CN106685337A - 一种太阳能无人机用分布式能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能无人机用分布式能源系统；其特征在于：至少包括：多个光伏组件；与每个光伏组件电连接的功率优化器；一条80V～120V的高压母线和一条27V～29V的低压母线；其中：每个功率优化器包括一个MPPT控制器和一个DC‑DC转换器；每个光伏组件的输出端子与一个DC‑DC转换器的输入端子电连接；光伏组件和DC‑DC转换器组件之间的输电导线与MPPT控制器连接；多个DC‑DC转换器依次串联后与80V～120V的高压母线连接，多个DC‑DC转换器依次串联后与锂离子电池组连接；多个DC‑DC转换器依次串联后通过一个DC‑DC转换器与低压母线连接。本发明能够提高光伏组件的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及空间飞行器用电源控制技术领域，特别是涉及一种太阳能无人机用分布式能源系统。
背景技术
太阳能无人飞机巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广，可执行多种任务，具有常规飞机不可替代的优势。太阳能无人飞机能源系统是利用光伏转换方式将太阳辐射能转换为电能，为无人机提供长期的动力能源。一天之内太阳电池阵的发电量很不均衡，一种合适的电源控制方式是非常必要的。无人机在起飞、巡航、降落阶段，太阳入射角、温度都有较大的变化，容易造成太阳电池阵工作点漂移，另外在蓄电池充电阶段其电压较低，会对太阳电池阵造成钳位，为了更好的利用太阳电池阵发出的能量，需采用一种合适的方式来对能源系统进行管理。
目前，通过检索出的现有技术为太阳能无人机能源管理系统的简单搭建，仅实现太阳能电池和锂电池的简单调度，并未考虑在实际飞行过程中飞行轨迹、机翼翼型曲度、工作温度和翼展长短等因素对能源系统功率利用率的影响，系统能源利用率较低。专利申请的技术方案是在充分考虑实际飞行过程中飞行轨迹、机翼翼型曲度、工作温度和翼展长短等影响因素的前提下，应用最大功率点跟踪技术(MPPT)构造分布式能源系统，结合储能电池将太阳电池分区域管理，实现单位区域内能量平衡。主要创新点是通过能源系统的分布式布局实现能源利用率的大幅提高，因此本发明具有一定的开拓意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种太阳能无人机用分布式能源系统，该太阳能无人机用分布式能源系统通过最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)技术，利用电力电子装置对光伏组件的端电压及输出电流进行实时调节，可以使其运行在最大功率点(maximum power point，MPP)上，从而可提高光伏组件的转换效率。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种太阳能无人机用分布式能源系统，至少包括：
多个光伏组件；
与每个光伏组件电连接的功率优化器；
一条80V～120V的高压母线和一条27V～29V的低压母线；其中：
每个功率优化器包括一个MPPT控制器和一个DC-DC转换器；每个光伏组件的输出端子与一个DC-DC转换器的输入端子电连接；光伏组件和DC-DC转换器组件之间的输电导线与MPPT控制器连接；多个DC-DC转换器依次串联后与80V～120V的高压母线连接，多个DC-DC转换器依次串联后与锂离子电池组连接；多个DC-DC转换器依次串联后通过一个DC-DC转换器与低压母线连接。
进一步：上述光伏组件有S个，S个光伏组件分为N组，每组有M个；每组的M个光伏组件分别与一个功率优化器连接后依次串联，N组串联后的彼此并联于高压母线上；其中：S、M、N均为大于2的自然数。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案：本发明为每一个光伏组件都配备一个功率优化器，以改变其输出特性，使其始终工作在最大功率点上，再将这种复合的单元进行串、并联连接，就可以组成一个高效率的光伏发电阵列，彻底解决集中式和组串式系统结构存在的问题。
每个复合单元由一个光伏组件、一个包含DC-DC转换器及MPPT控制器的功率优化器构成。由于每个组件都采用了MPPT技术，实现了输出功率的优化，因而光伏阵列中的每个组件都能充分利用太阳能资源，发挥出最大的作用，从而达到系统性能的整体优化。
附图说明
图1是本发明优选实施例的电路框图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种太阳能无人机用分布式能源系统，包括：
