《電子技術(shù)應(yīng)用》
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可遠(yuǎn)程控制的光網(wǎng)聯(lián)合供電多路直流電源設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
朱景潔1,,蔡宏琨1,王士忠1,,康 寧1,,李春明2,,張建軍1
1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,,天津300350;2.愛易成技術(shù)(天津)有限公司,,天津300071
摘要: 傳統(tǒng)的直流電源通常是由電網(wǎng)供能,,并且很少具備遠(yuǎn)程控制功能,,為此提出了一種新型多路直流電源的設(shè)計(jì)方法:采用光伏發(fā)電和電網(wǎng)聯(lián)合供電策略來減少電能的消耗;采用無線控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電源的遠(yuǎn)程控制,。同時(shí)結(jié)合激光測距儀的應(yīng)用背景,,設(shè)計(jì)了一種可輸出三路電壓的小功率直流電源,其中高壓支路可在輸入為5.5 V到36 V時(shí),,輸出70 V到203 V連續(xù)可調(diào)的直流高壓,,其驅(qū)動能力可滿足一般的雪崩二極管工作需要。測試結(jié)果表明,,該電源可通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,,其輸出端紋波電壓較小,可以滿足一般的應(yīng)用需求,。
中圖分類號: TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.034
中文引用格式: 朱景潔,,蔡宏琨,王士忠,,等. 可遠(yuǎn)程控制的光網(wǎng)聯(lián)合供電多路直流電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(10):131-134.
英文引用格式: Zhu Jingjie,,Cai Hongkun,,Wang Shizhong,et al. Design of remote controlled multi-channel DC supply powered by PV and gird[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(10):131-134.
Design of remote controlled multi-channel DC supply powered by PV and gird
Zhu Jingjie1,Cai Hongkun1,,Wang Shizhong1,,Kang Ning1,Li Chunming2,,Zhang Jianjun1
1.College of Electronic and Optical Engineering,,Nankai University,Tianjin 300350,,China,; 2.AiYiCheng Technologies(Tianjin) Co. Ltd,Tianjin 300071,,China
Abstract: Traditional direct current(DC) power supply is normally powered by the grid, and rarely has the remote control function. This paper presents a new design method of multi-channel DC power supply, which adopts joint power strategy of photovoltaic(PV) and grid to reduce the consumption of electric energy and uses wireless control technology to achieve remote control of the power supply. Combining with the application background of the laser range finder, we designed a DC power supply with three-way outputs. This supply can output 70 V~203 V continuous adjustable DC high voltage when the input voltage is 5.5 V~36 V, and its driving ability can meet the needs of the avalanche diode. The test results show that the power supply can achieve remote control of the power supply through the mobile phone, and the output voltage ripple of this supply is small, which can meet the general requirements.
Key words : photovoltaic power generation,;remote control;direct current power supply,;direct current high voltage

0 引言

    隨著科技的進(jìn)步,,太陽能應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。以集中式光伏電站和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的發(fā)展形式,,使得光伏發(fā)電的普及率迅速提高,。雖然,,當(dāng)前大量的光伏發(fā)電技術(shù)研究是圍繞著并網(wǎng)和分布式發(fā)電展開的,但在小功率直流應(yīng)用領(lǐng)域光伏發(fā)電亦存在巨大的發(fā)展空間,??紤]到太陽能電池輸出的不穩(wěn)定性,現(xiàn)有的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般離不開儲能器件,,這樣不僅會造成系統(tǒng)成本的增加,,亦會帶來額外的環(huán)境污染[1]

    并且,,目前實(shí)驗(yàn)室中使用的小功率直流電源大多是由電網(wǎng)直接供電,,如果能將光伏發(fā)電引入其中,將會在一定程度上降低電網(wǎng)電能的消耗,。采用電網(wǎng)和光伏聯(lián)合供電策略,,可以較好地解決光伏輸出不穩(wěn)定的問題。借助遠(yuǎn)程控制技術(shù),,還可方便用戶對電源實(shí)施控制,,為用戶在特殊實(shí)驗(yàn)環(huán)境(諸如有毒環(huán)境)下使用電源提供便利。另外,,在某些場合用戶通常希望電源的輸出是多路的,,制作多路輸出電源可以滿足用戶的這種需求。

