《电子技术应用》

可远程控制的光网联合供电多路直流电源设计

2016年电子技术应用第10期 作者:朱景洁1,蔡宏琨1,王士忠1,康 宁1,李春明2,张建军1
2016/11/28 14:54:00

朱景洁1,蔡宏琨1,王士忠1,康  宁1,李春明2,张建军1

(1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津300350;2.爱易成技术(天津)有限公司,天津300071)


    摘  要: 传统的直流电源通常是由电网供能,并且很少具备远程控制功能,为此提出了一种新型多路直流电源的设计方法:采用光伏发电和电网联合供电策略来减少电能的消耗;采用无线控制技术来实现对电源的远程控制。同时结合激光测距仪的应用背景,设计了一种可输出三路电压的小功率直流电源,其中高压支路可在输入为5.5 V到36 V时,输出70 V到203 V连续可调的直流高压,其驱动能力可满足一般的雪崩二极管工作需要。测试结果表明,该电源可通过手机实现远程控制,其输出端纹波电压较小,可以满足一般的应用需求。

    关键词: 光伏发电;远程控制;直流电源;直流高压

    中图分类号: TM7

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.034


    中文引用格式: 朱景洁,蔡宏琨,王士忠,等. 可远程控制的光网联合供电多路直流电源设计[J].电子技术应用,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

    随着科技的进步,太阳能应用得到了迅猛的发展。以集中式光伏电站和分布式光伏发电系统相结合的发展形式,使得光伏发电的普及率迅速提高。虽然,当前大量的光伏发电技术研究是围绕着并网和分布式发电展开的,但在小功率直流应用领域光伏发电亦存在巨大的发展空间。考虑到太阳能电池输出的不稳定性,现有的独立光伏发电系统一般离不开储能器件,这样不仅会造成系统成本的增加,亦会带来额外的环境污染[1]

    并且,目前实验室中使用的小功率直流电源大多是由电网直接供电,如果能将光伏发电引入其中,将会在一定程度上降低电网电能的消耗。采用电网和光伏联合供电策略,可以较好地解决光伏输出不稳定的问题。借助远程控制技术,还可方便用户对电源实施控制,为用户在特殊实验环境(诸如有毒环境)下使用电源提供便利。另外,在某些场合用户通常希望电源的输出是多路的,制作多路输出电源可以满足用户的这种需求。

    综上所述,为了进一步降低小型光伏发电系统的应用成本,本文提出了一种小功率光网联合供电的多路直流电源设计方法。利用光伏发电和电网联合供电策略,以新型微处理器和电源管理芯片为核心,通过改进传统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法,在兼顾成本和控制算法复杂度的前提下,实现对太阳能的充分利用;采用远程通信技术,以实现对电源的远程无线控制,提高电源的智能化。同时,为了满足多样化的用户需求,本文采用多路输出方法来设计电源;结合传统的Buck降压电路和Boost升压电路,可以输出具有一定驱动能力并且在一定范围内连续可调的直流电压,为了保证安全,电源自带了过压过流保护电路。最后,结合激光测距仪高压偏置电路的实际调试需要,制作了一个输入电压可在5.5 V~36 V变化,可同时输出三路电压,并可进行远程控制的小功率直流光网联合供电电源。电源的高压输出支路制作简单,成本较低,纹波电压较小,可满足高精度激光测距仪中雪崩二极管的应用需求[2]

1 基本原理

1.1 小功率多路直流电源设计原理

    独立光伏发电系统是太阳能光伏发电应用的一种重要形式,可以解决偏远地区的供电问题。基于传统独立光伏发电系统构建而成的多路直流电源原理图如图1所示。由于光伏出力受光照和其他外部因素影响较大,因此独立运行的光伏系统大多需要配备蓄电池等储能设施。但是蓄电池的使用成本和维护成本较高,而且含有重金属元素,这在一定程度上限制了独立光伏系统的发展。与此同时,在电网供电的区域,光伏发电系统大多采用并网运行策略,但是大量的光伏发电设施并网给电网带来了一系列问题(诸如谐波污染、直流注入等),不利于电网的正常运行[3]。本文在图1的电源设计原理基础上,将独立光伏发电系统与电网相结合,并对传统的光伏发电MPPT控制算法进行了优化,来实现光伏发电与电网的联合供电。电源输出电路采用经典的Buck降压和Boost升压电路[4]。同时,结合德州仪器公司推出的电源在线设计仿真平台(WENENCH),对所设计的电路进行了仿真、改进和优化。

