CN114785168A - 基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法 - Google Patents

基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，先构建感应能量收集系统模型，在感应取能单元和负载之间设置半有源整流电路；然后，确定感应取能单元的磁芯截面积、饱和磁感应强度、感应线圈绕组匝数以及系统工作角频率；然后获取负载电阻值和感应取能单元的感应电流；最后根据相关参数确定最佳初始导通时间，并控制半有源整流电路的移相角度。该方法以系统非线性磁特性的阻抗匹配思路为基础，实现了宽负载范围、宽感应电流范围的最大功率输出，有效地提高了磁能量收集系统的输出功率密度。同时，只对半有源整流器的初始导通角实行控制，实现了负载或感应电流变化条件下系统的最大功率追踪，控制系统简单。

Description

基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法
技术领域
本发明涉及感应取能技术，具体涉及一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法。
背景技术
近年来，智能电网(Smart Grid,SG)一直在高速发展，以整合具有高供电可靠性的可再生能源。为保证SG的正常运行，常常通过无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)有效监控电器和电力线路的运行状态。WSN本身作为SG的关键基础设施，往往需要持续稳定的电源来实现。
传统意义上，电池被用作传感器网络节点的电源。然而，它们的容量有限，并且相对昂贵且不方便，特别是需要定期更换和维护。因此，非常需要具有自供电功能的WSN来克服上述缺点。能量收集(Energy Harvesting,EH)技术为传感器自供电提供了绝佳机会，能量收集是指从周围环境中收集固有能量，如太阳能、风能、振动能、电场能、磁场能等，然后将其转化为电能，给传感节点提供持续稳定的电能供给。由于磁能量收集(MagneticEnergy Harvesting,MEH)技术具有高功率密度，高供电可靠性，低成本，体积小等特点，被广泛应用在输电线路传感设备自供电领域。
目前的感应能量收集系统中，常常通过增加磁芯体积来达到功率提升的目的，这种往往会增加输电系统的负担，加大系统运行的风险。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提出一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，该方法能在不考虑非线性磁饱和特性对系统内阻抗的影响情况下，通过阻抗匹配的思路，利用半有源整流电路通过移相控制的方法对系统等效输出外阻抗进行调节，使内外阻抗实现匹配，在不同应用场景下精确实现最优移相角的控制，提升系统能量传输功率。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其关键在于，包括以下步骤：
S1：构建感应能量收集系统模型，在感应取能单元和负载之间设置半有源整流电路；
S2：确定感应取能单元的磁芯截面积A、饱和磁感应强度Bsat、感应线圈绕组匝数N以及系统工作角频率ω；
S3：获取负载电阻值RL和感应取能单元的感应电流，并确定感应电流有效值Is；
S4：按照
Figure BDA0003635748110000021
确定最佳初始导通时间t0opt，并按照最佳初始导通角α控制半有源整流电路的移相角度，从而实现阻抗匹配以满足系统最大功率追踪。
可选地，所述感应能量收集系统设置有控制器和电流传感器，所述半有源整流电路为二极管D1、二极管D2，MOS管S1和MOS管S2构成的有源可控整流电路；所述控制器通过电流传感器确定感应电流有效值Is，所述控制器还通过发出PWM波形控制MOS管S1和MOS管S2的移相角度。
可选地，在所述半有源整流电路的输出端设置有滤波电容。
可选地，所述负载可拆卸式连接在所述半有源整流电路的输出端，且负载等效电阻可变。
可选地，在所述负载接入所述半有源整流电路中时，检测负载电阻值RL，控制器确定电阻值RL。
可选地，所述感应取能单元包括套设在输电线上的环形磁芯和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组。
