文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172905
中文引用格式: 陳凱,,李洪祚,,劉雙翼. 基于超級電容器的新型低頻能量收集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(6):151-154.
英文引用格式: Chen Kai,,Li Hongzuo,Liu Shuangyi. Novel low-frequency energy collection system based on supercapacitors[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(6):151-154.
0 引言
新世紀(jì)以來,積極利用各類可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為應(yīng)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(diǎn)[1],。尤其是低頻耗散能量(如風(fēng)能,、潮汐能和人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能)以上特點(diǎn)更為鮮明,對該類能量的收集存儲(chǔ),,需要更加高效的整流和耦合技術(shù),,傳統(tǒng)的能源收集存儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn),,將能量收集系統(tǒng)與超級電容器模相結(jié)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(chǔ)存并轉(zhuǎn)化利用,。因此,本研究采用升壓/降壓(BOOST/BUCK)電路,、最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,,MPPT)、互感耦合以及超級電容器儲(chǔ)能等技術(shù)提高系統(tǒng)收集和帶負(fù)載能力,。
1 能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)的能量收集系統(tǒng)是用于對0~50 Hz高內(nèi)阻,、斷續(xù)式的低頻可再生能源進(jìn)行收集存儲(chǔ),總體設(shè)計(jì)思路分為三部分:首先,,針對需解決的問題設(shè)計(jì)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(jìn)行整流,、濾波,,其次利用微控制單元(Microcontroller Unit,MCU)實(shí)現(xiàn)MPPT控制,,使其流經(jīng)RC振蕩器將直流電能轉(zhuǎn)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(fù)載能力,;針對AC/DC和RC震蕩系統(tǒng)電路原理做出詳細(xì)的闡述;最后介紹了MPPT算法以及MCU總控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖,。
1.1 總體設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jìn)行濾波,。經(jīng)AC/DC系統(tǒng)后交流電能轉(zhuǎn)為直流電能。后經(jīng)MCU程控的 BUCK/BOOST電路,,調(diào)整輸入功率點(diǎn),。MPPT算法后,可以獲得最大輸入效率,。低功耗MCU可應(yīng)用暫態(tài)儲(chǔ)能超級電容器直接供電,。輸入能量轉(zhuǎn)換成直流電能后,需進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換成高頻(500 kHz以上)交流電能,,再通過互感耦合,,進(jìn)行輸出阻抗匹配。圖1中Q1,、C4,、C5、L2,、L3構(gòu)成的典型LC振蕩器,,它將直流電能轉(zhuǎn)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(yīng)的高頻交流電再次轉(zhuǎn)換成直流后(AC/DC)輸出內(nèi)阻較小(5 Ω~10 Ω),可提高帶負(fù)載能力,。
1.2 振蕩系統(tǒng)設(shè)計(jì)
考慮低頻可再生能源的收集內(nèi)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(yīng)用成本低,、易集成、功耗相對較低的RC負(fù)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(luò)通過調(diào)節(jié)R1、R2,、C1,、C2,并配合提高震蕩穩(wěn)定性的負(fù)反饋電路(RP,、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(diǎn)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Zab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(shè)計(jì)
低頻可再生能源受外界的影響,,如對風(fēng)能收集因風(fēng)速的不同,需要實(shí)時(shí)調(diào)整電路輸入電壓和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,,即需要MPPT[5]控制,。如圖4所示,電路應(yīng)用BOOST/BUCK電路代替單一的升壓或降壓電路[6],,提高調(diào)控范圍,。
當(dāng)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(gòu)成的BUCK/BOOST電路調(diào)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(dǎo)通M4截止時(shí)為升壓,,M4導(dǎo)通M3截止時(shí)為降壓,;采用登山法或叫干擾觀測法,給系統(tǒng)一個(gè)突變電壓ΔU通過MCU檢測實(shí)時(shí)功率,,實(shí)現(xiàn)MPPT控制,。以風(fēng)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(diào)整BOOST/BUCK電路和風(fēng)力控制系統(tǒng),,從而為負(fù)載提供最大輸出功率。
1.4 MPPT和能量收集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)因負(fù)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(jìn)行采樣檢測,,設(shè)定供電方式,,直接供電時(shí)通過檢測輸入?yún)?shù)進(jìn)行MPPT;接負(fù)載后進(jìn)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?dāng)_ΔU,比較時(shí)間t和t+1時(shí)刻采樣值,,若差值Dp=0,,則保持當(dāng)前值;若Dp>0或Dp<0則根據(jù)Dp對串?dāng)_電壓ΔU適當(dāng)增加或者減小,。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
實(shí)驗(yàn)通過收集低頻機(jī)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(zhuǎn)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(jìn)行收集,,并且以犧牲轉(zhuǎn)化效率為代價(jià)提高整流波形。圖8所示研究中輸入端內(nèi)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(fù)載內(nèi)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(shí)經(jīng)過耦合隔離后提高了輸出端的帶負(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化的效率ηab即為系統(tǒng)整流后的直流輸出總效率,。如式(4)所示:
其中,VOUT為整流后斷路電壓,,IOUT為整流后短路電流,,vin(t)為信號源斷路電壓瞬時(shí)絕對值,iin(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(zhuǎn)化效率成線性上升,,在8 V處轉(zhuǎn)化效率達(dá)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(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值,,最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)91.16%,。可知該系統(tǒng)適用于幅值8 V以上的交流能量源進(jìn)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(dāng)電壓達(dá)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(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值,,最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)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(jié)論
針對提高低頻可再生能源(人體動(dòng)能,,低頻機(jī)械能、風(fēng)能,、潮汐能等)的能量收集效率的問題,,收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案包括了AC/DC、DC/DC震蕩耦合系統(tǒng),,超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)和MPPT控制系統(tǒng),,其中以內(nèi)阻為10 Ω,、最大電壓14.2 V的頻率0-50 Hz的隨機(jī)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(nèi),,能量收集效率和帶負(fù)載能力明顯提高,例如:傳統(tǒng)動(dòng)能能量收集系統(tǒng)中,,針對人體動(dòng)能能量收集的效率為68%左右,,而本設(shè)計(jì)低頻可再生能源收集系統(tǒng)針對人體動(dòng)能能量收集,最大收集效率可達(dá)到91.16%;加入輸入/輸出耦合系統(tǒng)用來提高帶負(fù)載能力的基礎(chǔ)后,,總系統(tǒng)能量收集最大總效率可達(dá)53.18%,,下一步將深入研究如何輸入/輸出耦合系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。改進(jìn)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(shí)采用振蕩器耦合的方式提高帶負(fù)載能力,,進(jìn)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(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化,,以降低能量收集電路的收集電壓閾值,,同時(shí)提高電路的轉(zhuǎn)化效率;更改RC振蕩系統(tǒng)設(shè)計(jì),,提高震蕩頻率減小紋波率,,提高轉(zhuǎn)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(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院,,重慶400714;2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,,吉林 長春130022)