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1.2 远程控制原理

    随着无线通信技术的快速发展,出现出了蓝牙、Wi-Fi、红外以及ZigBee等一系列便捷无线通信技术。在当前的移动终端中,几乎普及了蓝牙和Wi-Fi通信模块,这为传统电源的发展带来了新的契机,使得对电源的智能化远程控制成为可能[5]。本文将无线通信技术应用于传统的电源设计中,通过手机客户端里自行编写的应用程序,借助手机内置的蓝牙或Wi-Fi模块来实现对电源的远程控制。在控制过程中,还可采用多种加密算法来确保远程控制的安全性。

2 整体设计方案

    可远程控制的光网联合供电多路直流电源的整体设计方案如图2所示。整个电源分为三大模块,分别是:光网联合供电模块、人机交互与远程控制模块和多路电源输出模块。

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2.1 光网联合供电模块的设计

    光网联合供电是指光伏发电和电网联合供电,实质上是将如图1所示的独立光伏发电系统中的储能设施去掉,将电网视为储备电能供应端。当光伏发电输出功率不稳定时,这种供电方式可以实现无间断供电[6]。如图2所示,微处理器通过采样光网联合供电模块的电压和电流,采用脉宽调制技术,可实现对AC/DC转换器的控制。通过改变U2,借助二极管的单向导通特性,可对光伏组件实施MPPT跟踪或采用(Constant Voltage Tracking,CVT)恒电压控制法来进行相应控制。当外界光照充足时,电源可以完全依靠光伏供电;当光伏输出因环境发生突变时,采用合适的控制策略可在保证电源稳定运行的同时,尽量提高太阳能的利用率。常见的光伏最大功率点跟踪算法有一阶差分“上山”算法、扰动观测法以及电导增量法等[7]。其中,文献[8]中提出了一种将CVT算法与MPPT算法相结合的电压变化率受限MPPT算法,为本文控制策略的设定提供了一定参考。

    假定,图2中的二极管为理想器件;多路电源输出模块能够正常工作所需的最小电压为Ur;光网联合供电模块中的AC/DC变换器受微处理器控制,微处理器可以调整U2的值。本文采用改进的CVT策略来控制光网联合供电模块的运行,如图3所示。改进的CVT策略是指:根据Ur和光伏组件的输出特性曲线,由微处理器设定合适的电压控制值,当光伏组件单独供电可以满足负载需求时,将U2设定为Ur;当光伏组件单独供电不能满足负载需求时,可通过改变U2值,启动MPPT控制算法,来提高组件的输出功率。

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    在执行MPPT算法时,微处理器的功耗会有所增加,如果系统所使用的光伏组件额定输出功率较小,会出现增加的损耗大于执行MPPT算法多获得的能量,此时,系统可直接采用CVT控制,还可将AC/DC设为固定输出,以降低电源的设计成本和控制复杂度。由于本文所设计的是小功率直流电源,因此可直接采用CVT控制策略,同时为了方便后续电源的升级,保留了适用于大功率直流电源的MPPT控制接口。

2.2 人机交互与远程控制控制模块

    人机交互与远程控制模块是由微处理器、电压电流采样电路、过流过压保护电路、显示器、按键、蓝牙模块和MPPT控制接口等组成。微处理器采用德州仪器公司生产的低功耗处理器MSP430FR5969,其时钟频率高达16 MHz,采用16位精简指令集计算架构,拥有64 kB的超低功耗铁电存储器、两个增强型串行通信接口和高达16个外部通道的12位高性能模数转换器。图4给出了该模块的主要原理图,图4中的电压和电流采样电路仅给出了一路,将微处理器内部模数转换器基准电压设定为2 V,其他测量支路架构与图4给出的示例相同,不同之处仅在于 R1、R2和RS的大小,通过采样电路可以测得电源各输出端的电压和电流值,以便进行相应的控制。过流过压保护电路可驱动继电器,通过对输出电压、电流的判定,来执行相应的保护动作。显示器采用LCD12864,为了节省微处理器的外部接口,采用串行写入模式。按键采用触摸式独立按键,对电源进行相关的控制。蓝牙模块采用CC2541芯片,来实现与手机客户端的通信。手机客户端采用华为U9508手机,通过蓝牙模块对电源进行控制。预留的MPPT控制接口,可通过脉宽调制技术来实施MPPT算法。

