摘 要 ：

對(duì)于低頻可再生能源的收集需要考慮其比較大的內(nèi)部阻抗，不規(guī)則的斷續(xù)輸入，受環(huán)境干擾等問題。本研究采用多級(jí)反饋式穩(wěn)壓升壓技術(shù)，嵌入低功耗控制芯片算法控制對(duì)低頻輸入能量的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤(MPPT)，同時(shí)超級(jí)電容器代替鋰電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用互感耦合，從而達(dá)到高效收集、整流和輸出的效果。因此本研究設(shè)計(jì)出的收集系統(tǒng)可高效地收集低頻可再生能量，最大收集率可達(dá)91.16%，加入輸入/輸出隔離系統(tǒng)以提高帶負(fù)載能力后其總收集效率達(dá)到了53.18%。

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(duì)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(duì)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(duì)低頻耗散能源的特點(diǎn)，將能量收集系統(tǒng)與超級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)需解決的問題設(shè)計(jì)出總體概況圖，即針對(duì)0～50 Hz的雜散低頻能量收集，先對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)電感線圈、肖特基整流二極管和濾波電容，由于次級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)MPPT、阻抗匹配、系統(tǒng)監(jiān)控和超級(jí)電容器充放電控制提高整體穩(wěn)定性。圖6所示，系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)源斷路電壓瞬時(shí)絕對(duì)值，iin(t)為信號(hào)源短路電流絕對(duì)值，T為信號(hào)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%?？芍撓到y(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(shì)，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(duì)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(jí)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(hào)源作為收集的能源。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。