一种基于GMPPT技术的微波整流端能量管理方法

一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法
技术领域
1.本发明公开了一种基于gmppt(global maximum power point tracking,全局最大功率点跟踪)技术的微波整流端能量管理方法，属于计算、推算或计数的技术领域。


背景技术：

2.微波能量传输(mpt,microwave power transmission)是一种通过电磁波在自由空间内传输电能的技术，是空间太阳能电站开展研究的关键，同时在给平流层飞艇、无人机等高空飞行器和微小型机器人的供电上也有应用前景。由于微波电能是在自由空间内无线传输，传输损耗较小，对传输效率有所影响的只有大气等自然损耗，因此微波技术目前是国内外的研究热点之一，在军事、航空航天等方面有着广阔的发展前景。
3.微波能量传输系统主要由微波发射端、自由空间以及微波接收端三部分组成。微波接收端是mpt系统的重要组成部分，用于实现微波到直流电能的转换和后级能量管理，其效率对整个系统来说至关重要，通用结构如图1所示，主要包括：接收天线、整流电路、直流能量管理电路和直流负载。由于接收天线多为阵列式，每个天线后面接入一块整流电路板将微波转换成直流电，而后需要给直流负载供电。目前研究大多聚焦如何提高整流电路的效率，后级直流能量管理的研究较少，且多为分布式管理，即在每个接收整流电路后添加管理模块，往往结构庞大，算法复杂。因此，亟需一种适用于多路输出的集中式微波整流端能量管理方法来实现后级能量的优化管理，从而进一步提高接收端整体效率。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，该方法通过对单块整流电路外特性分析建立模型，分析多路并联时功率特性整体规律，最后加入gmppt技术以寻求在多峰情况下的最优输出功率点，从而形成直流能量管理电路，提升整流端效率，解决现有微波接收端的分布式能量管理方法电路结构庞大且算法复杂的技术问题。
5.本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
6.一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，包括如下3个步骤。
7.(1)对单块微波整流电路输出外特性分析建立电压源模型：
8.利用测试得出的整流电路实验数据作电路外特性曲线，分析其电气特性后将微波整流电路等效成一个电压源，即等效成一个理想电压源与电压源内阻串联的结构。
9.(2)将多路微波整流电路并联，分析总功率与输出电压的关系：
10.采用在不同支路上串联二极管再并联支路的结构自动适应负载变化，结合matlab仿真可将输出电压范围分为若干区间，每个区间内有且仅有一个峰值点。
11.(3)基于多路微波整流电路并联后的电气特性，提出将gmppt技术加入到微波直流能量管理中，先跟踪输出电压每个区间内的局部最大功率点，后跟踪全局最大功率点，达到优化整体效率的效果。
12.根据多路整流电路并联后的特性分析，采用集中式的管理方式，在电路后加入有源控制的buck变换器，用芯片实现先区间后整体的全局最大功率点跟踪技术。
13.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
14.(1)成本优势：相对于分布式直流能量管理，本发明采用集中式的并联整流电路结构，减少了变换器个数，节省了多余电气元器件，结构的尺寸和复杂性都大大降低，从而降低了成本开销。
15.(2)性能优势：相对于传统微波整流方法并没有对多路直流能量进行管理从而导致的能量浪费和设计困难，本发明将多路整流电路并联起来优化管理，本发明用加入有源变换器的方法控制输出功率，比传统的单一功率点设计更具有普适性，将gmppt的思想加入微波整流端，具有创新性和发展性。
16.(3)模块化、易集成：本发明给出的方案利于模块化实现，具体实现的硬件电路、芯片等在通信领域发展较为成熟，后续芯片化设计易于实现。
附图说明
17.图1是微波无线传能接收端系统的通用结构图。
18.图2是本发明提出的基于gmppt的微波整流端能量管理方法的整体框图。
19.图3是测试得出的微波整流电路板外特性曲线图。
20.图4是理想电压源外特性曲线图。
