基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统及控制方法

技术领域

本发明属于热电储能领域，具体涉及一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国相关部门积极推广余热回收利用技术，鼓励企业开展余热回收利用工作，加大政策和经济支持力度，提高利用效率。目前一些工业企业和城市热电厂已经开始大规模开展余热回收利用工作，取得了显著成效。总的来说，我国的余热废热情况现状仍有很大的改善空间，需要在技术、政策等多个方面继续加大力度，促进余热回收利用的发展。

热电储能技术是一种利用温度差异产生电能并存储利用的技术。温差发电技术的原理是基于热电效应，即当两个不同材料的接触处存在温度差异时，将会产生电压。这个电压差可以用来产生电流并驱动外部电路，从而产生电能。温差发电技术具有很多优点，例如不需要燃料，没有排放物，可靠性高，寿命长等。因此它被广泛应用于一些需要长期可靠性和低功率的应用，如航空航天、微型电子设备等领域。

热电储能可以用于将余热以及工业废热等转化成电力资源使用，并将多余的电能储存起来，然后在需要时释放出来供应给电网或其他设备使用。它可以作为可再生能源系统的一部分，提供稳定的电力供应，并减少对传统能源的依赖。然而，目前通过温差发电技术将废热转换电能之后的能源损耗较大，主要是热电器件的转化效率低以及转化时温度的波动导致转化出的电能的波动导致在电能传输存储时损耗较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统及控制方法，解决了现有技术中热电储能系统余热浪费以及波动影响导致传输损耗大的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，包括温差发电单元，超级电容储能单元、功率检测单元、ADRC-PI计算控制单元、DC-DC充电单元；其中，所述温差发电单元粘接至热源端外壳表面，再与功率计算单元和DC-DC充电单元连接构成温差发电部分；

功率检测单元用于检测温差发电单元的输入功率以及DC-DC充电单元的输出功率，与ADRC-PI计算控制单元进行连接，将采集到的电压电流信号传输至ADRC-PI计算单元进行控制计算，根据计算结果控制DC-DC充电单元按照相应的电压电流控制信号频率对超级电容储能单元进行充电；

所述电流信号反馈至ADRC-PI计算单元形成PI电流内环控制；电压信号反馈至ADRC-PI计算单元形成ADRC电压外环控制。

所述温差发电单元包括多个同型号功率热电器件，热端连接至热源端表面，另一端通过水浴循环控制将冷端温度控制恒温状态，再将多个热电器件进行串联连接输出。

所述的功率检测单元由电流电压功率检测芯片、分压采样电阻以及滤波电容组成。

所述ADRC-PI计算控制单元由单片机进行计算控制；其中计算控制内容包括ADRC的TD跟踪微分器对温差发电输入电压信号的跟踪拟合过度过程、线性扩张观测器对整个系统的反馈误差观测过程和误差反馈信号非线性组合输出过程以及PI电流环的控制输出过程。

所述DC-DC充电单元包括两个NMOS组成的半H桥控制电路、电容电感组成的LC谐振电路、驱动控制芯片组成的充电控制电路以及电容滤波电路。

所述超级电容储能单元包括多个超级电容进行串联连接形成的用于电能存储的超级电容模组，以及由电容和电阻组成的超级电容模组均压电路。

基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、将热电器件热端贴合至热源表面，冷端通过恒温水浴控制其温度为设定值，利用热电器件的热电效应将余热转化成电能输出；

步骤2、通过电压电流监测得出热电器件端的输出电流电压功率以及超级电容储能端的实时电压数据；

步骤3、将所采集到的热电器件输出电流电压以及超级电容储能端的实时电压数据传输至单片机进行数据处理；

步骤4、单片机处理器获取到采集到的超级电容模组数据以及系统电能的输入状态，计算出最佳的充电电流；

步骤5、采集当前充电电流与计算出的期望最佳充电电流，利用PI控制算法实现电流闭环，通过PI控制算法计算得出当前的需要控制输出的期望控制电压；

步骤6、单片机处理器利用ADRC算法中的TD跟踪微分器对热电器件的输入电流电压信号进行数据跟踪以及微分信号的采集；

步骤7、根据检测单元检测出的热电输入功率和电压以及超级电容的电能状态进行计算得出最佳的期望充电功率和期望充电电压，进行双闭环充电控制。

所述步骤7中，利用ADRC算法中的线性扩张观测器对整个系统状态观测得出的系统反馈误差，再将包括但不限于输入功率、电压、期望功率、期望电压、反馈总误差的各项数据进行非线性组合，计算得出当前控制DC-DC充电电路的最佳的PWM控制信号，实现ADRC-PI双闭环充电控制。

所述系统反馈误差的计算方法如下：

状态观测器估计系统实际状态，与测量的真实值进行对比输出系统误差；通过估计观测系统状态与实际值最终将系统误差拟合成一个系统反馈误差总值。

所述误差来源包括但不限于DC-DC充电单元充电控制精度不足、线路电能传递损耗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，以PI电流环对充电电流进行精确控制作为内环，利用ADRC控制电压环作为外环，对温差发电的波动电压状况进行跟踪拟合输出，大大降低外界温度波动对系统造成的影响。

2、本发明的一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，能够实时高精度监控温差发电端的输入以及超级电容储能组的容量状态，实现最佳的热电储能控制。

