0 引言

    新世紀以來，積極利用各類可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為應對環(huán)境和能源問題的主要解決方案,。然而考慮到各類可再生能源分布廣,，受環(huán)境制約，其所產(chǎn)生的電能呈現(xiàn)斷續(xù)式,、幅度大、頻譜廣,、阻抗大等特點^[1],。尤其是低頻耗散能量（如風能、潮汐能和人體運動機械能）以上特點更為鮮明,，對該類能量的收集存儲,，需要更加高效的整流和耦合技術，傳統(tǒng)的能源收集存儲系統(tǒng)無法勝任,。例如,，目前普遍采用的基于鉛酸或鋰電池的儲存系統(tǒng)，無法高效地收集此類能量^[2],。針對低頻耗散能源的特點,，將能量收集系統(tǒng)與超級電容器模相結合，將極有可能克服新能源收集效率低的問題,，高效將能量收集,、儲存并轉化利用。因此,，本研究采用升壓/降壓（BOOST/BUCK）電路,、最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT),、互感耦合以及超級電容器儲能等技術提高系統(tǒng)收集和帶負載能力,。

1 能量收集系統(tǒng)設計

    為減小電路壓降,，電路中采用電壓降較低的低壓差線性穩(wěn)壓器、肖特基二極管和霍爾三極管元器件,。設計的能量收集系統(tǒng)是用于對0～50 Hz高內阻,、斷續(xù)式的低頻可再生能源進行收集存儲，總體設計思路分為三部分：首先,，針對需解決的問題設計出總體概況圖,，即針對0～50 Hz的雜散低頻能量收集，先對其進行整流,、濾波,，其次利用微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)實現(xiàn)MPPT控制,，使其流經(jīng)RC振蕩器將直流電能轉換成高頻交流電能后通過互感,、整流電路將電能輸出，經(jīng)互感耦合,，可提高帶負載能力,；針對AC/DC和RC震蕩系統(tǒng)電路原理做出詳細的闡述；最后介紹了MPPT算法以及MCU總控制系統(tǒng)設計流程圖,。

1.1 總體設計框圖

    圖1所示為低頻可再生能源收集系統(tǒng)總框圖,，主要由整流、升壓,、儲能,、互感電路組成。D1為肖特基整流二極管,，通過C₁濾波電容對輸入進行濾波,。經(jīng)AC/DC系統(tǒng)后交流電能轉為直流電能。后經(jīng)MCU程控的 BUCK/BOOST電路,，調整輸入功率點,。MPPT算法后，可以獲得最大輸入效率,。低功耗MCU可應用暫態(tài)儲能超級電容器直接供電,。輸入能量轉換成直流電能后，需進行DC/AC轉換成高頻(500 kHz以上)交流電能,，再通過互感耦合,，進行輸出阻抗匹配。圖1中Q1,、C₄,、C₅、L₂、L₃構成的典型LC振蕩器,，它將直流電能轉換成高頻交流電,。L₃、D3,、C₆為次級電感線圈,、肖特基整流二極管和濾波電容，由于次級端L₃阻抗較小(1 Ω～3 Ω),，將感應的高頻交流電再次轉換成直流后(AC/DC)輸出內阻較小(5 Ω～10 Ω),，可提高帶負載能力。

1.2 振蕩系統(tǒng)設計

    考慮低頻可再生能源的收集內阻較大,，如果使用LC振蕩器電路中的電感值較大,，不易集成，且電磁損耗大,。本系統(tǒng)應用成本低,、易集成、功耗相對較低的RC負阻振蕩器^[3](震蕩頻率0～70 kHz)代替LC振蕩器,。如圖2所示震蕩器主要由振蕩發(fā)生器電路和阻抗匹配電路兩部分組成^[4],，選頻震蕩網(wǎng)絡通過調節(jié)R₁、R₂,、C₁,、C₂，并配合提高震蕩穩(wěn)定性的負反饋電路(R_P,、R₃)來得到不同的輸出振蕩角頻率ω如式(1)所示,。

    振蕩器系統(tǒng)等效原理如圖3所示。a,、b點為從R₂、C₂兩端向放大器端看去等效阻抗,，要使電路滿足起振相角條件Z_ab須滿足式(2),，A為放大器放大倍數(shù)，而放大器A須滿足式(3),。

1.3 AC/DC,、DC/DC整流升壓系統(tǒng)設計

    低頻可再生能源受外界的影響，如對風能收集因風速的不同,，需要實時調整電路輸入電壓和風力發(fā)電機轉速,，即需要MPPT^[5]控制。如圖4所示,，電路應用BOOST/BUCK電路代替單一的升壓或降壓電路^[6],，提高調控范圍。

    當不規(guī)則的能量經(jīng)過整流后，通過由整流管M1,、R₂,、R₃組成的采樣反饋穩(wěn)壓電路，將交流電能整流成直流電能,；經(jīng)由M2,、M3、M4,、M5,、L₁、D6,、C₃構成的BUCK/BOOST電路調整輸出,；根據(jù)MPPT算法，通過MCU控制MOS管M3和M4的通斷升壓或降壓,，M3導通M4截止時為升壓,，M4導通M3截止時為降壓；采用登山法或叫干擾觀測法,，給系統(tǒng)一個突變電壓ΔU通過MCU檢測實時功率,，實現(xiàn)MPPT控制。以風能 MPPT流程圖為例說明控制原理,，如圖5所示,。發(fā)電系統(tǒng)通過FPGA芯片反饋采樣，根據(jù)MPPT算法,，通過控制PWM波的脈沖寬度調整BOOST/BUCK電路和風力控制系統(tǒng),，從而為負載提供最大輸出功率。

