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.
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,。
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,。
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,。
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,。
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,。
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(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,。
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,。
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,。
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%。
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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