CN105811874A - 激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，属于激光无线电能传输的技术领域。本发明首先构建输出功率最大的SP结构以及TCT结构，针对SP结构以及TCT结构光伏阵列在不均匀光照下的研究存在局限性，提出相应的最优结构搜索算法来分别构建输出功率最大的SP结构和TCT结构，接着根据两种优化结构的最大输出功率择一作为光伏阵列最优串并联方式，实现了光伏阵列的最大功率输出。

Description

激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法
技术领域
本发明公开了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，属于激光无线电能传输的技术领域。
背景技术
随着电气设备日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差，不安全可靠等问题。尤其是在用电设备和供电系统存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好的优点，适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。
如图1所示为激光无线电能传输系统的通用结构，其中接收端的光伏阵列是重要部件，其转换效率对系统整体的电能传输效率有着直接的影响。但目前光伏阵列的转换效率最大为30％，其较低的转换效率阻碍了激光无线电能传输技术的发展和应用，因此提高光伏阵列的转换效率对提高激光无线电能传输效率具有重要理论意义和实际应用价值。
在系统中激光束照射到光伏阵列上的光斑均匀性较差，导致光伏阵列的输出特性受到很大的影响：一是全局峰值功率的降低，二是多峰值造成传统最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)控制技术的失效。尽管激光束照射到光伏阵列上的光斑是不均匀的，但是其光强分布却是确定的(呈高斯分布)。因此可以通过改变光伏阵列的串并联方式，调整不均匀光照在光伏阵列电气结构中的分布，来获得较高的输出功率。
通常光伏阵列的连接结构主要有串并联(series-parallel,SP)结构和完全交叉联结(totally-cross-tied,TCT)结构，如图2(a)和图2(b)所示。但是目前针对这两种结构在不均匀光照下的研究具有如下局限性：一是光伏电池所受光照强度比较简单，要么完全光照，要么完全遮挡；二是不均匀光斑比较规则。然而在激光照射下所形成的高斯光斑情况比较复杂，其光照强度按高斯曲线分布，中心光强最强，四周光强较弱。因此现有研究并不能很好的解决激光照射下光伏阵列输出功率不高的问题。为此需在SP和TCT结构的基础上研究激光照射下提高光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，通过设计快速、简便的最优结构搜索算法来选择SP结构、TCT结构光伏阵列，并以选取的组合方式的作为最优串并联方式，提高了激光照射下光伏阵列的转换效率，解决了现有技术在不均匀光照下研究SP结构和TCT结构具有局限性以及不均匀光斑影响光伏阵列输出功率的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，包括如下步骤：
A、优化光伏阵列SP结构：利用迭代方式构造输出功率最大的光伏阵列串联支路，每次迭代构造的串联支路在其最大功率点处的电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等；
B、优化光伏阵列TCT结构：利用迭代方式构造所受光照之和相等的光伏子阵列；
C、比较优化后光伏阵列SP结构和优化后的光伏阵列TCT结构，以输出功率最大的光伏阵列结构作为最优串并联方式。
作为所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法的进一步优化方案，步骤A所述优化光伏阵列SP结构的方法为：
A1、将电池元按照所受光强由大到小的顺序排列成电池元集合；
A2、选取电池元集合中的前n个电池元串联组成当前迭代构造的串联支路，n为正整数；
A3、比较在当前构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压：
在当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等时，返回步骤A2，
否则，在电池元集合中选取当前所受光照最强的电池元替换当前构造串联支路中光照次弱的电池，直至当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等，返回步骤A2；
A4、将每次迭代构造的串联支路并联后形成SP结构。
作为所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法的进一步优化方案，步骤B所述优化光伏阵列TCT结构的方法为：
B1、将电池元按照所受光强由大到小顺序排列成电池元序列；
B2、将电池元序列中各电池元依次添加到当前光强之和最小的子阵列中构成初始阵列T0；
B3、求初始阵列T0中所有电池元所受的平均光强G0、初始阵列T0中光强之和最大子阵列的光强之和与平均光强之差△G0max、初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和与平均光强之差△G0min；
B4、依次求取初始阵列中光强之和最大子阵列中第i个电池元与初始阵列中光强之和最小子阵列中第j个电池元之间的光强差△Gij，所述电池元j所受光强比电池元i所受光强弱；
B5、选择与△G0max和△G0min最接近的△Gij所对应的电池元进行互换，构建新阵列T1；
