰信号，因此先对采集回的数据剔除毛刺、尖峰值，并用线性插值法补齐该点；随后经过加汉明窗的FIR低通滤波器滤除高频噪声。根据前文所述，在电流上升阶段取多组值计算相应的短路电流，鉴于前文所述的低通滤波器会滤除部分电流波形的有效成分，使得三角波在波峰、波谷的转折点处变得圆滑，若短路电流计算的数据点靠近波谷则会使计算得到的短路电流偏高，反之数据点靠近波峰则会使计算得到的短路电流值偏低。因此最后对多组短路电流采用中位值加均值滤波。

参考图1，温差发电片最大功率输出的实现：

打开开关管S₁，电感L₁为电容C₁和负载R_L供电，根据若干连续周期的所有电感L₁的电流值，计算其均方根，得到温差片输出电流的有效值i_TEG。记有效值i_TEG为反馈值，I_SC/2为期望值，并将反馈值和期望值的差值作为增量式PI控制的误差量。

记I_SC/2期望值为控制目标，计算电感L₁电流在若干周期内的均方根值，得到温差发电器的输出电流I，并根据增量式PI控制调节开关管S1的占空比，直至温差发电器的输出电流I等于I_SC/2，即实现了温差发电片最大功率的输出。

仿真验证：

参考图2，在MATLAB simulink下仿真，通过电压源串联定值电阻等效TEG阵列，电压源初始值为10V，0.3s后骤升为20V，0.6s时降为15V，定值电阻为5Ω。采用同步Boost变换器，电感为500μH，MOSFET导通电阻8mΩ，输出滤波电容220μf，负载为50Ω定值电阻，开关频率20KHz。则根据以上电气参数计算得到各阶段理论参数值下表所示。

参考图11-图13，从其仿真结果得到电参数如下表所示，

根据上表数据可知，短路电流估算准确度达99.84％，PI控制器能够实现对最大功率点的跟踪。由于TEG输出电压、电流波动较大，使得实际工作点在最大功率点附近有所波动。

本发明通过将温差发电器(TEG)的输出端和Boost升压电路，并仅需利用一个电流传感器(数字控制芯片)采集电感L1电流的实时数据，进而计算出短路电流，并通过短路电流调节TEG的输出电流，实现温差发电片最大功率的输出。

根据本申请的一个实施例，有输入电容主电路如下：

其电路结构如图3所示，流程如图15所示。并在MATLAB simulink下仿真。通过电压源串联定值电阻等效TEG阵列，电压源初始值为10V，0.3s后骤升为20V，0.6s时降为15V，定值电阻为5Ω。采用同步Boost变换器，输入电容100μf，电感为500μH，MOSFET导通电阻8mΩ，输出滤波电容220μf，负载为50Ω定值电阻，开关频率20KHz。

仿真各个参数波形参考图15-18，并从其可得有输入电容仿真结果参数，见下表：

根据上表数据可知，短路电流估算准确度趋于100％，PI控制器能够准确地追踪到最大功率点，且相较于无输入电容的方案，本方案能够有效降低TEG输出电压、电流纹波，提高整体效率。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种短路电流最大功率点跟踪电路，其特征在于：包括无输入电容主电路；所述无输入电容主电路包括温差发电器和Boost升压电路；所述温差发电器的等效电路为恒电压源V_oc与内阻R_in的串联；所述温差发电器的等效电路输出端与Boost升压电路输入端连接；所述Boost升压电路包括电感L₁；所述电感L₁与开关管S₁和开关管S₂并联连接；所述开关管S₂与输出滤波电容C₁和负载R_L连接；所述滤波电容C₁和负载R_L并联连接。

2.根据权利要求1所述的短路电流最大功率点跟踪电路，其特征在于：所述电感L₁一侧设有用于采集电感电流的数字控制芯片。

3.根据权利要求2所述的短路电流最大功率点跟踪电路，其特征在于：所述数字控制芯片型号为STM32F407VET6。

4.根据权利要求1所述的短路电流最大功率点跟踪电路，其特征在于：还包括有输入电容主电路；所述有输入电容主电路包括无输入电容主电路，以及与无输入电容主电路Boost升压电路输入端连接的输入电容C₂和开关管S₃的串联支路。