一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法

摘要

本发明提供一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，选取热电系统实测电压值作为自变量，功率值作为因变量，将汽车尾气热电发生器模块直接与电子负载相连，在发动机各种工况运行状态下测取热电系统的功率电压值；对测取的电热系统的功率电压值进行曲线拟合，获取多项式函数；使用多点取样法对多项式函数求解，得到功率值的取值区间，将较大的取值区间化解为多个较小的求解区间；利用非等分多分法，从经分解后的多个较小的求解区间中，找出最大功率值所在的求解区间；以得到的求解区间再化解为若干个求解区间，直到求解精度达到目标精度要求；从最后得到的求解区间，产生最大功率点近似值，输出给系统。本发明使其对最大功率点跟踪的速度大大提升。

权利要求

1.一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、选取热电系统实测电压值作为自变量，功率值作为因变量，将汽车尾气热电发生器模块直接与电子负载相连，在发动机各种工况运行状态下测取热电系统的功率电压值；

S2、对S1中测取的电热系统的功率电压值进行曲线拟合，获取曲线的多项式函数；

S3、使用多点取样法对S2的多项式函数进行求解，得到功率值的取值区间，将较大的取值区间化解为多个较小的求解区间；

S4、利用非等分多分法，从经S3分解后的多个较小的求解区间中，找出最大功率值所在的求解区间；

S5、以S4得到的求解区间再化解为若干个求解区间，重复S4，直到求解精度达到目标精度要求；

S6、从最后得到的求解区间，产生最大功率点近似值，输出给系统。

2.根据权利要求1所述的基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：所述的S1具体包括：

1-1)在汽车尾气热电发生系统中将热电系统连接成五行六列的两个组，分别位于热交换器的上下两个表面，将AETEG模块直接与电子负载相连接；

1-2)运行发电系统，当发动机工作在常见的一种工况下，尾气气箱温度稳定后，测量并选取多组功率电压值；

1-3)改变发动机工况至另一种常见的工况，重复1-2)。

3.根据权利要求1所述的基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：所述的S2具体包括：

2-1)假设拟合曲线的方程式；

2-2)由假设的拟合曲线方程式可得到各个测量点到曲线的距离之和；

2-3)根据多元函数求极值的原理，对距离公式进行求偏导，并求解；

2-4)结合所测实际数值，拟合出其功率-电压曲线并得出其方程式。

4.根据权利要求1所述的基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：所述的S3具体包括：

3-1)采取实验的方法，在控制误差小于1mV的情况下，多次分别用不同的采样点数进行求解，选出求解效率最高的采样点数；

3-2)借鉴13折线压缩的方法，将区间划分，形成模板矩阵；

3-3)根据所形成的模板矩阵计算出相应的采样点的值。

5.根据权利要求1所述的基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：所述的S4具体包括：

4-1)初始化区间，并设置求解精度；

4-2)根据多点采样规则在求解区间内得到多个采样点X＝[x1，x2，…，xn]；

4-3)计算采样点的对应值Y＝[y1，y2，…，yn]，如果Yk是最大值，则区间[xk-1，xk+1]为包含最大值的区间；

4-4)如果区间长度小于所设精度，即xk+1-xk-1＜sp，则过程终止，否则将此区间[xk-1，xk+1]作为下一个求解区间，重复步骤4-2)和4-3)。

说明书

一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法

技术领域

[0001] 本发明属于热电发电领域，具体涉及一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法。

背景技术

[0002] 当前最大功率点跟踪技术在光伏发电领域应用广泛，而利用塞贝克效应实现汽车尾气废热发电，同样需要在不同条件下实时跟踪温差发电的最大功率。已有文献表明，目前最为常用的MPPT方法有扰动观察法、增量电导法、纹波相关控制法、二分法、梯度法等优化方法，此外还有采用模糊逻辑以及神经网络等智能算法。

