黄俊，吴红飞，许鹏，邢岩

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

集中-分布混合式热电发电系统分布式MPPT控制方法

黄俊，吴红飞，许鹏，邢岩

(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京210016)

集中-分布混合式热电发电系统能够解决多个热电发电(Thermo Electric Generator，TEG)模块串联连接时各模块的最大功率点不匹配的问题，实现系统发电能效的最大化。本文提出一种应用于集中-分布混合式热电发电系统的分布式最大功率点跟踪(MPPT)控制方法，通过对各TEG模块的输出电流进行直接控制，集中单元的输入电流等于最大功率点电流最小的TEG模块的电流、分布式单元的输入电流等于各模块最大功率点电流与集中单元输入电流的差值，使得各TEG模块的MPPT控制相互解耦，系统能够快速、准确、稳定地跟踪各个TEG模块的最大功率点，实现了系统输出功率的最大化。搭建了由四个TEG模块组成的混合式热电发电实验系统，通过实验验证了提出的分布式MPPT控制方法的有效性。

热电发电;最大功率跟踪;分布式发电

1 引言

TEG模块能将热能直接转换为电能，具有无噪音、无污染、绿色环保、寿命长的特点，在工业废热回收、汽车尾气废热回收和航天深空探测器供电系统等领域有很大的发展潜力［1，2］。

在热电发电系统中，单个TEG模块输出电压低、功率小，传统的热电发电系统中通常将多个TEG模块串联以提高输出电压和功率，并直接连接到集中变换器，如图1(a)所示。但是，由于不同TEG模块自身特性差异、热能在空间上非均匀分布以及帕尔贴效应等因素影响［3，4］，导致各串联连接的TEG模块的输出特性存在差异、各TEG模块无法同时工作在各自的最大功率点，降低了系统的整体能效。借鉴分布式光伏发电系统［5］，多模块热电发电系统也可以采用分布式串联或分布式并联架构，如图1(b)、图1(c)所示。通过为每个TEG模块配备一个独立的变换器，各TEG模块能够独立进行MPPT。然而，由于每个TEG模块输出功率、电压较低，分布式变换器一般难以实现高效率。也有文献采用分布式功率平衡变换器实现各发电模块输出特性的匹配，但模块间不平衡的功率需要经过多级功率变换，也会降低系统效率［6］。文献［7］提出了一种基于集中-分布混合式高能效热电发电系统架构，该发电系统综合了集中式和分布式系统的优点，使每个TEG模块工作在最大功率点，提高了系统发电能效。但该文仅针对包含两个TEG模块的系统进行研究，且其采用“集中电压”与“分布电流”控制相结合的方式进行MPPT，这会使得各模块的电压/电流扰动相互影响、集中模块与分布模块的控制相互耦合，导致该控制方法难以扩展到包含更多模块的TEG系统。

图1 热电发电系统Fig．1TEG power system

本文提出了一种应用于多模块串联集中-分布混合式热电发电系统的分布式MPPT控制方法，通过对各模块电流进行直接控制，使得混合式热电发电系统能够稳定、准确地对所有的TEG模块进行MPPT，实现了系统发电能效的最大化。

2 TEG模块输出特性

TEG模块可以用电压源串联电阻来等效［7］，如图2所示，vteg、Rteg、v和i分别为TEG模块的开路电压、内阻、输出电压和电流。当TEG模块热端和冷端温差发生变化时，模块的开路电压和内阻也会发生改变，TEG模块的P-I特性曲线和V-I特性曲线如图3所示。图3中ISC1、ISC2和ISC3分别为TEG模块工作在温差ΔT1、ΔT2和ΔT3下的短路电流，且ΔT1＜ΔT2＜ΔT3，当TEG模块温差越大，开路电压、短路电流和输出功率也相应地变大。从图3中看出，TEG模块温差一定时，都存在三个工作区域，分别为最大功率点左侧、最大功率点右侧、最大功率点。最大功率点左侧:TEG模块的输出功率p随着输出电流i的增大而增大;最大功率点右侧:TEG模块的输出功率p随着i的减小而增大;最大功率点: TEG模块的输出功率p达到最大值，输出电流i= ISC/2，输出电压v=vteg/2。