    綜上所述,,為了進(jìn)一步降低小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用成本,,本文提出了一種小功率光網(wǎng)聯(lián)合供電的多路直流電源設(shè)計(jì)方法。利用光伏發(fā)電和電網(wǎng)聯(lián)合供電策略,,以新型微處理器和電源管理芯片為核心,,通過改進(jìn)傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法,,在兼顧成本和控制算法復(fù)雜度的前提下,,實(shí)現(xiàn)對太陽能的充分利用;采用遠(yuǎn)程通信技術(shù),,以實(shí)現(xiàn)對電源的遠(yuǎn)程無線控制,,提高電源的智能化。同時(shí),,為了滿足多樣化的用戶需求,,本文采用多路輸出方法來設(shè)計(jì)電源;結(jié)合傳統(tǒng)的Buck降壓電路和Boost升壓電路,,可以輸出具有一定驅(qū)動能力并且在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的直流電壓,,為了保證安全,電源自帶了過壓過流保護(hù)電路。最后,,結(jié)合激光測距儀高壓偏置電路的實(shí)際調(diào)試需要,制作了一個(gè)輸入電壓可在5.5 V~36 V變化,,可同時(shí)輸出三路電壓,,并可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的小功率直流光網(wǎng)聯(lián)合供電電源。電源的高壓輸出支路制作簡單,,成本較低,,紋波電壓較小,可滿足高精度激光測距儀中雪崩二極管的應(yīng)用需求[2],。

1 基本原理

1.1 小功率多路直流電源設(shè)計(jì)原理

    獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的一種重要形式,,可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題?;趥鹘y(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建而成的多路直流電源原理圖如圖1所示,。由于光伏出力受光照和其他外部因素影響較大,因此獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)大多需要配備蓄電池等儲能設(shè)施,。但是蓄電池的使用成本和維護(hù)成本較高,,而且含有重金屬元素,這在一定程度上限制了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的發(fā)展,。與此同時(shí),,在電網(wǎng)供電的區(qū)域,光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用并網(wǎng)運(yùn)行策略,,但是大量的光伏發(fā)電設(shè)施并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來了一系列問題(諸如諧波污染,、直流注入等),不利于電網(wǎng)的正常運(yùn)行[3],。本文在圖1的電源設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上,,將獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相結(jié)合,并對傳統(tǒng)的光伏發(fā)電MPPT控制算法進(jìn)行了優(yōu)化,,來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與電網(wǎng)的聯(lián)合供電,。電源輸出電路采用經(jīng)典的Buck降壓和Boost升壓電路[4]。同時(shí),,結(jié)合德州儀器公司推出的電源在線設(shè)計(jì)仿真平臺(WENENCH),,對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了仿真、改進(jìn)和優(yōu)化,。

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1.2 遠(yuǎn)程控制原理

    隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,,出現(xiàn)出了藍(lán)牙、Wi-Fi,、紅外以及ZigBee等一系列便捷無線通信技術(shù),。在當(dāng)前的移動終端中,幾乎普及了藍(lán)牙和Wi-Fi通信模塊,,這為傳統(tǒng)電源的發(fā)展帶來了新的契機(jī),,使得對電源的智能化遠(yuǎn)程控制成為可能[5],。本文將無線通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中,通過手機(jī)客戶端里自行編寫的應(yīng)用程序,,借助手機(jī)內(nèi)置的藍(lán)牙或Wi-Fi模塊來實(shí)現(xiàn)對電源的遠(yuǎn)程控制,。在控制過程中,還可采用多種加密算法來確保遠(yuǎn)程控制的安全性,。

2 整體設(shè)計(jì)方案

    可遠(yuǎn)程控制的光網(wǎng)聯(lián)合供電多路直流電源的整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示,。整個(gè)電源分為三大模塊,分別是:光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊,、人機(jī)交互與遠(yuǎn)程控制模塊和多路電源輸出模塊,。

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2.1 光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊的設(shè)計(jì)