[0003] 由热电转换模块的输出特性可知，当热电模块的开路电压随外界条件变化时，热电模块的最高功率点电压也近似成比例变化。因此认为热电模块的最高功率和热电模块的开路电压之间存在近似的线性关系。开路电压比例系数法虽然结构简单，但是这种线性关系只是一种近似，工作点并不是最大功率，而且比例系数的选取对于系统影响很大，不易控制。

[0004] 扰动观察法是在原有输出上增加一个扰动，通过实时采样计算得到瞬时功率，与上一次的输出功率进行比较，根据功率增减变化动态调节输出功率，使其逐步逼近最大功率点。但是初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和跟踪速度的影响较大。

[0005] 其它常用的MPPT方法，如双步长扰动观察法、迭代比较法、电流固定参数法、变步长增量电导法等控制方法，均在以上几种主要跟踪方法上有所改进。但是在汽车实时动态工况快速变化的条件下，这些传统常用的方法便出现了它们本身的不足之处，无法满足发动机给工况迅速变化下热电发电模块最大功率跟踪速度快，精度高的实际需求。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，能够提高最大输出功率点的跟踪速度。

[0007] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于非等分多分法的热电发电MPPT方法，其特征在于：它包括以下步骤：

[0008] S1、选取热电系统实测电压值作为自变量，功率值作为因变量，将汽车尾气热电发生器模块直接与电子负载相连，在发动机各种工况运行状态下测取热电系统的功率电压值；

[0009] S2、对S1中测取的电热系统的功率电压值进行曲线拟合，获取曲线的多项式函数；

[0010] S3、使用多点取样法对S2的多项式函数进行求解，得到功率值的取值区间，将较大的取值区间化解为多个较小的求解区间；

[0011] S4、利用非等分多分法，从经S3分解后的多个较小的求解区间中，找出最大功率值所在的求解区间；

[0012] S5、以S4得到的求解区间再化解为若干个求解区间，重复S4，直到求解精度达到目标精度要求；

[0013] S6、从最后得到的求解区间，产生最大功率点近似值，输出给系统。

[0014] 按上述方法，所述的S1具体包括：

[0015] 1-1)在汽车尾气热电发生系统中将热电系统连接成五行六列的两个组，分别位于热交换器的上下两个表面，将AETEG模块直接与电子负载相连接；

[0016] 1-2)运行发电系统，当发动机工作在常见的一种工况下，尾气气箱温度稳定后，测量并选取多组功率电压值；

[0017] 1-3)改变发动机工况至另一种常见的工况，重复1-2)。

[0018] 按上述方法，所述的S2具体包括：

[0019] 2-1)假设拟合曲线的方程式；

[0020] 2-2)由假设的拟合曲线方程式可得到各个测量点到曲线的距离之和；

[0021] 2-3)根据多元函数求极值的原理，对距离公式进行求偏导，得到多项不等式并求解；

[0022] 2-4)结合所测实际数值，拟合出其功率-电压曲线并得出其方程式。

[0023] 按上述方法，所述的S3具体包括：

[0024] 3-1)采取实验的方法，在控制误差小于1mV的情况下，多次分别用不同的采样点数进行求解，选出求解效率最高的采样点数；

[0025] 3-2)借鉴13折线压缩的方法，将区间划分，形成模板矩阵；

[0026] 3-3)根据所形成的模板矩阵计算出相应的采样点的值。

[0027] 按上述方法，所述的S4具体包括：

[0028] 4-1)初始化区间，并设置求解精度；

[0029] 4-2)根据多点采样规则在求解区间内得到多个采样点X＝[x1，x2，…，xn]；

[0030] 4-3)计算采样点的对应值Y＝[y1，y2，…，yn]，如果Yk是最大值，则区间[xk-1，xk+1]为包含最大值的区间；

[0031] 4-4)如果区间长度小于所设精度，即xk+1-xk-1＜sp，则过程终止，否则将此区间[xk-1，xk+1]作为下一个求解区间，重复步骤4-2)和4-3)。