21.图5是单块微波整流电路板的等效电路模型。
22.图6是并联整流电路的拓扑示意图。
23.图7是单块整流板p-v关系曲线和并联后总体p-v关系曲线图。
24.图8是集中式能量管理结构图。
25.图9是扰动观察法寻找最大功率点的示意图。
26.图10是局部最大功率点跟踪技术的算法流程图。
27.图11是全局最大功率点跟踪技术的算法流程图。
具体实施方式
28.本发明提出的一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，以及参照附图对本发明进一步详细说明。1.接收端单块整流电路建模
29.要想将微波整流电路各自的能量结合起来形成集中式管理，需要研究单块微波整流电路的直流外特性。在相同功率等级下通过调整整流电路的负载测试整流电路的外特性，所得结果如图3所示。由该外特性曲线可知，输出电压uo与输出电流io可近似拟合成一条斜率固定的直线，因此可以将微波整流电路对外部的特性等效为一个直流电压源。理想的电压源模型的外特性曲线如图4所示，曲线与纵坐标的交点为空载电压us。随着负载电流的增大，在内阻上损耗的电压增大，负载电压会不断减小直至为0，此时电路为短路状态，因此曲线与横坐标的交点即为短路电流is，曲线的斜率为电压源内阻rs，rs＝us/is。由此规律可将单块微波整流电路等效为一个如图5所示的理想电压源和内阻串联的电压源模型，其中电压源电压为us，内阻为rs，us与rs和微波整流电路本身的参数有关，不同电路的这些参数
可以通过实验测得。整流电路与负载r
l
串联连接，因此电路的电流都为is。通过所建立的单块整流电路板模型，为下文分析并联后的总功率特性提供了理论基础。
30.2.整流电路板并联后的功率特性分析
31.(1)并联电路连接方式分析：由于各个天线接收到的能量不同，不可能达到完全均衡的效果，接在天线后的每块整流电路板后所得电压也有所不同，因而不能直接进行并联操作，否则会引起电源间短路。本发明中采用在不同支路上添加二极管的结构，如图6所示。这种结构能够自动适应负载变化，即在负载电流较低时仅接收功率最大支路导通供电，随着负载电流增大，由于电压源负载效应，输出电压降低，当负载电流增大使输出电压降低至功率次高路开路电压时，如图6所示，该路二极管导通，由两支路共同为负载提供能量，同理可得，当负载进一步增大，输出电压进一步下降时，又会有新的串联支路导通。通过这样的并联方式可以使接收端根据负载需要自动调整并联支路数量，达到自动适应负载需要的目的。
32.(2)并联电路功率特性分析：由单块整流电路板的等效电压源模型推导每块整流电路板的功率公式。已知整流板为电压源，则输出电压与输出电流形成(1)式关系：
33.ui＝-r
si
*ii+u
si
ꢀꢀꢀ
(1)
34.将ii用ui表示便于化简计算，如式(2)：
[0035][0036]
电压电流相乘后得出单块整流板功率公式，如式(3)：
[0037][0038]
其中，ui表示第i块整流板的输出电压，ii表示第i块整流板的输出电流，pi表示第i块整流板的输出功率，u
si
表示第i块整流板等效电压源的开路电压，i
si
表示第i块整流板等效电压源的短路电流，r
si
表示第i块整流板等效电压源的内阻，i＝0，1，2，...n，n表示接收天线阵列的分块数。
[0039]
为了便于分析并联整流电路的总功率，取n块整流板中的第m、p和k块计算总功率p
total
(m，p，k＝0，1，2，...n，且m≠p≠k)，如式(4)：
[0040][0041]
假设u
sm
＞u
sp
＞u
sk
，在matlab软件中绘制各整流板的功率(pi)-电压(v)曲线和并联后总体的功率(p
total
)-电压(v)曲线如图7所示。
[0042]
由式(3)、(4)可知，各整流板的p
i-v曲线为二次曲线，与横坐标的交点为(0，0)，(u
si
，0)，图7中分别用菱形、三角形、正方形曲线表示第m、p、k块整流板的p
i-v仿真曲线，与公式分析相符。圆形曲线表示三块整流板相加的p-v曲线，分别在横坐标为u
sk
和u
sp
时产生了拐点，曲线的变化趋势按横坐标范围可分为(0，u
sk
)、(u
sk
，u
sp
)、(u
sp
，u
sm
)三个部分。每部分的曲线有且仅有一个峰值点，总功率曲线拥有三个峰值点，将这三个峰值点进行比较即可获得曲线的最大功率点。
