1、第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:国家自然科学基金项目(51166013);南京工程学院引进人才科研启动基金项目(YKJ201533)收稿日期:20211015修改日期:20220110esearch on MPPT Optimization Control of Low and Medium TemperatureDistributed Thermoelectric Power Generation System*WU Fuyu1，HU Shenhua2
2、*，XU Jingyang1(1Peixian Power Supply Branch，State Grid Jiangsu Electric Power Co，Ltd，Xuzhou Jiangsu 221000，China;2School of Energy and Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211167，China)Abstract:Due to the difference of heat transfer in thermoelectric systems，the output o
3、f each thermoelectric generation(TEG)is not uni-form，so the differential influence of distributed and centralized MPPT on thermoelectric systems is studied A laboratory furniture com-posed of 32 TEGs for the thermoelectric system is built The experiment is carried out under nine operating conditions
4、 with inlet air tem-perature of 150，200，250 and air flow rate of 12 kg/h，14 kg/h，16 kg/h The experimented results show that the output powerof thermoelectric generation is not simply decreasing progressively along the heat flow inlet，and the thermoelectric generation under dis-tributed MPPT can real
5、ly achieve the maximum power output Based on the output characteristics of thermoelectric power generation，animproved short-circuit current combined with particle swarm optimization(PSO)is proposed to realize the distributed MPPT algorithm，and the feasibility of the proposed algorithm is verified th
6、rough simulationKey words:thermoelectric power generation;distributed;MPPT;experimental analysisEEACC:8110D;8230doi:103969/jissn10059490202301032中低温分布式热电发电系统 MPPT 优化控制研究*吴馥郁1，胡申华2*，徐菁阳1(1国网江苏省电力有限公司沛县供电分公司，江苏 徐州 221000;2南京工程学院能源与动力工程学院，江苏 南京 211167)摘要:由于热电系统存在换热的差异导致每个热电片(TEG)输出不均匀，因此研究了分布式与集中式最大功率跟
7、踪(MPPT)在热电发电系统的差别影响。搭建了由 32 片 TEG 构成的热电系统实验台，实验过程是在入口空气温度为 150、200、250，空气流量分别为 12 kg/h、14 kg/h、16 kg/h 共计九种工况下展开的。实验表明，输出功率并不是简单地沿热流进口端递减的，且分布式 MPPT 下的热电发电能够真正实现最大功率输出。在热电发电输出特性基础上提出滤波下的改进短路电流结合粒子群(PSO)实现分布式 MPPT 算法，并仿真验证了所提出算法的可行性。关键词:热电发电;分布式;MPPT;实验分析中图分类号:TM319文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01019206节
8、能减排是全球社会关注的焦点，社会发展生产伴随着生活废热以及工业热排放的产生。而在汽车行业、火电厂、锅炉等产出的废热都可以二次利用。热电发电是将低品位废热转化电能的环境友好型发电技术，具有无噪声、无污染排放等优势。虽未普及民用，但在航天1、汽车尾气2、偏远地区3 等特殊场合早已广泛应用。目前限制热电发电发展的主要原因在于其热电转换效率很低，当今对热电片(Thermoelectric Gener-ation，TEG)的研究主要在于热电材料研发45，建模改进6，最大功率跟踪78 等。由于单个 TEG 输出的功率很小，市面上的应用采用多模块混联等形式提高输出功率。然而 TEG 的应用多暴露于室外，热流