可选地，按照系统输出最大功率时的电磁等效关系确定取能角β，按照2α+β＝π的约束关系确定最优移相角α，从而根据最优移相角α控制MOS管S1和MOS管S2的初始导通角，在最佳初始导通时间点t0opt前，控制器输出高电平驱动MOS管S1和MOS管S2，在取能角β范围内，控制器输出低电平驱动MOS管S1和MOS管S2。
本发明的效果是：
本发明提出的一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，通过半有源整流电路，分析不同应用场景下的最大功率输出条件，以系统非线性磁特性的阻抗匹配思路为基础，实现了宽负载范围、宽感应电流范围的最大功率输出，有效地提高了磁能量收集系统的输出功率密度。同时，本发明只对半有源整流器的初始导通角实行控制，实现了负载或感应电流变化条件下系统的最大功率追踪，控制系统简单，具有良好的移相控制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的控制流程图；
图2为本发明的系统架构图；
图3为图2的等效电路原理图；
图4为本发明具体实施例中整流器输入电压电流、输出电流及负载电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，包括以下步骤：
S1：构建感应能量收集系统模型，在感应取能单元和负载之间设置半有源整流电路；
在本实施例中，感应取能单元包括套设在输电线上的环形磁芯和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组，半有源整流电路为二极管D1、二极管D2，MOS管S1和MOS管S2构成的有源可控整流电路；在半有源整流电路的输出端设置有滤波电容C，环形磁芯收集输电线周围的时变磁场，在感应线圈绕组末端感应出交流电压，经过半有源整流电路和滤波电容后为负载电阻提供稳定输出电压。
S2：确定系统固有参数，包括感应取能单元的磁芯截面积A、饱和磁感应强度Bsat、感应线圈绕组匝数N以及系统工作角频率ω；
S3：确定系统可变参数，包括获取负载电阻值RL和感应取能单元的感应电流，并确定感应电流有效值Is；
在感应能量收集系统中设置有控制器和电流传感器，控制器通过电流传感器确定感应电流有效值Is，针对负载固定的场景，负载电阻值RL可以预先设定在控制器中，针对负载可变的场景，负载可拆卸式连接在所述半有源整流电路的输出端，且负载等效电阻可变，具体实施时，在所述负载接入所述半有源整流电路中时，检测负载电阻值RL，控制器确定电阻值RL。
S4：按照
Figure BDA0003635748110000051
确定最佳初始导通时间t0opt，并按照最佳初始导通角α控制半有源整流电路的移相角度，从而实现阻抗匹配以满足系统最大功率追踪。
具体实施时，控制器通过发出PWM波形控制MOS管S1和MOS管S2的移相角度。此外，按照系统输出最大功率时的电磁等效关系确定取能角β，按照2α+β＝π的约束关系确定最优移相角α，从而根据最优移相角α控制MOS管S1和MOS管S2的初始导通角，在最佳初始导通时间点t0opt前，控制器输出高电平驱动MOS管S1和MOS管S2，在取能角β范围内，控制器输出低电平驱动MOS管S1和MOS管S2，具体控制效果如图4所示。
结合图3可以看出，负载上电流为IL，二次侧等效阻抗和等效输出外阻抗分别为Zseq和Zout，根据上述过程可以理解，忽略磁芯励磁与涡流损耗、原副边漏磁损耗和二次侧绕组损耗，简化系统取能模型，可以进行理想化等效，具体设计思路分析如下：
根据能量守恒，整流器前端的有功功率应等于负载上消耗的有功功率：
Pa＝PL (1)
Pa的平均值等于瞬时功率积分的平均，即：
Figure BDA0003635748110000052
其中，ω＝2π/T为系统的工作角频率，T是系统的工作周期。
负载电流可以表示为：
Figure BDA0003635748110000053
负载功率表示为：
Figure BDA0003635748110000054
因此，等效外阻抗可以表示为：
Figure BDA0003635748110000061
由上式(5)可知，等效外阻抗可以通过初始导通时间t0和系统取能时间tsat的调节进行控制。
根据法拉第电磁感应定理，磁芯累积磁通量等于感应电压与时间的积分，表示为：
Figure BDA0003635748110000062
其中，us为副边感应电压，“2”表示为磁感应强度从-Bsat到+Bsat的过程。
基于电路定理，us可以表示为：
us＝is|Zseq| (7)
对副边电压和电流进行傅里叶分析，得出基波分量为：
Figure BDA0003635748110000063