    光網(wǎng)聯(lián)合供電是指光伏發(fā)電和電網(wǎng)聯(lián)合供電,實(shí)質(zhì)上是將如圖1所示的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)施去掉,,將電網(wǎng)視為儲備電能供應(yīng)端,。當(dāng)光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定時(shí),這種供電方式可以實(shí)現(xiàn)無間斷供電[6],。如圖2所示,,微處理器通過采樣光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊的電壓和電流,采用脈寬調(diào)制技術(shù),,可實(shí)現(xiàn)對AC/DC轉(zhuǎn)換器的控制,。通過改變U2,借助二極管的單向?qū)ㄌ匦?,可對光伏組件實(shí)施MPPT跟蹤或采用(Constant Voltage Tracking,,CVT)恒電壓控制法來進(jìn)行相應(yīng)控制。當(dāng)外界光照充足時(shí),,電源可以完全依靠光伏供電,;當(dāng)光伏輸出因環(huán)境發(fā)生突變時(shí),采用合適的控制策略可在保證電源穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),,盡量提高太陽能的利用率,。常見的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法有一階差分“上山”算法、擾動觀測法以及電導(dǎo)增量法等[7],。其中,,文獻(xiàn)[8]中提出了一種將CVT算法與MPPT算法相結(jié)合的電壓變化率受限MPPT算法,為本文控制策略的設(shè)定提供了一定參考,。

    假定,,圖2中的二極管為理想器件;多路電源輸出模塊能夠正常工作所需的最小電壓為Ur,;光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊中的AC/DC變換器受微處理器控制,,微處理器可以調(diào)整U2的值。本文采用改進(jìn)的CVT策略來控制光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊的運(yùn)行,如圖3所示,。改進(jìn)的CVT策略是指:根據(jù)Ur和光伏組件的輸出特性曲線,,由微處理器設(shè)定合適的電壓控制值,當(dāng)光伏組件單獨(dú)供電可以滿足負(fù)載需求時(shí),,將U2設(shè)定為Ur,;當(dāng)光伏組件單獨(dú)供電不能滿足負(fù)載需求時(shí),可通過改變U2值,,啟動MPPT控制算法,,來提高組件的輸出功率,。

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    在執(zhí)行MPPT算法時(shí),,微處理器的功耗會有所增加,如果系統(tǒng)所使用的光伏組件額定輸出功率較小,,會出現(xiàn)增加的損耗大于執(zhí)行MPPT算法多獲得的能量,,此時(shí),系統(tǒng)可直接采用CVT控制,,還可將AC/DC設(shè)為固定輸出,,以降低電源的設(shè)計(jì)成本和控制復(fù)雜度。由于本文所設(shè)計(jì)的是小功率直流電源,,因此可直接采用CVT控制策略,,同時(shí)為了方便后續(xù)電源的升級,保留了適用于大功率直流電源的MPPT控制接口,。

2.2 人機(jī)交互與遠(yuǎn)程控制控制模塊

    人機(jī)交互與遠(yuǎn)程控制模塊是由微處理器,、電壓電流采樣電路、過流過壓保護(hù)電路,、顯示器,、按鍵、藍(lán)牙模塊和MPPT控制接口等組成,。微處理器采用德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗處理器MSP430FR5969,,其時(shí)鐘頻率高達(dá)16 MHz,采用16位精簡指令集計(jì)算架構(gòu),,擁有64 kB的超低功耗鐵電存儲器,、兩個(gè)增強(qiáng)型串行通信接口和高達(dá)16個(gè)外部通道的12位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖4給出了該模塊的主要原理圖,,圖4中的電壓和電流采樣電路僅給出了一路,,將微處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓設(shè)定為2 V,其他測量支路架構(gòu)與圖4給出的示例相同,,不同之處僅在于 R1,、R2和RS的大小,通過采樣電路可以測得電源各輸出端的電壓和電流值,以便進(jìn)行相應(yīng)的控制,。過流過壓保護(hù)電路可驅(qū)動繼電器,,通過對輸出電壓、電流的判定,,來執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作,。顯示器采用LCD12864,為了節(jié)省微處理器的外部接口,,采用串行寫入模式,。按鍵采用觸摸式獨(dú)立按鍵,對電源進(jìn)行相關(guān)的控制,。藍(lán)牙模塊采用CC2541芯片,,來實(shí)現(xiàn)與手機(jī)客戶端的通信。手機(jī)客戶端采用華為U9508手機(jī),,通過藍(lán)牙模塊對電源進(jìn)行控制,。預(yù)留的MPPT控制接口,可通過脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)施MPPT算法,。