9、在空间上的不均匀分布使得每个 TEG 的工况不同，加上 TEG 质量性能的优劣参差，帕尔贴效应9 影响等，使得常用的集中式最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制无法使每个 TEG 达到最优，也就失去了最大功率跟踪的意义。文献 1011 不管是采用传统 MPPT 或改进算法，都不可避免地产生功率振荡损耗或测量固有损耗，也有文献12 采用相应的功率变换器，但是对于复杂多级功率转换器的制作带来的成本与廉价、小功率的热电发电技术思想相悖。虽然分布式控制已在风光发电技术上得到应用，但很少有文献从实验的角度研究分布式下的热电发电输出特性，该研究为今后增加热
10、电转换效率提供实验数据支撑。为达到每片 TEG 的真正最大功率输出，测量结果的准确性是 MPPT 实现的前提，因此本文在短路第 1 期吴馥郁，胡申华等:中低温分布式热电发电系统 MPPT 优化控制研究电流 MPPT 算法的基础上先用卡尔曼滤波做到精准测量，在仿真平台上结合 PSO 算法将每一个热电模块视为 PSO 算法的一个粒子，满足温差波动下的分布式最大功率输出。最终对比分布式的实验数据，验证该算法在热电发电 MPPT 上的有效性。1热电发电介绍热电发电又称温差发电，是基于热电材料的塞贝克(Seebeck)效应的新能源发电技术。基本热电单元是由 P 型和 N 型耦合半导体通过金属互联组成的，
11、为了应对实际应用，往往将许多基本热电单元组成一个热电模块，两片电绝缘陶瓷板用来接触冷热两端，而 TEG 可以通过串并联来满足负荷需求。热电发电电动势与 TEG 两端的温差可以写成:Uoc=(pn)(ThTc)=T(1)式中:p和 n分别为 P 导体和 N 导体的塞贝克系数，符号极性一般 P 为正极性，N 为负，为两种导体的相对塞贝克系数，单位为 V/K，的大小取决于半导体材料，一般值很小。Th、Tc分别为半导体热电片热端和冷端温度，T 表示其两端温差大小，Uoc表示 TEG 开路电压13。2实验方案21实验台搭建该实验装置由引风系统、电加热系统、冷却水循环系统和测量数据采集仪器组成。实验部分由
12、一个大小为50 mm50 mm，厚度为2 mm，内部通有热空气的紫铜方管构成热侧交换器，冷侧由 4 根 40 mm20 mm 通有冷却水的扁紫铜管组成。实验所用 TEG是由 Marlow Industries 生产的 TG126024，该型号的TEG 冷面为 40 mm40 mm，热面为40 mm44 mm，厚度为 33 mm。与之前所研究的集中式热电发电系统将 4 片 TEG 夹持在冷热紫铜方管不同14，本实验使用了 32 片 TEG，方管四侧壁面每侧紧密排列布置 8片，并夹持在方管和冷却水管之间，如图 1 所示。将方管管壁四面相同位置的 4 片 TEG 串联，以热空气入口排序，组成四面相串
13、联(FSSC)的连接形式，共组成 8 组分布式热电电源模块。实物如图 2 所示。1引风机;2测速仪;3配电控制箱;4空气加热器;5滤网;6、7冷却水管;8热侧方管;9冷却水箱;10冷却循环水泵;11滑动变阻排;12上位机;13采集模块图 1热电发电实验测试图图 2热电片排布实物图在引风机出口段安装了质量风速计，量程为 040 kg/h，在实验进口段和出口段安装了滤网，并布置了四对热电偶测量进出口的空气温度。热电电源的负载为精密滑线式可调电阻(0150)，共 8 个。空气流量、串联组成 TEG 的端电压及电流由研华公司生产的亚当模块采集，将采集的数据通过串口送入上 位 机 显 示 并 存 储。实
14、 验 所 涉 及 的 温 度 用02 mm 铜康铜 T 型热电偶测温，误差为 01 K。加热器及引风机调节等器件都与文献 14前期研究的集中式热电系统实验台相似。391电子器件第 46 卷实验的入口热空气温度分别设定为150、200 及 250，空气流量分三档，即 12 kg/h、14 kg/h 及16 kg/h。启动风机，设定流量及温度后，启动循环冷却水，一般初次启动到设定工况并稳定下来，需要2 h 左右。变换流量，则需 05 h 以上的稳定时间。当入口温度能长时间保持在1 时，实验进入稳态后可调节电阻，待 8 组热电回路进入稳态，记录实验数据，绘制特性曲线。22实验结果处理与分析根据入口热
15、空气温度 T 与引风机三档流量 M 分设 9 种实验工况，FSSC 连接形式下组成的分布式热电发电的输出功率曲线如图 3 所示，功率和负载电阻的关系近似抛物线，并且有一个最高功率点，没有出现光伏发电系统的多峰现象。根据最大功率定理，当负载阻值等于模块阻值时，TEG 最大功率就会达到15。虽然实际的热侧温度与供应商提供的值不同，造成匹配的负载电阻与供应商提供的内阻并不完全相同，但基本上对应了最大功率值时负载阻值与内阻相匹配的原则。在FSSC 下的最大功率点阻值对应在 15，符合 MPPT 在热电发电上的适用性原理。图 3FSSC 的功率输出曲线图 4FSSC 的 PI 特性曲线对于 FSSC 连
16、接，每一组四周串联 TEG 可看成TEG 电源模块，由图 4 所示在温差 150、空气流量12 kg/h 下，方腔前后 8 组 TEG 分立下特性曲线对比中可知，第一组输出的功率要远高于其余 7 组，但特性曲线也不 是 依 次 递 减，最 后 两 组(FSSC7，FSSC8)要高于前面的几组。TEG 的输出功率与电流的关系如式(2)所示，int为 TEG 的内阻，IL表示负载电流。在冷热面温差一定的情况下，电流与功率为二次函数的关系。在改变负载电阻的过程中，冷热面的温差其实是有变化的，即电流和功率并不是严格的二次函数的关系。在 8 组 FSSC 连接形式中，FSSC1 最大以及 FSSC7 和 FSSC8 出现超过中间几路的情况都和温度分布直接相关。因为在空气出口段有一个滤网，使得后面两路 TEG 的换热强度增大，温差上升。PTEG=TILintI2L(2)为了验证集中与分布式在 MPPT 下的功率差别，实验在保持 TEG 数量不变的情况下将敷设紫铜管四面的 32 片 TEG 每一面的片之间相串联(SSSC)，在相同的 9 种工况下，得到如图 5 所示的 P 特性曲线。图 5SSSC