[0032] 本发明的有益效果为：

[0033] 1、由于测取的数值来自不同的工况，从而更具有代表性；本发明算法能将点的计算转化为矩阵的计算，将要求多周期求最大值的三点问题转化为次数较少的多点求最大值的问题，从而使得计算速度大大提高，能使其对最大功率点跟踪的速度大大提升。

[0034] 2、在使用多项式函数对热电系统的功率电压值进行曲线拟合以获取其内在函数关系过程中，利用了多元函数求极值原理，将误差平方和降到了最小，从而使得最大输出功率点跟踪精度相对于传统方法大大提高。

附图说明

[0035] 图1为本发明一实施例的方法流程图。

[0036] 图2为汽车尾气发电系统试验台架示意图。

[0037] 图3为热电模块一部分连接图

[0038] 图4为热电模块另一部分连接图。

[0039] 图5为本发明3100rpm@66NM工况下输出功率与电压关系散点图。

[0040] 图6为本发明3100rpm@66NM工况输出功率与电压拟合曲线。

[0041] 图7为本发明3300rpm@71NM工况输出功率与电压拟合曲线。

[0042] 图8为3300rpm@71NM工况下UDMS方法在不同采样点数下的运行时间。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

[0044] 一种基于非等分多分(Unequal Division Multipoint Sampling method，简称UDMS)法的热电发电MPPT(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0045] (1)选取热电模块实测电压值作为自变量，功率值作为因变量，将热电模块直接与电子负载相连接，在发动机工况为3100rpm@66NM和3300rpm@71NM测取功率电压值。

[0046] 具体包括以下子步骤：

[0047] (1-1)在汽车尾气发电系统中将热电模块以全串联连接方式分两层放置在气箱的上下表面。为更详细的解释本发明，进行试验如下：搭建汽车尾气发电系统试验台架，其实物图和示意图如图2所示，位于热交换器两侧的每组热电模块分别按照图3和图4所示的五排六列布置，冷却单元1和2形成单柱冷源结构，热电模块、热交换器和冷却单元之间的接触压力可以自由调节；试验台发动机由法国雪铁龙(PSA REN 10LH3X)制造，热交换器由黄铜制成，所有热电模块均由Bi2Te3材料制成，可在低工作温度下使用，相关具体参数在表1中列出。

[0048]

[0049]

[0050] (1-2)运行发电系统，当发动机工作在3100rpm@66NM工况下，当气箱温度稳定后，测量并选取8组功率电压值，描绘输出功率与电压关系曲线图。

[0051] (1-3)改变发动机工况为3300rpm@71NM，重复(1-2)。如图5所示是3100rpm@66NM工况下输出功率与电压关系散点图。

[0052] (2)使用多项式函数对步骤(1)中测取的热电系统的功率电压值进行曲线拟合以获取其内在函数关系。

[0053] 具体包括以下子步骤：假设拟合的曲线方程式为：

[0054] y＝a0+a1x+…+anxn  (1)

[0055] 其中：y为输出功率；x为输出电压；n为多项式拟合的阶次；

[0056] 下同；

[0057] (2-2)实测数据各点到假定的拟合曲线(1)的距离之和为：

[0058]

[0059] 式中，m为样本点的个数，yi为第i个样本的输出功率，xi为第i个样本的输出电压。

[0060] (2-3)结合根据多元函数求极值原理，对方程右侧求偏导，得到如下等式：

[0061]

[0062] k为第k个多项式的阶次，j表示第j个系数求偏导。

[0063] 将上式分解，调换求和次序得到下式

[0064]

[0065] (2-4)公式(4)用矩阵表示如下：

[0066]

[0067] (2-5)矩阵(5)中的系数矩阵为对称正定矩阵，因此A有唯一解，多项式可以表示为：

[0068]

[0069] (2-6)拟合出其功率-电压曲线：

[0070] 如步骤(1-1)中所述汽车尾气发电系统试验台架，试验中，工况3100rpm@66NM时，如图5所示测得的电压与功率关系近似为多项式曲线，使用三次多项式进行曲线拟合，拟合曲线如图6所示，功率电压曲线基本上为三次多项式形式。同样，当转速3300rpm@71NM时，这里也采用三次多项式作为其主曲线拟合形式，拟合曲线如图7所示。比较图6及图7，发现不同工况下，拟合曲线均为单峰曲线。因此可以通过求取其功率曲线的最高点作为其最大功率点。