[0043]
3.全局最大功率点跟踪算法分析
[0044]
根据仿真和实验经验，本发明采用buck电路作为有源直-直变换器调节最终的输出功率。本发明将整流电路全部并联后进行能量管理，因此采用集中式电路拓扑如图8所示，将图2所示多路微波整流电路等效成电压源模型串联二极管后并联至buck电路输入端，buck电路输出端接最终的直流负载r
l
，分别采集buck电路输入端及输出端的电压电流，在dsp(digital signal processing)控制器内进行算法和pi调节，最终可以将整体电路调整至最大功率传输点，实现了整流端后级能量优化管理。
[0045]
由上文分析可知，并联后的总体整流电路功率特性曲线可能存在多个峰值点，但是可以根据横坐标划分区域，在不同的区域依次找出局部最大功率点，再将它们依次比较，即可获得全局最大功率点。
[0046]
本发明采用扰动观察法寻找局部最大功率点。扰动观察法，顾名思义，需要对被控电路施加一个外部扰动，使得其输出电压产生相应的变化，然后对施加外部扰动后的电路进行输出电压以及输出功率的采样，观察两者的变化趋势后再作出下一步的判断，其工作原理如图9所示。具体思路是：通过调节接入buck变换器输入端的支路数对buck变换器输入信号施加扰动，如果施加的扰动使得输出电压增大且输出功率也随之增大，如图中pa变化到pb的过程，那么认为扰动的方向是正确的，因此继续施加同方向的扰动使得输出电压继续增加；如果施加的扰动使得输出电压增大，但输出功率因此减小，如图中pc变化到pd的过程，那么认为扰动方向是错误的，因此反向施加扰动以减小输出电压；反之亦然。按照这种思路，以固定时间间隔检测输出电压、输出电流的值，根据观察比较的结果决定下一步的控制方向，循环上述过程直至输出功率趋近于最大功率点。
[0047]
buck变换器在电感电流连续的状态下输入输出关系如式(5)：
[0048][0049]
其中，uo为输出电压，io为输出电流，u
in
为输入电压，i
in
为输入电流，d为变换器占空比。只需要通过采样电路获取变换器的u
in
和i
in
，便可以计算得到其p
in
，然后将u
in
送与dsp芯片并与参考值u
in_ref
比较，随后经过pi调节后输出需要的占空比信号给变换器的开关管，从而完成对u
in
的闭环控制。
[0050]uin_ref
由dsp通过算法计算获得，其具体的算法流程如图10和图11所示。首先计算横坐标三个区间(0,u
sk
)、(u
sk
,u
sp
)、(u
sp
,u
sm
)内各自的最大功率点如图10所示：设置输入电压的初始搜索范围(u
min
,u
max
)以及初始步长step，并假设寻优顺序为从小到大进行搜索，那么从最小值u
min
开始，依次比较ui和u
(i-1)
对应的整流电路输出功率p
ui
和p
u(i-1)
的大小。若p
u(i-1)
小于p
ui
，则将i加一，即以ui替换u
(i-1)
、u
(i+1)
替换ui，继续比较p
u(i+1)
与p
ui
的大小，循环往复，其后续思路与扰动观察法基本一致。但是，与传统的扰动观察法有所不同的是，若输入电压值的改变使得整流电路的工作点越过了最大功率点，如图9中pe变化到pf的情况，u
min
＝u
(i-2)
，u
max
＝u
(i-1)
，step＝step/10，那么输入电压的搜索范围会缩小至前两次搜索值之间，并且相应地缩小搜索步长以提高搜索精度。当搜索范围的上限和下限之差小于3时，即可认为前两次电压搜索值之和的一半即为前级整流电路的最优电压u
optimal
，u
optimal
＝0.5*(u
max
+u
min
)＝0.5*(u
(i-1)
+u
(i-2)
)，u
optimal
即为最终的buck变换器输入电压给定值，从而结束此次搜索。与传统的扰动观察法相比，本发明采用的这种算法会随着最大功率点的逼近而
缩小最大功率点的搜索范围与步长，并且当满足控制精度要求后会结束搜索，因而控制精度相对较高并且不存在功率振荡的问题。经此算法后得出的三个最大功率点坐标为(u1,p1)、(u2,p2)、(u3,p3)，将这三组数据再输入到图11所示的算法中，功率两两比较后得出最大功率点对应的电压值，即pi调节需要的参考值u
in_ref
。