图2 TEG模块等效电路Fig．2Equivalent electrical circuit of TEG module

图3 TEG模块P-I特性和V-I特性Fig．3P-I and V-I characteristics

3 混合式热电发电系统及其控制方法

以4个TEG串联向蓄电池充电为例，集中-分布混合式热电发电系统结构如图4(a)所示。4个 TEG模块串联后与集中单元相连，每个TEG模块与各自的分布单元相连，各分布单元输出端都与集中单元的输出端并联，各TEG的MPPT由集中单元和分布单元共同实现，这既可以实现所有模块的MPPT，又能保证各模块输出功率仅经过单级功率变换。在图4(a)中，集中单元一般采用非隔离变换器实现，分布式单元则需要采用隔离型变换器，集中变换器的效率一般高于分布单元的变换效率。因此，为了实现系统发电能效的最大化，在实现各TEG模块分布式MPPT的同时，应该使尽可能多的功率由集中单元进行功率变换。

图4 集中-分别混合式热电发电系统Fig．4Hybrid centralized-distributed TEG power system

为了实现上述目标，考虑到多模块串联系统的特性，应该使得集中单元的输入电流，即母线电流ibus与最大功率点电流最小的TEG模块的输出电流相等，其他各模块的最大功率点电流与集中单元输入电流的差值由各自的分布单元变换到输出端。即分布单元仅处理由于各模块最大功率点电流差异引起的差值功率。

基于上述分析，本文采用的集中-分布混合式热电发电系统的控制系统如图4(b)所示，控制系统由MPPT控制器、各模块的调节器和PWM模块组成。MPPT控制器采用扰动观察法［8，9］实现，并输出各TEG模块的最大功率点电流基准iref_t1～iref_t4。

图5为MPPT控制器的工作流程图，系统运行时，控制器通过采集TEG模块的输出电压和电流，并计算出当前4个TEG模块的输出功率P1(n)～P4(n)，采用扰动观察法通过P1(n)～P4(n)、io1(n)～io4(n)、上一次各模块输出功率和电流P1(n－1)～P4(n－1)、io1(n－1)～io4(n－1)判断各TEG模块的工作区域。假设通过判断TEG1、TEG4工作在最大功率点，TEG2工作在最大功率点左侧，TEG3工作在最大功率点右侧，则有iref_t1=iref_t1，iref_t2= iref_t2+Δiref，iref_t3=iref_t3－Δiref，iref_t4=iref_t4。

图5 MPPT控制器工作流程图Fig．5Flow chart of MPPT controller

如图4(b)所示，经过MPPT控制器得到各模块的最大功率点电流基准后，经最小值选择器使得母线电流基准自动等于所有TEG模块的最小电流基准iref_bus=min(iref_t1，iref_t2，iref_t3，iref_t4)，而4个分布单元的输入电流基准等于各自的输出电流基准与母线电流基准iref_bus的差值。由于各模块的输出电流同时受控，这可以避免在对某一模块进行扰动时干扰其他模块的最大功率点运行或者其他模块的扰动，消除各模块由于串联连接带来的相互影响。假设min(iref_t1，iref_t2，iref_t3，iref_t4)=iref_t1，则iref_d1=0，io1－ibus=0，分布单元1将关闭，这保证了发电系统稳定运行时除了集中单元外最多有三个分布单元同时工作。当系统进入稳态运行后，母线电流ibus将自动等于最大功率点电流最小的TEG模块的输出电流，其对应的分布单元不工作，其他分布单元的输入电流等于其对应的TEG模块的最大功率点电流与ibus的差值。

4 实验结果

搭建了300W热电发电实验测试系统，如图6所示。系统由4个TEG模块构成，每个TEG模块的最大输出功率为75W，其最大功率点电压为3～13.5V。系统实验平台原理图如图7所示，集中单元采用Boost/Buck变换器，额定功率为300W，工作时输入电压为12～110V。分布单元采用反激变换器，允许4个TEG模块中模块之间最大功率差异为40%，则反激变换器额定功率为30W，工作时输入电压为3～27V。系统输出用于蓄电池充电，蓄电池最高充电电压为58V，控制芯片采用飞思卡尔微处理器MC56F8247。