将式(3)代入式(8)，∣Zseq∣可以表示为：
Figure BDA0003635748110000064
将式(7)和(9)代入式(6)，系统存在的磁特性关系为：
Figure BDA0003635748110000065
结合式(4)和式(10)，系统输出功率可以通过调节初始导通时间t0和系统取能时间tsat进行控制，而初始导通时间t0和系统取能时间tsat由于磁特性的限制存在特定的耦合关系。因此通过对输出功率求极值可以在考虑非线性磁特性的情况下实现最大功率输出。
在式(10)的基础上，输出功率对初始移相角进行求导，一次导公式表示为：
Figure BDA0003635748110000071
其中，a、b、c表示为:
Figure BDA0003635748110000072
d较为复杂，包含了三角及高次函数等，表示为：
Figure BDA0003635748110000073
在一个取能周期中，存在如下限制：
Figure BDA0003635748110000074
因此，b不可能为零，通过绘制三维图，发现d恒大于零。根据式(10)，c也不为零，即：若系统输出最大功率，式(11)为零，即a为零时，系统输出功率最大，此时系统内外阻抗实现匹配。此时恒成立的条件表示为：
2α+β＝π (15)
将式(15)代入式(10)，可以得出输出最大功率时的最优初始导通时间t0和系统取能时间tsat可以表示为：
Figure BDA0003635748110000075
从理论上，α必须小于π，β必须大于0，在系统磁特性限制下，α和β存在耦合关系，每一个α对应一个特定的β，通过对α的调节对等效外阻抗进行调节，最后发现当2α+β＝π时，即阻抗角为0，系统输出最大功率。基于不同应用场景下的取能参数，通过PWM发波控制S1和S2的移相角，精确实现磁能量收集系统的最大功率追踪。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建感应能量收集系统模型，在感应取能单元和负载之间设置半有源整流电路；
S2：确定感应取能单元的磁芯截面积A、饱和磁感应强度Bsat、感应线圈绕组匝数N以及系统工作角频率ω；
S3：获取负载电阻值RL和感应取能单元的感应电流，并确定感应电流有效值Is；
S4：按照
Figure FDA0003635748100000011
确定最佳初始导通时间t0opt，并按照最佳初始导通时间t0opt控制半有源整流电路的移相角度，从而实现阻抗匹配以满足系统最大功率追踪。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，所述感应能量收集系统设置有控制器和电流传感器，所述半有源整流电路为二极管D1、二极管D2，MOS管S1和MOS管S2构成的有源可控整流电路；所述控制器通过电流传感器确定感应电流有效值Is，所述控制器还通过发出PWM波形控制MOS管S1和MOS管S2的移相角度。
3.根据权利要求1或2所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，在所述半有源整流电路的输出端设置有滤波电容。
4.根据权利要求2所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，所述负载可拆卸式连接在所述半有源整流电路的输出端，且负载等效电阻可变。
5.根据权利要求4所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，在所述负载接入所述半有源整流电路中时，检测负载电阻值RL，控制器确定电阻值RL。
6.根据权利要求1所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，所述感应取能单元包括套设在输电线上的环形磁芯和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组。
7.根据权利要求2所述的基于阻抗匹配的感应能量收集系统最大功率追踪方法，其特征在于，按照系统输出最大功率时的电磁等效关系确定取能角β，按照2α+β＝π的约束关系确定最优移相角α，从而根据最优移相角α控制MOS管S1和MOS管S2的初始导通角，在最佳初始导通时间点t0opt前，控制器输出高电平驱动MOS管S1和MOS管S2，在取能角β范围内，控制器输出低电平驱动MOS管S1和MOS管S2。
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