多个光伏组件；
与每个光伏组件电连接的功率优化器；
一条80V～120V的高压母线和一条27V～29V的低压母线；其中：
每个功率优化器包括一个MPPT控制器和一个DC-DC转换器；每个光伏组件的输出端子与一个DC-DC转换器的输入端子电连接；光伏组件和DC-DC转换器组件之间的输电导线与MPPT控制器连接；多个DC-DC转换器依次串联后与80V～120V的高压母线连接，多个DC-DC转换器依次串联后与锂离子电池组连接；多个DC-DC转换器依次串联后通过一个DC-DC转换器与低压母线连接。
进一步：上述光伏组件有S个，S个光伏组件分为N组，每组有M个；每组的M个光伏组件分别与一个功率优化器连接后依次串联，N组串联后的彼此并联于高压母线上；其中：S、M、N均为大于2的自然数。
如图1所示，本优选实施例建立一条母线电压80V～120V的能源系统，机载负荷设备通过推进母线二次变换获得一条27V～29V的设备供电母线。能源系统主要由薄晶硅太阳电池阵发电单元、锂离子电池组和能源管理器系统组成，能源管理器包含由若干个MPPT控制器和DC-DC转换器组成的功率优化器形成母线电压80V～120V为推进系统供电，通过DC-DC转换器二次变换获得一条27V～29V的设备供电母线。
在光伏发电系统中，光伏组件的功率除了与组件本身的特性有关外，还受外界环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。同时，负载的特性也对其输出功率也会产生直接的影响。在一定的外界环境条件下，通过最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)技术，利用电力电子装置对光伏组件的端电压及输出电流进行实时调节，可以使其运行在最大功率点(maximum power point，MPP)上，从而可提高光伏组件的转换效率。
在多个光伏组件通过串并联组合构成的光伏阵列中，许多因素会造成各个光伏组件输出特性不一致的现象，这些因素包括：①组件出厂参数的不一致性，组件运用过程中的老化状况不一致性；②由于尘土、赃物或云朵等障碍物的遮挡，造成组件所受阳光辐射产生差异；③由于安装环境及安装角度的差异，使得不同组件所受的辐射量、热梯度、反照率等存在差异。光伏组件特性不一致将对阵列的整体性能产生不利的影响。例如，在多个组件构成的串联回路中，总的输出电流由发电能力最差的组件限制，使得组串中其它组件的功率无法全部输出。
为了解决组件输出特性差异对整个光伏发系统造成的不利影响，提高系统的整体效率，最有效的手段就是采用分布式控制方式，通过对尽可能小的组件集合分别进行MPPT控制。其中，分布式MPPT系统主要包括两种拓扑形式，即组串式MPPT结构以及组件式MPPT结构。
组串式MPPT结构即组件串联后接逆变器，MPPT是由单台逆变器对组串的统一控制实现。应用条件为光伏组串输出电压在150-450V或者更高，功率等级可达几个kW左右。与多个组件串联支路直接并联后共用一个大型变流器的集中式MPPT结构相比，组串式结构主要有三个优点，即：①无需设置阻塞二极管，可降低阵列的损耗；②每个组串都有逆变器，可实现组串的MPPT，系统的扩展能力及冗余能力都较强；③不需要直流母线。
尽管组串式结构有很多优点，整个系统的性能也得到了提升，但只是将光伏组件的集合范围缩小到一个串联支路，支路内部各个组件的特性差异问题依然无法从根本上解决，由此造成的热斑现象、阴影造成的功率损失、功率多峰特性等问题仍无法解决。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (2)
1.一种太阳能无人机用分布式能源系统；其特征在于：至少包括：
多个光伏组件；
与每个光伏组件电连接的功率优化器；
一条80V～120V的高压母线和一条27V～29V的低压母线；其中：
每个功率优化器包括一个MPPT控制器和一个DC-DC转换器；每个光伏组件的输出端子与一个DC-DC转换器的输入端子电连接；光伏组件和DC-DC转换器组件之间的输电导线与MPPT控制器连接；多个DC-DC转换器依次串联后与80V～120V的高压母线连接，多个DC-DC转换器依次串联后与锂离子电池组连接；多个DC-DC转换器依次串联后通过一个DC-DC转换器与低压母线连接。
2.根据权利要求1所述太阳能无人机用分布式能源系统，其特征在于：上述光伏组件有S个，S个光伏组件分为N组，每组有M个；每组的M个光伏组件分别与一个功率优化器连接后依次串联，N组串联后的彼此并联于高压母线上；其中：S、M、N均为大于2的自然数。
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