图6 热电发电系统实验平台Fig．6Experimental setup for TEG power system

图7 实验电路原理图Fig．7Schematic of experimental circuit

图8是系统从启动到稳态的实验波形，vGSbo为Boost/Buck开关管SB1的驱动，vGSF1和vGSF2分别为反激变换器开关管SF1和SF2的驱动，io2为TEG2的输出电流，vo1～vo4分别为TEG1～TEG4的输出电压。在t1时刻前，发电系统还未运行，各模块的输出电压都等于各自的开路电压。在t1和t2之间，4个模块都工作在最大功率点左侧，它们的输出电流都等于集中单元输入电流ibus，反激变换器都关闭。到达t2时TEG1模块到达最大功率点，其最大功率点电流最小，对应的反激变换器不工作。其他模块的最大功率点电流均大于TEG1，因此对应的反激变换器工作，最终各模块都达到最大功率点。

图8 稳态实验波形Fig．8Experimental waveforms of start-up process

图9是系统的动态实验波形，vGSF4为反激变换器开关管SF4的驱动，vteg4为TEG4的开路电压。从图9中看出，在t1时刻前4个模块都工作在最大功率点，TEG1最大功率点电流最小，相应的反激变换器关闭，其他三个反激变换器运行。t1时刻TEG4的开路电压由12V突变为7V，TEG4的最大功率点电流发生变化，其最大功率点电流最小，对应的反激变换器关闭，其他3个反激变换器工作。在t2时刻，TEG4开路电压由7V突变为12V，TEG1最大功率点电流最小，对应的反激变换器关闭。TEG4最大功率点电流发生突变之后，经过一定的调节时间TEG4都能重新工作在最大功率点，其他模块没有受到影响，一直稳定工作在各自的最大功率点，与理论分析一致。

图9 动态试验波形Fig．9Dynamic experimental waveforms

将4个TEG模块的温差依次从低到高线性分布，其中TEG1温差最小为68℃，TEG4温差最大。在TEG4温差分别为117℃、158℃、204℃三种温差分布情况下，分别采用仅有集中Boost/Buck变换器工作的集中式方式和集中Boost/Buck变换器与反激变换器共同工作的混合式方式进行实验，得到TEG模块总发电功率和经过发电系统进行功率变换之后的总输出功率，如表1所示。

表1 发电功率和输出功率Tab．1Comparative data of generated power and output power

从表1中的数据可以看出，4个TEG模块温差存在差异的情况下，得益于采用分布式MPPT控制方法的混合式发电系统，使4个模块均工作在最大功率点，实现TEG模块输出功率最大化。因此采用混合式方案TEG模块总发电功率大于采用集中方案下TEG模块发电总功率，而且TEG4温差越大，TEG模块输出特性差异性越大，同时TEG模块输出功率越高，此时采用混合式发电系统来提高系统的输出功率优势更加明显。

5 结论

本文提出一种基于扰动观察法的集中-分布混合式热电发电系统分布式MPPT控制方法。实验结果表明:

(1)提出的分布式MPPT控制方法是有效的，运用该控制方法，各TEG模块独立进行最大功率点追踪，互不干扰，而且控制方法性能稳定，发电系统能够准确地追踪各TEG模块的最大功率点。

(2)相对于集中式系统，提出的分布式MPPT控制方法结合集中-分布混合式发电系统结构可以有效地提高发电系统的输出功率。

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Distributed MPPT control strategy for hybrid centralized-distributed TEG power generation system

HUANG Jun，WU Hong-fei，XU Peng，XING Yan
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

A hybrid centralized-distributed TEG power generation system can overcome the maximum power points mismatching among different thermoelectric generator modules and maximize the energy efficiency of the whole system．This paper proposes a distributed MPPT control scheme for the hybrid centralized-distributed TEG power generation systems．Maximum power point tracking of all of the TEG modules is achieved fast，accurately and steadily by directly regulating the output current of each TEG module with coordinate control of the centralized and distributed units．With the proposed control strategy，the input current of the centralized unit is equal to the minimum maximum power point current of those TEG modules，and the maximum power point current difference is regulated by the distributed unit．Experimental results based on four-module TEG system are given to verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy．

thermoelectric generator;maximum power point tracking;distributed power generation

TM913

A

1003-3076(2015)02-0034-05

2014-09-30

江苏省自然科学基金(BK20140812)资助项目、江苏省新能源发电与电能变换重点实验室开放研究基金(ZAB11002)和江苏省高校优秀科技创新团队项目

黄俊(1988-)，男，广西籍，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动;吴红飞(1985-)，男，河北籍，讲师，博士，研究方向为电力电子与电力传动。