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    太阳能飞艇能源管理系统控制技术研究

    时间:2020-12-10 08:01:48 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

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      【摘 要】目前对太阳能飞艇能源系统的研究主要集中在能源的分析计算、电池阵列的设计和布置等方面,而能源管理系统也是能源系统的一个重要组成部分。本文从能量传输方式和母线调节方式两个方面对太阳能飞艇能源管理系统的控制方式进行了分析和比较,并根据太阳能飞艇的使用环境和工作特点,对其能源管理系统控制方式的选取方法和原则进行了阐述。
      【关键词】太阳能飞艇 能源管理系统 最大功率跟踪(MPPT) 母线调节
      平流层飞艇可长期稳定工作在距地20km的平流层空间,可用作侦察监视、区域预警、通信中继、电子对抗、导航定位、对地观测等,具有载重大、滞空时间长、生存力强、使用成本低等优点。平流层飞艇多采用以太阳能作为主要能源,以锂电池或可再生燃料电池作为储能单元的能源系统架构。能源系统是平流层太阳能飞艇的关键技术之一,国内外很多学者和研究人员对平流层太阳能飞艇的能源系统展开了研究,但主要集中在薄膜太阳能电池的设计、系统能源的分析、计算和太阳能电池阵列的布置等方面,而能源管理系统也是太阳能飞艇能源系统设计的一个重要组成部分。一个高效的能源管理系统能更好的对飞艇的太阳能电池工作状态进行有效的控制、对系统的能源进行合理的分配、储存及使用,大大提高能源系统的工作效率、优化能源系统的配置、减小能源系统的重量和成本。本文主要从能源系统能量传输方式和母线调节方式两个方面对太阳能飞艇能源管理系统的控制方式进行分析和研究。
      1 能量传输方式
      由于太阳能电池的输出功率会随光照、温度和后端负载的变化而变化,需在太阳能电池的后端增加功率调节单元以提高其工作效率。按能量传输的方式,功率调节单元一般可分为峰值功率控制和直接能量传输两种方式。峰值功率控制即通常所说的最大功率跟踪控制(MPPT),是一种串联调节方式;而直接能量传输即通常所说开关分流调节,是一种并联调节方式。
      1.1 峰值功率控制
      峰值功率控制是在太阳能电池、蓄电池和负载之间串联一个开关调节器。图1所示的开关调节器由主功率buck电路、控制芯片(MCU)、信号采集及驱动电路等组成,其硬件结构同普通的DC/DC变换器类似,不同之处在于内部控制算法。
      实现MPPT的控制算法有恒压法、开路电压法、短路电流法、扰动观察法、电导增量法等,但不管采取哪种算法,MPPT的本质是通过调节太阳能电池的负载阻抗使其工作在最大功率点上。在实现MPPT的算法中,恒压法、开路电压法和短路电流法属于近似的MPPT算法,受到较多条件限制,比较常用的算法是扰动观察法和电导增量法,本文以扰动观察法为例对MPPT的控制算法进行阐述。
      扰动观察法就是是通过改变太阳能电池的输出电压,给以一定的扰动△V,实时的采样太阳能电池的输出电压UP和电流IP,计算它们的乘积,得到太阳能电池此刻的输出功率,将其与上一采样时刻的功率相比较,如果大于上一时刻的功率,说明本次扰动使输出功率变大了,下一次应维持原来电压扰动的方向;如果小于上一时刻的功率,说明本次扰动使输出功率变小了,则下一次应改变电压扰动的方向。这样就确保了太阳能电池的输出电压向着能使输出功率增大的方向变化,如此反复扰动观察,使其最终达到最大功率点,从而实现最大功率跟踪。
      峰值功率控制可以根据外界环境的变化实时调节,使太阳能电池始终工作在最大功率工作点,能最大限度的利用太阳能,在中、小功率场合能得到较高的系统效率。但随着系统功率的增加,串联在系统中的调节器上损耗增加,调节器中感性元件的重量和体积增加,调节器散热等问题均会成为其制约因素。
      1.2 开关分流调节
      直接能量传输,即开关分流调节,最早由Weiberg于2002年提出的顺序开关分流调节(S3R),S3R的基本结构如图2所示,S3R的母线电压的稳压精度主要受并联各支路的分流电路的滞环比较器的电压基准和死区设定影响,当母线电压逐渐上升至超过某一支路滞环比较器的给定电压基准时,分流开关打开,对该支路分流。即母线电压偏高时,对一部分支路进行分流,并联到母线的支路减少,母线电压降低;反之,母线电压偏低时,进行分流的支路减少,并联到母线的支路增加,母线电压升高。
      开关分流调节同串联的MPPT控制相比,由于减少了功率传输路径上变换器的损耗,且调节器中不含感性元件,在大功率系统中能得到更高的效率。但在小功率场合,由于太阳能电池工作在固定点上,其效率比MPPT控制低。
      2 母线调节方式
      2.1 全调节母线
      全调节母线系统主要由功率调节单元、充电调节器和放电调节器组成,如图3所示,其中功率调节单元可以是串联的MPPT调节器,也可以是并联的开关分流调节器。全调节母线系统供电母线电压始终稳定在规定的范围内,光照期调节太阳能电池阵输出,完成对母线的供电和对蓄电池组的充电,联合供电期或无光照期间调节蓄电池组输出,稳定母线电压。全调节母线系统的优点是供电母线电压稳定,稳压精度高;其缺点是由于充电调节器和放电调节器的存在,增加了主功率路径上的损耗,控制器的体积、质量和热耗较大,电源系统输出阻抗较大,在短时工作负载加载、卸载和脉冲负载工作时,母线电压的波动和干扰较大,容易引起系统振荡。全调节母线主要适用于对母线电压稳压精度要求较高的中、小功率系统,且要求用电负载相对稳定。
      2.2 半调节母线
      半调节母线是在全调节母线的基础上去掉蓄电池组放电调节器。半调节母线系统只在光照期对母线电压进行调节稳压,在联合供电和无光照期母线电压受蓄电池组电压钳位,随蓄电池组电压变化而变化。这种系统主要适用于用电负载多数为长期稳定负载,光照期太阳能电池阵输出功率大于负载需求功率的场合。
      2.3 不调节母线
      不调节母线系统没有充电调节器和放电调节器,蓄电池组直接和母线相连,母线电压始终随蓄电池组电压变化而变化,如图4所示。光照期,光伏电池阵发出电能给负载供电并对蓄电池组充电,联合供电期或无光照期,蓄电池组放电。不调节母线系统的缺点是母线电压不稳定,受蓄电池组电压钳位;优点是系统结构简单、电源系统输出阻抗小、响应速度快,能很好的满足短时峰值负载和脉冲负载的供电需求,且由于不调节母线系统没有充电调节器和放电调节器,其重量和功率损耗均有所降低。

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