[0051]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，分析微波整流电路电气特性，将多路微波整流电路分别等效为一个电压源模型支路，对并联后的电压源模型支路进行分析以获取并联支路总输出功率与各支路输出电压的关系，将每个电压源模型支路并联在buck变换器的输入端，依据并联支路总输出功率与各支路输出电压的关系并采用最大功率点跟踪技术调节接入buck变换器输入端的电压源模型支路的数目。2.根据权利要求1所述一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，依据并联支路总输出功率与各支路输出电压的关系并采用最大功率点跟踪技术调节接入buck变换器输入端的电压源模型支路的数目的具体方法为：依据并联支路总输出功率与各支路输出电压的关系获取各支路开路电压对buck变换器输出电压范围的划分情况，根据接入支路的开路电压将电压buck变换器输出电压范围划分为对应支路数目的区间，搜索每个区间最大功率点对应的buck变换器输入电压给定值，在各区间最大功率点对应的buck变换器输入电压给定值中选取最大值作为buck变换器输入电压给定值。3.根据权利要求2所述一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，搜索每个区间最大功率点对应的buck变换器输入电压给定值的具体方法为：从buck变换器输入电压最小值开始，逐渐增加并接在buck变换器输入端的电压源模型支路的数目，每增加一个电压源模型支路，比较buck变换器的当前输出电压与前一次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出电压，比较buck变换器的当前输出功率与前一次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出功率，在前一次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出功率小于buck变换器的当前输出功率时，继续增加并接在buck变换器输入端的电压源模型支路，在buck变换器的输出功率超出最大功率点时在前两次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出电压之间搜索buck变换器输入电压给定值。4.根据权利要求3所述一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，在前两次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出电压之间搜索buck变换器输入电压给定值的具体方法为：在前两次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出电压之差小于3时，取前两次调节电压源模型支路数目后buck变换器输出电压之和的一半为buck变换器输入电压给定值；在前两次调节电压源模型支路数目后的buck变换器输出电压之差大于或等于3时，减小搜索步长，从buck变换器输入电压最小值开始，重新调节接入buck变换器输入端的电压源模型支路的数目。5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，所述电压源模型支路为电压源串联其内阻的支路，电压源及其内阻的参数通过实验测得。6.根据权利要求1至4中任意一项所述一种基于gmppt技术的微波整流端能量管理方法，其特征在于，所述电压源模型支路串接有防短路二极管。

技术总结
本发明公开一种基于GMPPT技术的微波整流端能量管理方法，属于计算、推算或计数的技术领域。该方法包括如下步骤：对单块微波整流电路输出外特性分析建立电压源模型；将多路微波整流电路并联，分析总功率与输出电压的关系；基于多路微波整流电路并联后的电气特性，提出将GMPPT技术加入到微波直流能量管理中，达到优化整体效率的效果。本发明实现了微波整流端直流能量的优化管理，减小了体积和复杂性，降低了成本，提升了系统效率。提升了系统效率。提升了系统效率。


技术研发人员：金科 肖怡文 王雪
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8