一种多微能量源能量合成系统及控制方法与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种多微能量源能量合成系统及控制方法。

背景技术：

1、为了提高能量收集系统的可靠性和输出功率，能量收集系统包含多个微能量源。然而由于微能量源的非理想性，常规的能量合成会损失大量的输出功率。中国发明专利cn115149842a中公开了一种多源协作能量收集电路以收集太阳能、热能和振动能等三种能量，中国发明专利cn115250076a中公开了一种多源整流器以收集多源压电能量。

2、在上述两种多源能量收集电路中，存在电路管理复杂，能量提取率低的问题。由于微能量源为ac交流源，而且由于其非理想性，交流源会有较大的内阻、寄生电感和寄生电容。因此，传统的串联或者并联合成会使得大部分能量损耗在交流源的寄生阻抗上。另一方面，如果将各个交流源整流成直流后再进行能量合成，大部分的能量会损耗在整流的过程，而且电路结构复杂，电路元器件冗余。

3、为此，提供了一种多微能量源能量合成系统及控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所述的一种多微能量源能量合成系统及控制方法，采用基于谐振网络的微能量合成电路以及前馈控制的ac-dc电能转换电路，实现了对多微能量源的无损能量合成，并进一步地在电能变换过程中实现了最大功率提取，实现了多源协同最大功率传输，解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所述的一种多微能量源能量合成系统，包括微能量收集模块、辅助线圈、前馈控制模块、ac-dc电路以及储能单元；所述微能量收集模块与ac-dc电路连接，所述ac-dc电路与储能单元连接，所述辅助线圈与前馈控制模块连接，所述前馈控制模块与ac-dc电路连接，所述微能量源用于收集环境中的能量，ac-dc电路用于将交流源变换为直流源并存储。

4、优选的，所述微能量收集模块包括若干条相互并联的微能量收集支路，若干条所述微能量收集支路分别与ac-dc电路连接。

5、优选的，所述微能量收集支路包括微能量源和对应的匹配网络。

6、优选的，所述微能量源输出电压为vn、寄生内阻为rn、寄生电感ln，对应的匹配网路包括寄生电感ln和匹配电容cn，所述寄生电感ln与匹配电容cn串联。

7、优选的，所述ac-dc电路包括多个运算放大器n、运算放大器n+1、加法器以及比较器，多个所述运算放大器n的输入端和输出端分别为vcoil_n、vref_n，多个所述运算放大器n的输出端并联作为加法器的输入端与加法器连接，所述加法器的输入端为vrefl_n，所述加法器的输出端为vref，所述vref作为比较器的输入端与比较器连接，所述比较器的输出端为控制信号1，所述控制信号1与非门连接并输出为控制信号2，所述运算放大器n+1的输入端为i，所述运算放大器n+1的输出端为iref并且与比较器的输入端连接。

8、本发明提供一种多微能量源能量合成控制方法，包括以下步骤：步骤s1，假设有n个不同频率的微能量源，且均为电磁能量源或者振动能量源，其中，第n个微能量源的输出电压为vn，vn＝vnsin(2πfn)，式中，vn为第n个微能量源的输出电压幅值，电压频率为fn，寄生内阻为rn，寄生电感为ln；第n个微能量源的谐振网络包含微能量源的寄生电感为ln和匹配电容cn，则谐振网络的谐振频率表达式为：

9、

10、第n个微能量源在复阻抗匹配情况下，其理论最大输出功率为：

11、

12、式中，最大输出功率在输出负载在r＝rn时取得。

13、步骤s2，为了实现多微能量源的最大功率提取，ac-dc电路通过采用基于辅助线圈进行前馈控制，假设第n个微能量源基于辅助线圈采样获得的电压为vcoil_n，其频率为fn，则vcoil_n＝kn1vn，kn1为第n个微能量源基于辅助线圈采样获得的电压与第n个微能量源实际输出电压之比；将vcoil_n放大为vref_n，比例为kn2，则vref_n＝kn1vcoil_n；将采样电压叠加，获得参考电压指令vref，则vref＝vref_1+vref_2+vref_n；采样ac-dc电路电流为i，则i＝i1+i2+...+in；将电流i提取并放大为参考电流指令信号iref，则iref＝ki，iref＝iref_1+iref_2+...+iref_n，式中，iref_n为频率fn的微能量源电流参考指令信号，k为放大系数；令kkn1kn2＝rn，此时，控制参考电压指令和电流指令满足iref＝vref，即可实现ac-dc电路频率为fn，输入阻抗为r＝rn；因此，ac-dc变换电路理论最大提取输入功率为：

