0 引言

    隨著科技的進步，太陽能應用得到了迅猛的發展。以集中式光伏電站和分布式光伏發電系統相結合的發展形式，使得光伏發電的普及率迅速提高。雖然，當前大量的光伏發電技術研究是圍繞著并網和分布式發電展開的，但在小功率直流應用領域光伏發電亦存在巨大的發展空間?？紤]到太陽能電池輸出的不穩定性，現有的獨立光伏發電系統一般離不開儲能器件，這樣不僅會造成系統成本的增加，亦會帶來額外的環境污染^[1]。

    并且，目前實驗室中使用的小功率直流電源大多是由電網直接供電，如果能將光伏發電引入其中，將會在一定程度上降低電網電能的消耗。采用電網和光伏聯合供電策略，可以較好地解決光伏輸出不穩定的問題。借助遠程控制技術，還可方便用戶對電源實施控制，為用戶在特殊實驗環境（諸如有毒環境）下使用電源提供便利。另外，在某些場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，為了進一步降低小型光伏發電系統的應用成本，本文提出了一種小功率光網聯合供電的多路直流電源設計方法。利用光伏發電和電網聯合供電策略，以新型微處理器和電源管理芯片為核心，通過改進傳統的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)算法，在兼顧成本和控制算法復雜度的前提下，實現對太陽能的充分利用；采用遠程通信技術，以實現對電源的遠程無線控制，提高電源的智能化。同時，為了滿足多樣化的用戶需求，本文采用多路輸出方法來設計電源；結合傳統的Buck降壓電路和Boost升壓電路，可以輸出具有一定驅動能力并且在一定范圍內連續可調的直流電壓，為了保證安全，電源自帶了過壓過流保護電路。最后，結合激光測距儀高壓偏置電路的實際調試需要，制作了一個輸入電壓可在5.5 V~36 V變化，可同時輸出三路電壓，并可進行遠程控制的小功率直流光網聯合供電電源。電源的高壓輸出支路制作簡單，成本較低，紋波電壓較小，可滿足高精度激光測距儀中雪崩二極管的應用需求^[2]。

1 基本原理

1.1 小功率多路直流電源設計原理

    獨立光伏發電系統是太陽能光伏發電應用的一種重要形式，可以解決偏遠地區的供電問題。基于傳統獨立光伏發電系統構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，因此獨立運行的光伏系統大多需要配備蓄電池等儲能設施。但是蓄電池的使用成本和維護成本較高，而且含有重金屬元素，這在一定程度上限制了獨立光伏系統的發展。與此同時，在電網供電的區域，光伏發電系統大多采用并網運行策略，但是大量的光伏發電設施并網給電網帶來了一系列問題（諸如諧波污染、直流注入等），不利于電網的正常運行^[3]。本文在圖1的電源設計原理基礎上，將獨立光伏發電系統與電網相結合，并對傳統的光伏發電MPPT控制算法進行了優化，來實現光伏發電與電網的聯合供電。電源輸出電路采用經典的Buck降壓和Boost升壓電路^[4]。同時，結合德州儀器公司推出的電源在線設計仿真平臺(WENENCH)，對所設計的電路進行了仿真、改進和優化。

1.2 遠程控制原理

    隨著無線通信技術的快速發展，出現出了藍牙、Wi-Fi、紅外以及ZigBee等一系列便捷無線通信技術。在當前的移動終端中，幾乎普及了藍牙和Wi-Fi通信模塊，這為傳統電源的發展帶來了新的契機，使得對電源的智能化遠程控制成為可能^[5]。本文將無線通信技術應用于傳統的電源設計中，通過手機客戶端里自行編寫的應用程序，借助手機內置的藍牙或Wi-Fi模塊來實現對電源的遠程控制。在控制過程中，還可采用多種加密算法來確保遠程控制的安全性。

2 整體設計方案

    可遠程控制的光網聯合供電多路直流電源的整體設計方案如圖2所示。整個電源分為三大模塊，分別是：光網聯合供電模塊、人機交互與遠程控制模塊和多路電源輸出模塊。

2.1 光網聯合供電模塊的設計

    光網聯合供電是指光伏發電和電網聯合供電，實質上是將如圖1所示的獨立光伏發電系統中的儲能設施去掉，將電網視為儲備電能供應端。當光伏發電輸出功率不穩定時，這種供電方式可以實現無間斷供電^[6]。如圖2所示，微處理器通過采樣光網聯合供電模塊的電壓和電流，采用脈寬調制技術，可實現對AC/DC轉換器的控制。通過改變U₂，借助二極管的單向導通特性，可對光伏組件實施MPPT跟蹤或采用(Constant Voltage Tracking，CVT)恒電壓控制法來進行相應控制。當外界光照充足時，電源可以完全依靠光伏供電；當光伏輸出因環境發生突變時，采用合適的控制策略可在保證電源穩定運行的同時，盡量提高太陽能的利用率。常見的光伏最大功率點跟蹤算法有一階差分“上山”算法、擾動觀測法以及電導增量法等^[7]。其中，文獻[8]中提出了一種將CVT算法與MPPT算法相結合的電壓變化率受限MPPT算法，為本文控制策略的設定提供了一定參考。

    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；光網聯合供電模塊中的AC/DC變換器受微處理器控制，微處理器可以調整U₂的值。本文采用改進的CVT策略來控制光網聯合供電模塊的運行，如圖3所示。改進的CVT策略是指：根據U_r和光伏組件的輸出特性曲線，由微處理器設定合適的電壓控制值，當光伏組件單獨供電可以滿足負載需求時，將U₂設定為U_r；當光伏組件單獨供電不能滿足負載需求時，可通過改變U₂值，啟動MPPT控制算法，來提高組件的輸出功率。