1.4 MPPT和能量收集控制系統(tǒng)設計

    系統(tǒng)因負載和外界干擾等因素影響需嵌入MCU控制,，其主要針對MPPT,、阻抗匹配、系統(tǒng)監(jiān)控和超級電容器充放電控制提高整體穩(wěn)定性,。圖6所示,，系統(tǒng)對輸入、阻抗等參數(shù)進行采樣檢測,，設定供電方式,，直接供電時通過檢測輸入?yún)?shù)進行MPPT；接負載后進行阻抗匹配,。圖7為MPPT算法流程圖,，控制系統(tǒng)對電路施加串擾ΔU，比較時間t和t+1時刻采樣值,，若差值D_p=0,，則保持當前值,；若D_p>0或D_p<0則根據(jù)Dp對串擾電壓ΔU適當增加或者減小。

2 實驗結果及討論

    實驗通過收集低頻機械能檢測系統(tǒng)總輸出性能,，再經(jīng)信號發(fā)生器模擬低頻可再生能源波形檢測總系統(tǒng)的轉化效率,。

2.1 整流、升壓以及震蕩系統(tǒng)輸出

    傳統(tǒng)能量收集電路主要針對斷續(xù)性的能量進行收集,，并且以犧牲轉化效率為代價提高整流波形,。圖8所示研究中輸入端內阻為50 Ω，輸入電壓最大幅值為14.2 V,。通過系統(tǒng)整流輸出端負載內阻10 Ω,，端電壓5 V；紋波±300 mV,，紋波電壓抑制比0.04,。提高了低頻能量收集范圍和能量收集效率，同時經(jīng)過耦合隔離后提高了輸出端的帶負載能力,，且輸出端滿足耦合后直流輸出效果,。

2.2 整流模塊轉化效率以及系統(tǒng)總輸出效率

    因系統(tǒng)未介入其他輸入，收集的雜散電能經(jīng)AC/DC,、DC/DC系統(tǒng)整流所轉化的效率η_ab即為系統(tǒng)整流后的直流輸出總效率,。如式(4)所示：

    其中，V_OUT為整流后斷路電壓,，I_OUT為整流后短路電流,，v_in(t)為信號源斷路電壓瞬時絕對值，i_in(t)為信號源短路電流絕對值,，T為信號周期,。

    圖9所示為50 Hz不同幅值正弦波輸入下的AC/DC整流效率以及系統(tǒng)輸出總效率。首先分析整流系統(tǒng)曲線,，整流系統(tǒng)在6.5 V處轉化效率成線性上升,，在8 V處轉化效率達到約80%，隨電壓繼續(xù)上升,，效率漲幅不大,，逐漸趨于穩(wěn)定值，在輸入幅值為10 V處系統(tǒng)的轉化效率達到最大值,，最大轉化效率可達91.16%?？芍撓到y(tǒng)適用于幅值8 V以上的交流能量源進行高效的收集,；總系統(tǒng)在5 V處出現(xiàn)上升趨勢，隨電壓繼續(xù)上升在6.5 V左右效率增長幅度增大,，當電壓達到8.5 V以后,，效率漲幅變緩,，逐漸趨于穩(wěn)定值。在輸入幅值為10 V處系統(tǒng)的轉化效率達到最大值,，最大轉化效率可達53.18%,，由于加入耦合系統(tǒng)，總系統(tǒng)效率下降,，但總系統(tǒng)可收集能量輸入電壓閾值降至5 V,，并且曲線平緩，提高了系統(tǒng)能量收集穩(wěn)定性,。

3 結論

    針對提高低頻可再生能源（人體動能,，低頻機械能、風能,、潮汐能等）的能量收集效率的問題,，收集系統(tǒng)設計方案包括了AC/DC、DC/DC震蕩耦合系統(tǒng),，超級電容器儲能系統(tǒng)和MPPT控制系統(tǒng),，其中以內阻為10 Ω、最大電壓14.2 V的頻率0-50 Hz的隨機信號源作為收集的能源,。對于0～50 Hz斷續(xù)的低頻能量,，整流紋波控制在5%以內，能量收集效率和帶負載能力明顯提高,，例如：傳統(tǒng)動能能量收集系統(tǒng)中,，針對人體動能能量收集的效率為68%左右，而本設計低頻可再生能源收集系統(tǒng)針對人體動能能量收集,，最大收集效率可達到91.16%;加入輸入/輸出耦合系統(tǒng)用來提高帶負載能力的基礎后,，總系統(tǒng)能量收集最大總效率可達53.18%，下一步將深入研究如何輸入/輸出耦合系統(tǒng)的轉化效率,。改進MPPT算法控制,，提高能量收集效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)可對0～4.5 Hz斷續(xù)交流能量高效的收集,。同時采用振蕩器耦合的方式提高帶負載能力,，進一步提高了能量收集效率。接下來將針對AD/DC系統(tǒng)的總體電路設計上進行優(yōu)化,，以降低能量收集電路的收集電壓閾值,，同時提高電路的轉化效率；更改RC振蕩系統(tǒng)設計,，提高震蕩頻率減小紋波率,，提高轉化效率。

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作者信息：

陳  凱1,，2，李洪祚2,，劉雙翼1

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院,，重慶400714；2.長春理工大學 電子信息工程學院,，吉林 長春130022）