0 引言

    隨著科技的進步,，太陽能應用得到了迅猛的發(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,，當前大量的光伏發(fā)電技術研究是圍繞著并網(wǎng)和分布式發(fā)電展開的，但在小功率直流應用領域光伏發(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,，目前實驗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。借助遠程控制技術,，還可方便用戶對電源實施控制,，為用戶在特殊實驗環(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,，為了進一步降低小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用成本,，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計方法。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,，通過改進傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,，MPPT)算法,，在兼顧成本和控制算法復雜度的前提下，實現(xiàn)對太陽能的充分利用,；采用遠程通信技術,，以實現(xiàn)對電源的遠程無線控制,，提高電源的智能化。同時,，為了滿足多樣化的用戶需求,，本文采用多路輸出方法來設計電源；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電路,。最后,，結(jié)合激光測距儀高壓偏置電路的實際調(diào)試需要，制作了一個輸入電壓可在5.5 V~36 V變化,，可同時輸出三路電壓,，并可進行遠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用需求^[2],。

1 基本原理

1.1 小功率多路直流電源設計原理

    獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能光伏發(fā)電應用的一種重要形式,，可以解決偏遠地區(qū)的供電問題?；趥鹘y(tǒng)獨立光伏發(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，因此獨立運行的光伏系統(tǒng)大多需要配備蓄電池等儲能設施,。但是蓄電池的使用成本和維護成本較高,，而且含有重金屬元素，這在一定程度上限制了獨立光伏系統(tǒng)的發(fā)展,。與此同時,，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)運行策略,，但是大量的光伏發(fā)電設施并網(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)的正常運行^[3],。本文在圖1的電源設計原理基礎上,，將獨立光伏發(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控制算法進行了優(yōu)化,，來實現(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,，結(jié)合德州儀器公司推出的電源在線設計仿真平臺(WENENCH),，對所設計的電路進行了仿真,、改進和優(yōu)化。

1.2 遠程控制原理

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

2 整體設計方案

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

2.1 光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊的設計

    光網(wǎng)聯(lián)合供電是指光伏發(fā)電和電網(wǎng)聯(lián)合供電，實質(zhì)上是將如圖1所示的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設施去掉,，將電網(wǎng)視為儲備電能供應端,。當光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)定時，這種供電方式可以實現(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,，可實現(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?，可對光伏組件實施MPPT跟蹤或采用(Constant Voltage Tracking,，CVT)恒電壓控制法來進行相應控制。當外界光照充足時,，電源可以完全依靠光伏供電,；當光伏輸出因環(huán)境發(fā)生突變時，采用合適的控制策略可在保證電源穩(wěn)定運行的同時,，盡量提高太陽能的利用率,。常見的光伏最大功率點跟蹤算法有一階差分“上山”算法、擾動觀測法以及電導增量法等^[7],。其中,，文獻[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U_r,；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。本文采用改進的CVT策略來控制光網(wǎng)聯(lián)合供電模塊的運行,，如圖3所示,。改進的CVT策略是指：根據(jù)U_r和光伏組件的輸出特性曲線，由微處理器設定合適的電壓控制值,，當光伏組件單獨供電可以滿足負載需求時,，將U₂設定為U_r；當光伏組件單獨供電不能滿足負載需求時,，可通過改變U₂值,，啟動MPPT控制算法，來提高組件的輸出功率,。

    在執(zhí)行MPPT算法時,，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，系統(tǒng)可直接采用CVT控制,，還可將AC/DC設為固定輸出,，以降低電源的設計成本和控制復雜度。由于本文所設計的是小功率直流電源,，因此可直接采用CVT控制策略,，同時為了方便后續(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 人機交互與遠程控制控制模塊

    人機交互與遠程控制模塊是由微處理器,、電壓電流采樣電路、過流過壓保護電路,、顯示器,、按鍵、藍牙模塊和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,，其時鐘頻率高達16 MHz，采用16位精簡指令集計算架構(gòu),，擁有64 kB的超低功耗鐵電存儲器,、兩個增強型串行通信接口和高達16個外部通道的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)換器基準電壓設定為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R_S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，以便進行相應的控制,。過流過壓保護電路可驅(qū)動繼電器,，通過對輸出電壓、電流的判定,，來執(zhí)行相應的保護動作,。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,。按鍵采用觸摸式獨立按鍵，對電源進行相關的控制,。藍牙模塊采用CC2541芯片,，來實現(xiàn)與手機客戶端的通信。手機客戶端采用華為U9508手機,，通過藍牙模塊對電源進行控制,。預留的MPPT控制接口，可通過脈寬調(diào)制技術來實施MPPT算法,。

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在線設計仿真軟件可以得到如圖5所示的設計原理圖。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)部電源控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制,。

    由圖5可得出具體的電壓輸出公式為：

    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)需要設定為固定輸出或者可變輸出,。

    本電源采用的光伏組件在標準測試條件下，輸出額定功率為10 W，對應的輸出電壓為17.6 V,。為了進一步驗證多路電源轉(zhuǎn)換電路的性能,，給出了5 V和3.3 V電源在17.5 V輸入時的效率仿真曲線，同時給出了直流高壓支路在10 V輸入,、200 V輸出時的效率仿真曲線,。如圖6所示。

3 應用實例

    結(jié)合文獻[2]中所述的激光測距儀中雪崩二極管高壓偏置電路的實際應用背景,，設計完成了一種可遠程控制和實現(xiàn)三路電壓輸出的小功率光伏電源,?？紤]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，因而采用遠程控制的方法,，可在不接觸電源模塊的情況下進行相關調(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)敘述的方法進行設計,，整機的程序流程圖如圖7所示。

    多路電源輸出模塊中,，5 V支路可按照圖5(a),、圖5(b)所示的原理圖進行設計，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，設計出的電源需要進行阻值校正,。

    實際測試表明：5 V支路和3.3 V支路的轉(zhuǎn)換效率可達80%以上,，每條支路可保證5 W以下的安全輸出；同時，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,，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支路在負載為103 Ω時的紋波電壓測試結(jié)果,；圖9(c)~(d)是高壓支路在輸出為203 V,、負載為41.2 kΩ時紋波電壓測試結(jié)果。當高壓支路輸出為203 V/4.9 mA時,，紋波電壓峰峰值為1.88 V,，為輸出電壓的0.9%。

4 結(jié)論

    本文主要提出了一種可遠程控制的光網(wǎng)聯(lián)合供電多路直流電源設計方法：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,；并提出了遠程控制電源的設計思路，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，本文設計了一種可滿足雪崩二極管工作的三路輸出電源,，結(jié)合激光測距儀的應用背景,，驗證了電源設計方法的可行性。

參考文獻

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