激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法技术方案

本发明专利技术公开了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，属于激光无线电能传输的技术领域。本发明专利技术首先构建输出功率最大的SP结构以及TCT结构，针对SP结构以及TCT结构光伏阵列在不均匀光照下的研究存在局限性，提出相应的最优结构搜索算法来分别构建输出功率最大的SP结构和TCT结构，接着根据两种优化结构的最大输出功率择一作为光伏阵列最优串并联方式，实现了光伏阵列的最大功率输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，属于激光无线电能传输的

技术介绍
随着电气设备日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差，不安全可靠等问题。尤其是在用电设备和供电系统存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好的优点，适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。如图1所示为激光无线电能传输系统的通用结构，其中接收端的光伏阵列是重要部件，其转换效率对系统整体的电能传输效率有着直接的影响。但目前光伏阵列的转换效率最大为30％，其较低的转换效率阻碍了激光无线电能传输技术的发展和应用，因此提高光伏阵列的转换效率对提高激光无线电能传输效率具有重要理论意义和实际应用价值。在系统中激光束照射到光伏阵列上的光斑均匀性较差，导致光伏阵列的输出特性受到很大的影响：一是全局峰值功率的降低，二是多峰值造成传统最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)控制技术的失效。尽管激光束照射到光伏阵列上的光斑是不均匀的，但是其光强分布却是确定的(呈高斯分布)。因此可以通过改变光伏阵列的串并联方式，调整不均匀光照在光伏阵列电气结构中的分布，来获得较高的输出功率。通常光伏阵列的连接结构主要有串并联(series-parallel,SP)结构和完全交叉联结(totally-cross-tied,TCT)结构，如图2(a)和图2(b)所示。但是目前针对这两种结构在不均匀光照下的研究具有如下局限性：一是光伏电池所受光照强度比较简单，要么完全光照，要么完全遮挡；二是不均匀光斑比较规则。然而在激光照射下所形成的高斯光斑情况比较复杂，其光照强度按高斯曲线分布，中心光强最强，四周光强较弱。因此现有研究并不能很好的解决激光照射下光伏阵列输出功率不高的问题。为此需在SP和TCT结构的基础上研究激光照射下提高光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，通过设计快速、简便的最优结构搜索算法来选择SP结构、TCT结构光伏阵列，并以选取的组合方式的作为最优串并联方式，提高了激光照射下光伏阵列的转换效率，解决了现有技术在不均匀光照下研究SP结构和TCT结构具有局限性以及不均匀光斑影响光伏阵列输出功率的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，包括如下步骤：A、优化光伏阵列SP结构：利用迭代方式构造输出功率最大的光伏阵列串联支路，每次迭代构造的串联支路在其最大功率点处的电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等；B、优化光伏阵列TCT结构：利用迭代方式构造所受光照之和相等的光伏子阵列；C、比较优化后光伏阵列SP结构和优化后的光伏阵列TCT结构，以输出功率最大的光伏阵列结构作为最优串并联方式。作为所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法的进一步优化方案，步骤A所述优化光伏阵列SP结构的方法为：A1、将电池元按照所受光强由大到小的顺序排列成电池元集合；A2、选取电池元集合中的前n个电池元串联组成当前迭代构造的串联支路，n为正整数；A3、比较在当前构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压：在当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等时，返回步骤A2，否则，在电池元集合中选取当前所受光照最强的电池元替换当前构造串联支路中光照次弱的电池，直至当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等，返回步骤A2；A4、将每次迭代构造的串联支路并联后形成SP结构。作为所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法的进一步优化方案，步骤B所述优化光伏阵列TCT结构的方法为：B1、将电池元按照所受光强由大到小顺序排列成电池元序列；B2、将电池元序列中各电池元依次添加到当前光强之和最小的子阵列中构成初始阵列T0；B3、求初始阵列T0中所有电池元所受的平均光强G0、初始阵列T0中光强之和最大子阵列的光强之和与平均光强之差△G0max、初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和与平均光强之差△G0min；B4、依次求取初始阵列中光强之和最大子阵列中第i个电池元与初始阵列中光强之和最小子阵列中第j个电池元之间的光强差△Gij，所述电池元j所受光强比电池元i所受光强弱；B5、选择与△G0max和△G0min最接近的△Gij所对应的电池元进行互换，构建新阵列T1；B6、在新阵列T1中光强之和最小子阵列的光强之和大于初始阵列T0中光强之和最小子阵列的光强之和时，用新阵列T1替代初始阵列T0，返回步骤B3重新优化光伏阵列TCT结构；否则，结束迭代。再进一步的，所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法中，电池元所受光强由表达式：确定，其中，x、y为电池元在光伏阵列坐标系中的坐标，Gx,y为电池元所受光强，G0,0为光伏阵列原点处的光强，Dx,y为电池元到光伏阵列原点的距离，w0为光斑半径，m表示光伏阵列的总行数，n为光伏阵列的总列数。再进一步的，所述激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，利用MPPT控制技术确定最大功率点。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)考虑到现有技术中针对激光照射下光伏阵列效率最优的串并联组合方法的研究较少，本专利技术提出一种提高激光照射下光伏阵列转换效率的最优串并联组合方法，首先构建输出功率最大的SP结构以及TCT结构，针对SP结构以及TCT结构光伏阵列在不均匀光照下的研究存在局限性，提出相应的最优结构搜索算法来分别构建输出功率最大的SP结构和TCT结构，接着根据两种优化结构的最大输出功率择一作为光伏阵列最优串并联方式，实现了光伏阵列的最大功率输出；(2)考虑到在激光照射下所形成的高斯光斑情况比较复杂且高斯光斑的光照强度按高斯曲线分布的特性，本专利技术将电池元在光伏阵列坐标系下的坐标带入高斯光束的强度分布方程中以求得光伏电池元上的光强，从而可以确定符合高斯曲线分布特性的光强分布，是寻找提高激光照射下光伏阵列转换效本文档来自技高网...