B6、在新阵列T1中光强之和最小子阵列的光强之和大于初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和时，用新阵列T1替代初始阵列T0，返回步骤B3重新优化光伏阵列TCT结构；否则，结束迭代。
再进一步的，所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法中，电池元所受光强由表达式：确定，
其中，x、y为电池元在光伏阵列坐标系中的坐标，Gx,y为电池元所受光强，G0,0为光伏阵列原点处的光强，Dx,y为电池元到光伏阵列原点的距离，w0为光斑半径，m表示光伏阵列的总行数，n为光伏阵列的总列数。
再进一步的，所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，利用MPPT控制技术确定最大功率点。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)考虑到现有技术中针对激光照射下光伏阵列效率最优的串并联组合方法的研究较少，本发明提出一种提高激光照射下光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法，首先构建输出功率最大的SP结构以及TCT结构，针对SP结构以及TCT结构光伏阵列在不均匀光照下的研究存在局限性，提出相应的最优结构搜索算法来分别构建输出功率最大的SP结构和TCT结构，接着根据两种优化结构的最大输出功率择一作为光伏阵列最优串并联方式，实现了光伏阵列的最大功率输出；
(2)考虑到在激光照射下所形成的高斯光斑情况比较复杂且高斯光斑的光照强度按高斯曲线分布的特性，本发明将电池元在光伏阵列坐标系下的坐标带入高斯光束的强度分布方程中以求得光伏电池元上的光强，从而可以确定符合高斯曲线分布特性的光强分布，是寻找提高激光照射下光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法的理论基础。
附图说明
图1是激光电能传输系统的通用结构图；
图2(a)是光伏阵列SP结构图；
图2(b)是光伏阵列TCT结构图；
图3(a)是3×3光伏阵列各个光伏电池的坐标图；
图3(b)是4×4光伏阵列各个光伏电池的坐标图；
图4(a)是3×3光伏阵列各个光伏电池上所受光照强度的理论计算值；
图4(b)是5×5光伏阵列各个光伏电池上所受光照强度的理论计算值；
图5是SP结构的最优组合算法的流程图；
图6是TCT结构的最优组合算法的流程图；
图7是5×5光伏阵列各个光伏电池上所受光照强度的理论计算值；
图8(a)是5×5SP结构光伏阵列排列前的串并联组合图；
图8(b)是5×5SP结构光伏阵列排列后的串并联组合图；
图9是5×5SP结构光伏阵列排列前后的功率-电压(P-V)曲线图；
图10(a)是5×5TCT结构光伏阵列排列前的串并联组合图；
图10(b)是5×5TCT结构光伏阵列排列后的串并联组合图；
图11是5×5TCT结构光伏阵列排列前后的功率-电压(P-V)曲线图；
图12是光伏阵列SP和TCT结构在排列后所得的串并联组合的P-V曲线仿真图；
图13是光伏阵列SP和TCT结构在排列后所得的串并联组合的P-V曲线实验图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明提出一种提高激光照射下光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法，首先构建输出功率最大的SP结构以及TCT结构，针对SP结构以及TCT结构光伏阵列在不均匀光照下的研究存在局限性，提出相应的最优结构搜索算法来分别构建输出功率最大的SP结构和TCT结构，接着根据两种优化结构的最大输出功率择一作为光伏阵列最优串并联方式，实现了光伏阵列的最大功率输出。
图3和图4给出了确定光伏阵列在激光照射下光强分布的方法。其中图3(a)和图3(b)分别以3×3和4×4阵列为例，给出了光伏阵列坐标系确定的方法。图中将光伏阵列简化成一个方形点阵，点阵中每个质点PV(x,y)表示为一个光伏电池，其中x和y为该质点在点阵中的坐标。令点阵中心为原点(0,0)，相邻点之间的距离为1，则质点PV(x,y)到点阵中心的距离为：
D x , y = x 2 + y 2 - - - ( 1 ) ,
则PV(x,y)上的归一化光照强度为：
G x , y G 0 , 0 = exp [ - 2 · ( D x , y ) 2 w 0 2 ] - - - ( 2 ) ,
式(2)中，G0,0为阵列原点处的光照强度，w0为光斑的半径，其表达式为：
w 0 = ( m - 1 2 ) 2 + ( n - 1 2 ) 2 - - - ( 3 ) ,
式(3)中，m和n为阵列的维度，即m表示阵列的总行数，n为阵列的总列数。
根据式(1)-式(3)，可知光伏电池PV(x,y)上的归一化光照强度为0到1之间的数值，如图4所示。图4(a)和图4(b)分别为3×3和5×5光伏阵列在激光照射下光强分布的示意图。该确定光强分布的方法为SP和TCT结构的最优组合算法的基础。
图5给出了SP结构的最优组合算法的流程图。其算法的主要思想为：算法通过每次迭代过程构造出阵列中的一条串联支路，该串联支路为当前所能构造出的所有串联支路组合中输出功率最大的那条支路。在每次迭代过程中，需满足如下约束条件：本次迭代寻找到的串联支路的最大输出功率对应的电压应与上次迭代所寻找到的最优串联支路的最大输出功率所对应的电压大致相等。否则本次迭代继续对串联支路进行调整，直至满足如上的约束条件。
算法的具体流程为：算法在进入迭代前，将阵列中所有光伏电池按所受光强由大到小排列成电池元集合A。之后算法进入迭代，在迭代过程中，算法取A中前m个电池构成串联支路Ck，则该支路Ck为当前所有串联支路组合中输出功率最大的那条支路。之后验算Ck最大功率点处的电压是否与上次迭代所寻找到的最优串联支路的最大输出功率所对应的电压相等。如果相等则进行下次迭代，否则用当前A中所受光照最强的光伏电池替换Ck中光照次弱的电池，并进行重新验算。