    在執行MPPT算法時，微處理器的功耗會有所增加，如果系統所使用的光伏組件額定輸出功率較小，會出現增加的損耗大于執行MPPT算法多獲得的能量，此時，系統可直接采用CVT控制，還可將AC/DC設為固定輸出，以降低電源的設計成本和控制復雜度。由于本文所設計的是小功率直流電源，因此可直接采用CVT控制策略，同時為了方便后續電源的升級，保留了適用于大功率直流電源的MPPT控制接口。

2.2 人機交互與遠程控制控制模塊

    人機交互與遠程控制模塊是由微處理器、電壓電流采樣電路、過流過壓保護電路、顯示器、按鍵、藍牙模塊和MPPT控制接口等組成。微處理器采用德州儀器公司生產的低功耗處理器MSP430FR5969，其時鐘頻率高達16 MHz，采用16位精簡指令集計算架構，擁有64 kB的超低功耗鐵電存儲器、兩個增強型串行通信接口和高達16個外部通道的12位高性能模數轉換器。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，將微處理器內部模數轉換器基準電壓設定為2 V，其他測量支路架構與圖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得電源各輸出端的電壓和電流值，以便進行相應的控制。過流過壓保護電路可驅動繼電器，通過對輸出電壓、電流的判定，來執行相應的保護動作。顯示器采用LCD12864，為了節省微處理器的外部接口，采用串行寫入模式。按鍵采用觸摸式獨立按鍵，對電源進行相關的控制。藍牙模塊采用CC2541芯片，來實現與手機客戶端的通信。手機客戶端采用華為U9508手機，通過藍牙模塊對電源進行控制。預留的MPPT控制接口，可通過脈寬調制技術來實施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在線設計仿真軟件可以得到如圖5所示的設計原理圖。圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)的轉換原理類似，均是通過電阻R₁和R₂形成反饋環路，再由芯片內部電源控制器實現閉環控制。

    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需要設定為固定輸出或者可變輸出。

    本電源采用的光伏組件在標準測試條件下，輸出額定功率為10 W，對應的輸出電壓為17.6 V。為了進一步驗證多路電源轉換電路的性能，給出了5 V和3.3 V電源在17.5 V輸入時的效率仿真曲線，同時給出了直流高壓支路在10 V輸入、200 V輸出時的效率仿真曲線。如圖6所示。

3 應用實例

    結合文獻[2]中所述的激光測距儀中雪崩二極管高壓偏置電路的實際應用背景，設計完成了一種可遠程控制和實現三路電壓輸出的小功率光伏電源。考慮到直流高壓支路具有一定的驅動能力，可能會對人體造成損害，因而采用遠程控制的方法，可在不接觸電源模塊的情況下進行相關調試。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)可調支路。電源的光網聯合供電模塊和人機交互與控制模塊可按照本文2.1和2.2章節敘述的方法進行設計，整機的程序流程圖如圖7所示。

    多路電源輸出模塊中，5 V支路可按照圖5(a)、圖5(b)所示的原理圖進行設計，可供微處理器和顯示等電路工作。而對于高壓支路，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200 V的直流電壓。通過改變圖8中的R₈，可得到連續可調的電壓輸出。圖8給出的電阻電容值為理想數值，而普通電阻通常會存在一定的偏差，因此，設計出的電源需要進行阻值校正。

    實際測試表明：5 V支路和3.3 V支路的轉換效率可達80%以上，每條支路可保證5 W以下的安全輸出；同時，高壓支路可輸出70 V~203 V連續可調的直流電壓，在輸出電壓為203 V時，可輸出不小于5 mA的電流。主要測試儀器為泰克TPS1102示波器和福祿克F17B+數字萬用表。圖9是電源在正常工作條件下的各支路紋波電壓測試結果，其中，圖9(a)和圖9(b)分別是5 V和3.3 V支路在負載為103 Ω時的紋波電壓測試結果；圖9(c)~(d)是高壓支路在輸出為203 V、負載為41.2 kΩ時紋波電壓測試結果。當高壓支路輸出為203 V/4.9 mA時，紋波電壓峰峰值為1.88 V，為輸出電壓的0.9%。

4 結論

    本文主要提出了一種可遠程控制的光網聯合供電多路直流電源設計方法：將光伏發電引入傳統的電源中，來減少傳統電源的電能消耗；并提出了遠程控制電源的設計思路，為在有毒、封閉等特殊環境中使用電源提供了一條可行的途徑。同時，本文設計了一種可滿足雪崩二極管工作的三路輸出電源，結合激光測距儀的應用背景，驗證了電源設計方法的可行性。

參考文獻

[1] 趙穎.獨立運行光伏發電系統的研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[2] 廖平，蔡玉鑫.改進型相位式激光測距電路的設計[J].激光與紅外，2013，43(4)：356-359.

[3] 曾祥軍，李鳳婷.光伏電站接入系統方案分析[J].電測與儀表，2016(1).

[4] 邱關源.現代電路理論[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5] 鄭昊，鐘志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的藍牙通信系統設計[J].物聯網技術，2012(5)：50-51.

[6] DAUT I，IRWANTO M，HARDI S.Photovoltaic powered uninterruptible power supply using smart relay[C].Power Engineering and Optimization Conference(PEOCO)，2010 4th International.IEEE，2010：453-457.

[7] 趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[8] 劉樹，劉建政，趙爭鳴，等.基于改進MPPT算法的單級式光伏并網系統[J].清華大學學報：自然科學版，2005，45(7)：873-876.