电容式电场能收集装置整流调理电路MPPT技术

出能量;当储能装置能量均充满时，光伏电池斩波电路工作于电压控制方式，用来稳定直流母线的电压，电磁场能集能装置工作在MPPT 模式;当超级电容放完电且自供能电源输出能量不足以满足负载的用电需求时，启动备用电池进行供电，这种状态为紧急状态，只在故障情况下才会产生，设计时应使自供能的功率满足负载的用电需求。

本文研究的重点如图1 所示，为电场能集能装置及其输出整流调理电路。电磁场能集能装置整流调理电路始终工作于MPPT 模式，使电场能集能装置输送至电网的功率达到最大。　

3.电场能集能装置整流调理电路拓扑　　

电容式电场能电场能集能装置，是用平板电容器置于交变的电场中，其两端感应出交流电压，将电场能转换为电能，向负载进行供电。其结构如所图2 示。

由电磁场理论可知，平行板电容器的存储能量可表示为：

当集能电容做为电源，向外输出电能时，其等效电路模型可近似为一个交流电压源串联一个电阻和一个电容，其中，电阻为集能装置输出损耗等效电阻，电容为集能装置的电源输出电容，其值等于集能电容器的电容值。

根据公式(4)到(6)，要想降低电容集能装置的电源内容抗，需要增大集能装置的电容。减小极板间距离可以增大集能电容，但电容极板距离的减小又会降低极板之间的电压。因此，可采取在电容两极板间加入介电常数较高的介质，增大极板的面积，减小极板之间的距离等措施，但这些措施又会导致电容输出电压的降低，所以，需要同时具备整流与升压功能的电力电子调理输出电路，使电场能集能装置输出可并入48V 直流母线。　　

因此，选用PWM 整流器作为电场能集能装置调理输出电路。其电路拓扑如图3 错误!未找到引用源。所示。ac V 表示集能装置等效交流电压有效值，R 为系统等效内阻，包括集能装置内电阻，电力电子装置内电阻等，C为集能装置输出电容，L为PWM整流电路输入电感，o i 为集能电容输出电流，S1 ~ S4为四个全控型 功率开关管，id 表示输送到电网的电流，Cd 为直流侧电容。PWM 整流器不但具有整流与升压功能，与二极管整流相比，电流流过通态电阻极低的功率MOSFET，而不是二极管，使整流损耗大大降低，并具备输入电流连续可控等优点，适合运用于电场能集能装置整流调理电路。

4.整流调理电路MPPT 控制技术　　

为了控制集能电容输出电流，并提高系统的稳定性，采用电流闭环反馈控制方式。将集能装置输出电容框进整流电路中，所示该系统控制框图：

从图5 和图6 可以看出，当ac V 或R 变化时，最大功率点也会随之变化， ac V 与空间电场的强度、方向、集能电容特性等因素相关，R 值则与集能电容的填充介质的材料，电力电子器件导通阻抗，开关频率等条件有关，是否受电场强度大小和方向的影响，还需要进一步实验加以验证。如何在电场大小和方向均时刻变化的变电站电磁环境中快速的找到最大功率点，则成为MPPT 算法的关键。

根据公式(9)，如果测出集能电容等效电压源电压Vac与系统等效内阻R 的值，即可求出电路最大功率输出点。但由于平板电容器供电时，其两端电压为Vac与等效内电容，内电阻电压之和，所以Vac 在实际系统中很难直接测出，而R 的值会随周围温度、湿度、电场等条件变化而变化，也很难直接测出。所以，需要一定的算法来实现该电路的MPPT 控制。　　

5.MPPT算法的实现　　

电场能集能装置的MPPT 控制可以借鉴光伏系统。光伏系统中常用的MPPT 控制方法有：恒定电压法，扰动观察法，增量电导法等。由于本系统中控制为输出电流，且最大功率点电流值随电场强度、方向等因素变化很大，恒定电压法并不适合于此控制。因此，本文选用扰动观察法作为其MPPT 控制算法。扰动观察法可以在系统参数R、ac V 未知的情况下，只需要测量电路电流等参数即可实现算法，具有采样参数少、只需进行简单的逻辑判断，编程容易实现、系统稳定等优点。

电场能集能装置扰动观察MPPT 控制与光伏发电中扰动观察MPPT 控制策略相类似。但不同的是，电场能集能装置输出为交流，输入到电网的电流也是时刻变化，可光伏阵列输出则为直流。因此，并不能像光伏发电MPPT 控制一样进行实时的控制。设集能装置等效电压源电压与输出电流的瞬时值同相位，分别为：

6.仿真验证

7 结论　　

在变电站无线传感器供电的直流网络中，电磁场能集能装置整流调理电路始终工作于MPPT模式，即最大限度地向直流电网输出功率。文中用于电容式电场能集能装置MPPT 控制的整流调理电路拓扑，具有比其他电路拓扑更优越的性能，且该电路具有良好的电流跟踪特性，适合运用于电场能集能装置MPPT 控制技术。文中分析并给出