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2.3 多路电源输出模块

    多路电源输出模块是由2路降压电路和1路升压电路组成。其中,2路降压电路采用TPS5430电源控制芯片,1路升压电路采用LM2586作为电源控制芯片。借助WEBENCH在线设计仿真软件可以得到如图5所示的设计原理图。图5(a)、图5(b)和图5(c)的转换原理类似,均是通过电阻R1和R2形成反馈环路,再由芯片内部电源控制器实现闭环控制。

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    由图5可得出具体的电压输出公式为:

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    通过式(1)可知,改变R1、R2的值即可改变输出电压的值,因此多路电源可以根据需要设定为固定输出或者可变输出。

    本电源采用的光伏组件在标准测试条件下,输出额定功率为10 W,对应的输出电压为17.6 V。为了进一步验证多路电源转换电路的性能,给出了5 V和3.3 V电源在17.5 V输入时的效率仿真曲线,同时给出了直流高压支路在10 V输入、200 V输出时的效率仿真曲线。如图6所示。

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3 应用实例

    结合文献[2]中所述的激光测距仪中雪崩二极管高压偏置电路的实际应用背景,设计完成了一种可远程控制和实现三路电压输出的小功率光伏电源。考虑到直流高压支路具有一定的驱动能力,可能会对人体造成损害,因而采用远程控制的方法,可在不接触电源模块的情况下进行相关调试。此电源的三路输出分别为5 V支路(最大输出电流为2 A)、3.3 V支路(最大输出电流为2 A)和70~203 V(最大输出电流为50 mA)可调支路。电源的光网联合供电模块和人机交互与控制模块可按照本文2.1和2.2章节叙述的方法进行设计,整机的程序流程图如图7所示。

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    多路电源输出模块中,5 V支路可按照图5(a)、图5(b)所示的原理图进行设计,可供微处理器和显示等电路工作。而对于高压支路,仿真软件给出的电路(见图5(c)),元件成本较高,为了降低电源的硬件成本,替换了一些成本较高的元件,同时去掉了输出端的变压器,改为直接耦合的输出方式,得到了如图8所示的直流高压电路,该电路可输出高达200 V的直流电压。通过改变图8中的R8,可得到连续可调的电压输出。图8给出的电阻电容值为理想数值,而普通电阻通常会存在一定的偏差,因此,设计出的电源需要进行阻值校正。

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    实际测试表明:5 V支路和3.3 V支路的转换效率可达80%以上,每条支路可保证5 W以下的安全输出;同时,高压支路可输出70 V~203 V连续可调的直流电压,在输出电压为203 V时,可输出不小于5 mA的电流。主要测试仪器为泰克TPS1102示波器和福禄克F17B+数字万用表。图9是电源在正常工作条件下的各支路纹波电压测试结果,其中,图9(a)和图9(b)分别是5 V和3.3 V支路在负载为103 Ω时的纹波电压测试结果;图9(c)~(d)是高压支路在输出为203 V、负载为41.2 kΩ时纹波电压测试结果。当高压支路输出为203 V/4.9 mA时,纹波电压峰峰值为1.88 V,为输出电压的0.9%。

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4 结论

    本文主要提出了一种可远程控制的光网联合供电多路直流电源设计方法:将光伏发电引入传统的电源中,来减少传统电源的电能消耗;并提出了远程控制电源的设计思路,为在有毒、封闭等特殊环境中使用电源提供了一条可行的途径。同时,本文设计了一种可满足雪崩二极管工作的三路输出电源,结合激光测距仪的应用背景,验证了电源设计方法的可行性。

参考文献

[1] 赵颖.独立运行光伏发电系统的研究[D].大连:大连理工大学,2009.

[2] 廖平,蔡玉鑫.改进型相位式激光测距电路的设计[J].激光与红外,2013,43(4):356-359.

[3] 曾祥军,李凤婷.光伏电站接入系统方案分析[J].电测与仪表,2016(1).

[4] 邱关源.现代电路理论[M].北京:高等教育出版社,2001.

[5] 郑昊,钟志峰,郭昊,等.基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计[J].物联网技术,2012(5):50-51.

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[7] 赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[8] 刘树,刘建政,赵争鸣,等.基于改进MPPT算法的单级式光伏并网系统[J].清华大学学报:自然科学版,2005,45(7):873-876.

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