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。考慮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(chǔ)能器件，這樣不僅會(huì)造成系統(tǒng)成本的增加，亦會(huì)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(huì)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(duì)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(chǎng)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(duì)太陽能的充分利用；采用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(cè)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(jiǎn)單，成本較低，紋波電壓較小，可滿足高精度激光測(cè)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(chǔ)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(duì)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(tái)(WENENCH)，對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(chǔ)能設(shè)施去掉，將電網(wǎng)視為儲(chǔ)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(duì)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?duì)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(dòng)觀測(cè)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(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)U_r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U_r；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(dòng)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(huì)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(huì)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(jí)，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(jiǎn)指令集計(jì)算架構(gòu)，擁有64 kB的超低功耗鐵電存儲(chǔ)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(cè)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(cè)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(dòng)繼電器，通過對(duì)輸出電壓、電流的判定，來執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)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(duì)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(duì)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(cè)試條件下，輸出額定功率為10 W，對(duì)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(cè)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?？紤]到直流高壓支路具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可能會(huì)對(duì)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?qǐng)D5(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(duì)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(huì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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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