图6给出了TCT结构的最优组合算法的流程图。其算法的主要思想为：将阵列的每一行看成一个子模块，按照一定的排列规则重新排列阵列中的光伏电池元，使得每个子模块中各个光伏电池所受光照之和尽量相等，从而构造出光伏阵列TCT结构在激光照射下输出功率最大的串并联组合。
算法的具体流程为：首先算法将阵列中所有光伏电池按所受光强由大到小排列成电池元序列L。为了使阵列行与行之间所受光照之和尽量相等，算法依次将L中的光伏电池添加到当前光强之和最小的行中，从而构成基础阵列T0。之后算法在T0的基础上进行优化，使得T0中光照之和最强的行与光照之和最弱的行之间的光强差尽可能的小。算法首先计算T0中所有光伏电池所受光强的平均值G0。然后选择T0中光强之和最大和最小的行T0max和T0min，它们对应的光强之和为G0max和G0min。并计算它们的光强之和与平均光强G0的差△G0max和△G0min。之后依次取T0max中的电池与T0min中光照比其弱的电池进行比较，计算它们之间的光强差△Gij，其中i为T0max中第i个电池，j为T0min中第j个电池。之后选择与△G0max和△G0min最接近的△Gij所对应的电池进行互换，从而构成新的阵列T1。最后判断新阵列T1中光照之和最小的行所对应的光照G1min是否大于G0min，若G1min>G0min，则用T1取代T0重新进行优化，否则算法结束。
本发明的一个具体实例如下：以5×5阵列为例，图7为其在激光照射下的理论光强分布图。在图7所得的光强分布的基础上，通过SP结构的最优组合算法可得图8所示的排列示意图。其中图8(a)为排列前的组合，图8(b)为应用算法重新排列后得到的排列组合。图9为这两种结构对应的功率-电压(P-V)曲线，从图9中可知，光伏阵列在SP结构下，通过最优组合算法重新排列后其输出功率得到了提高。同样通过TCT结构的最优组合算法可得图10所示的排列示意图。其中图10(a)为排列前的组合，图10(b)为应用算法后重新排列后得到的排列组合。图11为这两种结构对应的P-V曲线，从图11中可知，光伏阵列在TCT结构下，通过最优组合算法重新排列后其输出功率得到了提高。图12和图13分别为光伏阵列SP和TCT结构在排列后所得的串并联组合对应的P-V曲线的仿真图和实验图，从图中可知对于5×5阵列在激光照射下选择TCT结构的最优串并联组合更有优势。

Claims (5)

1.激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、优化光伏阵列SP结构：利用迭代方式构造输出功率最大的光伏阵列串联支路，每次迭代构造的串联支路在其最大功率点处的电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等；
B、优化光伏阵列TCT结构：利用迭代方式构造所受光照之和相等的光伏子阵列；
C、比较优化后光伏阵列SP结构和优化后的光伏阵列TCT结构，以输出功率最大的光伏阵列结构作为最优串并联方式。
2.根据权利要求1所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，步骤A所述优化光伏阵列SP结构的方法为：
A1、将电池元按照所受光强由大到小的顺序排列成电池元集合；
A2、选取电池元集合中的前n个电池元串联组成当前迭代构造的串联支路，n为正整数；
A3、比较在当前构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压：
在当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等时，返回步骤A2，
否则，在电池元集合中选取当前所受光照最强的电池元替换当前构造串联支路中光照次弱的电池，直至当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等，返回步骤A2；
A4、将每次迭代构造的串联支路并联后形成SP结构。
3.根据权利要求1所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，步骤B所述优化光伏阵列TCT结构的方法为：
B1、将电池元按照所受光强由大到小的顺序排列成电池元序列；
B2、将电池元序列中各电池元依次添加到当前光强之和最小的子阵列中构成初始阵列T0；
B3、求初始阵列T0中所有电池元所受的平均光强G0、初始阵列T0中光强之和最大子阵列的光强之和与平均光强之差△G0max、初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和与平均光强之差△G0min；
B4、依次求取初始阵列中光强之和最大子阵列中第i个电池元与初始阵列中光强之和最小子阵列中第j个电池元之间的光强差△Gij，所述电池元j所受光强比电池元i所受光强弱；
B5、选择与△G0max和△G0min最接近的△Gij所对应的电池元进行互换，构建新阵列T1；
B6、在新阵列T1中光强之和最小子阵列的光强之和大于初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和时，用新阵列T1替代初始阵列T0，返回步骤B3重新优化光伏阵列TCT结构；否则，结束迭代。
4.根据权利要求2或3所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，电池元所受光强由表达式：确定，
其中，x、y为电池元在光伏阵列坐标系中的坐标，Gx,y为电池元所受光强，G0,0为光伏阵列原点处的光强，Dx,y为电池元到光伏阵列原点的距离，w0为光斑半径，m表示光伏阵列的总行数，n为光伏阵列的总列数。
5.根据权利要求1所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，利用MPPT控制技术确定最大功率点。
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