[0071] (3)使用多点取样法拆分步骤(2)中的取值区间，将较大的取值区间化解为多个较小的求解区间：

[0072] 具体包括以下子步骤：

[0073] (3-1)采取实验的方法，在3300rpm@71NM工况，控制误差小于1mV的情况下，多次使用UDMS方法进行求解，在不同的采样点个数情况下得到UDMS方法的不同运行时间，实验结果如图8所示；从图中可以看出，采样点数在9、10、11、12时，求解效率较高。因此确定本实验采样点数为10；

[0074] (3-2)在采样区间的设置上，由于先前经验——Vm和Voc之间存在近似的线性关系：

[0075] Vm＝kVoc

[0076] 其中k＜1，一般取0.51～0.60。所以中心区域应该采用间隔较小的密集采样，求解区间两端采样应该较为稀疏。故借鉴13折现压缩的方法，首先将区间划分为左右两个部分，左区间出去两端两个采样点外，第一个采样点设在区间中间，第二个采样点设在前一个采样点与区间右端点之间。依次循环，直至所有采样点设置完成。右区间与左区间类似，最终形成的模板矩阵为：

[0077] M＝[0，0.25，0.375，0.4375，0.4688，0.5313，0.5625，0.6250，0.75，1]#(7)[0078] (3-3)根据模板矩阵(7)计算相应的采样点的值，采样点的值可由式(8)计算：

[0079] X＝(M×(Vending-Vstart)+Vstart×ones(1，10))#(8)

[0080] (4)利用非等分多分(UDMS)法从经过步骤(3)分解后的多个小区间中找出最大值所在的区间，并最终产生最大功率点近似值。

[0081] 具体包括以下子步骤：

[0082] (4-1)初始化求解区间[a，b]，并设置求解精度sp；

[0083] (4-2)根据步骤(3)中所述多点采样规则在求解区间内得到多个采样点X＝[x1，x2，…，xn]；

[0084] (4-3)计算采样点的对应值Y＝[y1，y2，…，yn]，如果Yk是最大值，则区间[xk-1，xk+1]为包含最大值的区间；

[0085] (4-4)如果区间长度小于所设精度，即xk+1-xk-1＜sp，则过程终止。否则将此区间[xk-1，xk+1]作为下一个求解区间，重复步骤(4-2)和(4-3)。

[0086] 如步骤(1-1)中所述热电实验台架下分别在3300rpm@71NM，3200rpm@69NM，3100rpm@66NM，2900rpm@63NM，2700rpm@61NM的工况条件下测试了单一二分法(SDM)、单一梯度法(SGM)、扰动观察法(P&O)、ADG方法以及本发明提出非等分多分法(UDMS)法的最大功率点跟踪效果。将以上各种方法与实际值进行对比，可以得到误差情况，各类方法的误差率对比如表2所示，可以明显看出非等分多分(UDMS)法的误差率比现有方法低。

[0087]

[0088] 本发明最大输出功率点跟踪精度高：由于采用了步骤(1)、(2)，测取的数值来自不同的工况，从而更具有代表性，此外，在使用多项式函数对热电系统的功率电压值进行曲线拟合以获取其内在函数关系过程中，利用了多元函数求极值原理，将误差平方和降到了最小，从而使得最大输出功率点跟踪精度相对于传统方法大大提高。

[0089] 本发明最大输出功率点跟踪速度快：由于采用了步骤(3)、(4)、(5)，与二分法相比，该算法能将点的计算转化为矩阵的计算，将要求多周期求最大值的三点问题转化为次数较少的多点求最大值的问题，从而使得计算速度大大提高，能使其对最大功率点跟踪的速度大大提升。

[0090] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。