张剑南同学发表中科院一区Trans论文——

用于动态温度和阻抗下的热电发电机阵列的基于FTSMC的改进型MPPT系统

2022年2月23号，实验室张剑南同学在中科院一区期刊《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》（影响因子8.236）上发表最新成果，此次研究提出了一种改进的快速终端滑模变结构控制算法（简称FTSMC）。该算法的非线性滑模面中使用的变结构滑模控制函数，使电能输出能够获得全局稳定的特性，在任何位置收敛到滑模面以减少颤振。并且通过数字建模和仿真以及实验开发现场可编程门阵列平台验证了其有效性。

背景介绍

近几十年来，随着科学技术的快速发展，全球对能源的需求不断增加。传统的、不可再生的能源不但污染环境，并且具有不可再生性。因此，新能源例如热能、风能和太阳能等引起了研究人员的广泛关注。虽然工业生产过程中会产生大量的热能，但这些热能并没有被很好的利用，大多数都被浪费掉了。而热电发电机 (TEG) 作为一种半导体器件，其通过塞贝克效应将热能转化成电能的能力得到了广泛应用。TEG具有使用寿命长、稳定性高、无噪音等优点，广泛应用于汽车尾气、热烟气管道等余热回收。在此类应用场景中，通常将 TEG 组合成一个 TEG 阵列，以提供更高的功率输出。因此，有必要在动态温度和负载变化的环境中准确跟踪 TEG 的最大功率点 (MPP)。传统的MPP跟踪方法（MPPT）已被许多学者研究和改进。本文提出了一种改进的可变结构终端滑模算法，该算法具有快速跟踪的优点。

研究原理

负载功率随电压的变化曲线呈现倒抛物线，因此单个TEG存在最大功率点。其最大功率点也就是导数为零的点。单级TEG模块的输出功率较小，通常不能直接使用。 因此，需要将多个 TEG 组合成一个 TEG 阵列以提高输出功率。MPPT 技术用于最大化 TEG 在各种温度梯度下的输出功率。传统滑模变结构控制算法可以分为三个步骤：1.确定滑模面。2.求解变结构控制函数。3.分析滑模面的可达性和稳定性。此次研究提出FTSMC系统由TEG 阵列负责输出电流和电压。 FTSMC根据TEG阵列输出的电流电压变化动态计算滑模面，然后将根据控制函数得到的输出信号传送到升压转换器，控制负载电路的输出功率。快速终端滑模控制与传统滑模变结构控制的最大区别在于前者的滑模面是非线性的，可以减少颤振。

图1：系统实验搭建 图2：MPPT系统硬件电路

总结

最后经过TEG阵列电路的理论分析、仿真和实验结果表明，与传统算法和近年来提出的其他算法相比，所提出的FTSMC算法能够快速跟踪MPP并响应外部负载的随时间变化。TEG输出功率的最大准确率为99.1%，证明了所提算法的优越性。