14、

15、式中，r为输入阻抗，vn为第n个微能量源的输出电压。

16、本发明的有益效果为：

17、1、本发明所述的一种多微能量源能量合成系统及控制方法，通过采用了基于谐振网络的微能量合成电路以及前馈控制的ac-dc电能转换电路，实现了对多微能量源的无损能量合成，并进一步地在电能变换过程中实现了最大功率提取，实现了多源协同最大功率传输；谐振网络对多微能量源进行并联合成，避免了能量源之间的能量回流，减小了能量损失，实现了不同能量源的分频能量传输功能，提高了能量提取效率。

18、2、本发明所述的一种多微能量源能量合成系统及控制方法，通过采用了匹配电容cn，实现了多微能量源的无源复阻抗匹配，减少了电路元器件数，降低了后级ac-dc电路的控制难度。

技术特征：

1.一种多微能量源能量合成系统，其特征在于，包括微能量收集模块、辅助线圈、前馈控制模块、ac-dc电路以及储能单元；所述微能量收集模块与ac-dc电路连接，所述ac-dc电路与储能单元连接，所述辅助线圈与前馈控制模块连接，所述前馈控制模块与ac-dc电路连接，所述微能量源用于收集环境中的能量，ac-dc电路用于将交流源变换为直流源并存储。

2.根据权利要求1所述的一种多微能量源能量合成系统，其特征在于，所述微能量收集模块包括若干条相互并联的微能量收集支路，若干条所述微能量收集支路分别与ac-dc电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种多微能量源能量合成系统，其特征在于，所述微能量收集支路包括微能量源和对应的匹配网络。

4.根据权利要求3所述的一种多微能量源能量合成系统，其特征在于，所述微能量源输出电压为vn、寄生内阻为rn、寄生电感ln，对应的匹配网路包括寄生电感ln和匹配电容cn，所述寄生电感ln与匹配电容cn串联。

5.根据权利要求1所述的一种多微能量源能量合成系统，其特征在于，所述ac-dc电路包括多个运算放大器n、运算放大器n+1、加法器以及比较器，多个所述运算放大器n的输入端和输出端分别为vcoil_n、vref_n，多个所述运算放大器n的输出端并联作为加法器的输入端与加法器连接，所述加法器的输入端为vrefl_n，所述加法器的输出端为vref，所述vref作为比较器的输入端与比较器连接，所述比较器的输出端为控制信号1，所述控制信号1与非门连接并输出为控制信号2，所述运算放大器n+1的输入端为i，所述运算放大器n+1的输出端为iref并且与比较器的输入端连接。

6.一种多微能量源能量合成控制方法，其特征在于，适用于权利要求1～5任一所述的系统，包括以下步骤：步骤s1，假设有n个不同频率的微能量源，且均为电磁能量源或者振动能量源，其中，第n个微能量源的输出电压为vn，vn＝vnsin(2πfn)，式中，vn为第n个微能量源的输出电压幅值，电压频率为fn，寄生内阻为rn，寄生电感为ln；第n个微能量源的谐振网络包含微能量源的寄生电感为ln和匹配电容cn，则谐振网络的谐振频率表达式为：

技术总结
本发明公开了一种多微能量源能量合成系统及控制方法，包括微能量收集模块、辅助线圈、前馈控制模块、AC‑DC电路以及储能单元；所述微能量收集模块与AC‑DC电路连接，所述AC‑DC电路与储能单元连接，所述辅助线圈与前馈控制模块连接，所述前馈控制模块与AC‑DC电路连接，所述微能量源用于收集环境中的能量，AC‑DC电路用于将交流源变换为直流源并存储。本发明通过采用了基于谐振网络的微能量合成电路以及前馈控制的AC‑DC电能转换电路，实现了对多微能量源的无损能量合成，并进一步地在电能变换过程中实现了最大功率提取；谐振网络对多微能量源进行并联合成，避免了能量源之间的能量回流，减小了能量损失，实现了不同能量源的分频能量传输功能，提高了能量提取效率。

技术研发人员：陈绍南,俞小勇,尹立群,周柯,肖静,吴晓锐,龚文兰,秦丽文,吴丽芳,莫宇鸿,郭敏,奉斌,况成忠,彭宇健
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13