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2.3 多路電源輸出模塊

    多路電源輸出模塊是由2路降壓電路和1路升壓電路組成,。其中,2路降壓電路采用TPS5430電源控制芯片,,1路升壓電路采用LM2586作為電源控制芯片,。借助WEBENCH在線設(shè)計(jì)仿真軟件可以得到如圖5所示的設(shè)計(jì)原理圖。圖5(a),、圖5(b)和圖5(c)的轉(zhuǎn)換原理類似,,均是通過電阻R1和R2形成反饋環(huán)路,再由芯片內(nèi)部電源控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,。

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    由圖5可得出具體的電壓輸出公式為:

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    通過式(1)可知,,改變R1、R2的值即可改變輸出電壓的值,,因此多路電源可以根據(jù)需要設(shè)定為固定輸出或者可變輸出,。

    本電源采用的光伏組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,輸出額定功率為10 W,,對應(yīng)的輸出電壓為17.6 V,。為了進(jìn)一步驗(yàn)證多路電源轉(zhuǎn)換電路的性能,給出了5 V和3.3 V電源在17.5 V輸入時(shí)的效率仿真曲線,,同時(shí)給出了直流高壓支路在10 V輸入,、200 V輸出時(shí)的效率仿真曲線。如圖6所示,。

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3 應(yīng)用實(shí)例

    結(jié)合文獻(xiàn)[2]中所述的激光測距儀中雪崩二極管高壓偏置電路的實(shí)際應(yīng)用背景,,設(shè)計(jì)完成了一種可遠(yuǎn)程控制和實(shí)現(xiàn)三路電壓輸出的小功率光伏電源,。考慮到直流高壓支路具有一定的驅(qū)動能力,,可能會對人體造成損害,,因而采用遠(yuǎn)程控制的方法,可在不接觸電源模塊的情況下進(jìn)行相關(guān)調(diào)試,。此電源的三路輸出分別為5 V支路(最大輸出電流為2 A),、3.3 V支路(最大輸出電流為2 A)和70~203 V(最大輸出電流為50 mA)可調(diào)支路。電源的光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊和人機(jī)交互與控制模塊可按照本文2.1和2.2章節(jié)敘述的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),,整機(jī)的程序流程圖如圖7所示,。

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    多路電源輸出模塊中,5 V支路可按照圖5(a),、圖5(b)所示的原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì),,可供微處理器和顯示等電路工作。而對于高壓支路,,仿真軟件給出的電路(見圖5(c)),,元件成本較高,,為了降低電源的硬件成本,,替換了一些成本較高的元件,同時(shí)去掉了輸出端的變壓器,,改為直接耦合的輸出方式,,得到了如圖8所示的直流高壓電路,該電路可輸出高達(dá)200 V的直流電壓,。通過改變圖8中的R8,,可得到連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。圖8給出的電阻電容值為理想數(shù)值,,而普通電阻通常會存在一定的偏差,,因此,設(shè)計(jì)出的電源需要進(jìn)行阻值校正,。

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    實(shí)際測試表明:5 V支路和3.3 V支路的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上,,每條支路可保證5 W以下的安全輸出;同時(shí),,高壓支路可輸出70 V~203 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓,,在輸出電壓為203 V時(shí),可輸出不小于5 mA的電流,。主要測試儀器為泰克TPS1102示波器和福祿克F17B+數(shù)字萬用表,。圖9是電源在正常工作條件下的各支路紋波電壓測試結(jié)果,其中,,圖9(a)和圖9(b)分別是5 V和3.3 V支路在負(fù)載為103 Ω時(shí)的紋波電壓測試結(jié)果,;圖9(c)~(d)是高壓支路在輸出為203 V,、負(fù)載為41.2 kΩ時(shí)紋波電壓測試結(jié)果。當(dāng)高壓支路輸出為203 V/4.9 mA時(shí),,紋波電壓峰峰值為1.88 V,,為輸出電壓的0.9%。

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4 結(jié)論

    本文主要提出了一種可遠(yuǎn)程控制的光網(wǎng)聯(lián)合供電多路直流電源設(shè)計(jì)方法:將光伏發(fā)電引入傳統(tǒng)的電源中,,來減少傳統(tǒng)電源的電能消耗,;并提出了遠(yuǎn)程控制電源的設(shè)計(jì)思路,為在有毒,、封閉等特殊環(huán)境中使用電源提供了一條可行的途徑,。同時(shí),本文設(shè)計(jì)了一種可滿足雪崩二極管工作的三路輸出電源,,結(jié)合激光測距儀的應(yīng)用背景,,驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)方法的可行性。

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