3、本发明的一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，抗干扰能力强，热电转化储能效果好，适用性强，适用范围广。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的热电储能系统框架示意图；

图2是本发明的ADRC-PI双闭环结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，包括温差发电单元，超级电容储能单元、功率检测单元、ADRC-PI计算控制单元、DC-DC充电单元；其中，所述温差发电单元粘接至热源端外壳表面，再与功率计算单元和DC-DC充电单元连接构成温差发电部分；

功率检测单元用于检测DC-DC充电单元的输出功率，与ADRC-PI计算控制单元进行连接，将采集到的电压电流信号传输至ADRC-PI计算单元进行控制计算，根据计算结果控制DC-DC充电单元按照相应的电压电流对超级电容储能单元进行充电；

所述电流信号反馈至ADRC-PI计算单元形成PI电流内环控制；电压信号反馈至ADRC-PI计算单元形成ADRC电压外环控制。

具体实施例，如图1、图2所示，

一种基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统，包括温差发电单元，超级电容储能单元、功率检测单元、ADRC-PI计算控制单元、DC-DC充电单元。具体系统结构连接形式如图1所示，所述温差发电单元粘接至余热废热排出的外壳表面，再与功率计算单元和DC-DC充电单元连接构成温差发电部分。同时功率检测单元再与计算控制单元进行连接，将采集到的电路信号传输至ADRC-PI计算单元进行控制计算，再将计算结果进行输出控制DC-DC充电单元对超级电容储能单元进行充电控制。

温差单元包括多个同型号功率热电器件热端连接至热源端表面，另一端通过水浴循环控制将冷端温度控制在20℃。利用热电效应从而将废热转换成电能输出。再将多个热电器件进行串联连接输出。水浴循环控制主要是通过恒温水箱进行流动水循环的恒温控制，将热电器件冷端温度控制在20℃。

超级电容储能单元包括多个超级电容根据计算的电能转化进行串联连接形成超级电容模组用于电能的存储，以及由电容和电阻组成的超级电容模组均压电路。因为每个电容器的自放电并不一致，这会导致在带电存储一段时间后电容器之间的电压不同，反复充放电后电容器之间的压差会变大，个别电容器电压超过额定电压，影响模组寿命，所以通过设计均压电路来维持超级电容储能单元中各电容的稳定性。均压电路为被动型均压电路，通过测量超级电容组的漏电流值，计算出电容器的等效并联电阻，根据等效并联电阻值选取均压电阻，从而达到电压均衡的目的。

功率检测单元由INA226电流电压功率检测芯片、分压采样电阻以及滤波电容组成。采样电阻根据检测芯片分压的最大电压值81.92mV来计算。

最大电流的计算公式为I

ADRC-PI计算控制单元由STM32单片机进行计算控制。其中计算控制内容包括ADRC的TD跟踪微分器对输入电压信号的跟踪拟合过度过程、线性扩张观测器对整个系统的反馈误差观测过程和误差反馈信号非线性组合输出过程以及PI电流环的控制输出过程。

DC-DC充电单元包括两个NMOS组成的半H桥控制电路、电容电感组成的LC谐振电路、驱动控制芯片组成的充电控制电路以及电容滤波电路。本发明设计采用型号为BSC109N10NS3G的NMOS管作为半H桥控制电路中的电路控制关断器件，能够较好的切合ADRC-PI计算单元的输出控制频率以及电路充电电流的阈值。

基于ADRC-PI双闭环的热电储能系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、将热电器件热端贴合至热源表面，冷端通过恒温水浴控制其温度为设定值，利用热电器件的热电效应将余热转化成电能输出；

步骤2、通过电压电流监测得出热电器件端的输出电流电压功率以及超级电容储能端的实时电压数据；电流检测主要是通过检测分压采样电阻的电流，将检测的数据通过初始化写入的芯片内部寄存器的分压电阻值进行数据计算得出电压以及功率数据。

再将所采集到的热电器件输出端数据以及超级电容储能端的信息数据通过IIC通信传输至STM32单片机进行数据处理。

步骤3、将所采集到的热电器件输出电流电压以及超级电容储能端的实时电压数据传输至单片机进行数据处理；

步骤4、单片机处理器获取到采集到的超级电容模组数据以及系统电能的输入状态，计算出最佳的充电电流；

步骤5、采集当前充电电流与计算出的期望最佳充电电流进行PI电流闭环，根据公式

步骤6、单片机处理器利用ADRC算法中的TD跟踪微分器对热电器件的输入电流电压信号进行数据跟踪以及微分信号的采集；ADRC控制包含跟踪微分器、线性扩张观测器、非线性组合器。

步骤7、根据检测单元检测出的热电输入功率和电压以及超级电容的电能状态进行计算得出最佳的期望充电功率和期望充电电压，利用ADRC算法中的线性扩张观测器对整个系统状态观测得出的系统反馈误差，再将包括但不限于输入功率、电压、期望功率、期望电压、反馈总误差的各项数据进行非线性组合，计算得出当前控制DC-DC充电电路的最佳的PWM控制信号，实现ADRC-PI双闭环充电控制。

所述系统反馈误差的计算方法如下：

状态观测器估计系统实际状态，与测量的真实值进行对比输出系统误差；通过估计观测系统状态与实际值最终将系统误差拟合成一个系统反馈误差总值。

所述误差来源包括但不限于控制精度不足、线路电能传递损耗数据。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而己，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。