【技术保护点】
激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，包括如下步骤：A、优化光伏阵列SP结构：利用迭代方式构造输出功率最大的光伏阵列串联支路，每次迭代构造的串联支路在其最大功率点处的电压与前一次迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等；B、优化光伏阵列TCT结构：利用迭代方式构造所受光照之和相等的光伏子阵列；C、比较优化后光伏阵列SP结构和优化后的光伏阵列TCT结构，以输出功率最大的光伏阵列结构作为最优串并联方式。

【技术特征摘要】
1.激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联方法，其特征在于，包
括如下步骤：
A、优化光伏阵列SP结构：利用迭代方式构造输出功率最大的光伏阵列串联
支路，每次迭代构造的串联支路在其最大功率点处的电压与前一次迭代构造的串
联支路输出最大功率时对应的电压相等；
B、优化光伏阵列TCT结构：利用迭代方式构造所受光照之和相等的光伏子
阵列；
C、比较优化后光伏阵列SP结构和优化后的光伏阵列TCT结构，以输出功
率最大的光伏阵列结构作为最优串并联方式。
2.根据权利要求1所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联
方法，其特征在于，步骤A所述优化光伏阵列SP结构的方法为：
A1、将电池元按照所受光强由大到小的顺序排列成电池元集合；
A2、选取电池元集合中的前n个电池元串联组成当前迭代构造的串联支路，
n为正整数；
A3、比较在当前构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联
支路输出最大功率时对应的电压：
在当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次迭代构造的串联支
路输出最大功率时对应的电压相等时，返回步骤A2，
否则，在电池元集合中选取当前所受光照最强的电池元替换当前构造串联支
路中光照次弱的电池，直至当前迭代构造的串联支路最大功率点处电压与前一次
迭代构造的串联支路输出最大功率时对应的电压相等，返回步骤A2；
A4、将每次迭代构造的串联支路并联后形成SP结构。
3.根据权利要求1所述的激光无线电能传输系统中光伏阵列的最优串并联
方法，其特征在于，步骤B所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：金科，周玮阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32