（1.南开大学 电子信息与光学工程学院，天津300350；2.爱易成技能（天津）有限公司，天津300071）
传统的直流电源常日是由电网供能，并且很少具备远程掌握功能，为此提出了一种新型多路直流电源的设计方法：采取光伏发电和电网联合供电策略来减少电能的花费；采取无线掌握技能来实现对电源的远程掌握。同时结合激光测距仪的运用背景，设计了一种可输出三路电压的小功率直流电源，个中高压岔路支路可在输入为5.5 V到36 V时，输出70 V到203 V连续可调的直流高压，其驱动能力可知足一样平常的雪崩二极监工作须要。测试结果表明，该电源可通过手机实现远程掌握，其输出端纹波电压较小，可以知足一样平常的运用需求。
光伏发电；远程掌握；直流电源；直流高压
TM7
文献标识码：A
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. 可远程掌握的光网联合供电多路直流电源设计[J].电子技能运用，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 弁言
随着科技的进步，太阳能运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，使得光伏发电的遍及率迅速提高。虽然，当前大量的光伏发电技能研究是环绕着并网和分布式发电展开的，但在小功率直流运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样平常离不开储能器件，这样不仅会造成系统本钱的增加，亦会带来额外的环境污染[1]。
并且，目前实验室中利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个中，将会在一定程度上降落电网电能的花费。采取电网和光伏联合供电策略，可以较好地办理光伏输出不稳定的问题。借助远程掌握技能，还可方便用户对电源履行掌握，为用户在分外实验环境（诸如有毒环境）下利用电源供应便利。其余，在某些场合用户常日希望电源的输出是多路的，制作多路输出电源可以知足用户的这种需求。
综上所述，为了进一步降落小型光伏发电系统的运用本钱，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，在兼顾本钱和掌握算法繁芜度的条件下，实现对太阳能的充分利用；采取远程通信技能，以实现对电源的远程无线掌握，提高电源的智能化。同时，为了知足多样化的用户需求，本文采取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，为了担保安全，电源自带了过压过流保护电路。末了，结合激光测距仪高压偏置电路的实际调试须要，制作了一个输入电压可在5.5 V~36 V变革，可同时输出三路电压，并可进行远程掌握的小功率直流光网联合供电电源。电源的高压输出岔路支路制作大略，本钱较低，纹波电压较小，可知足高精度激光测距仪中雪崩二极管的运用需求[2]。
1 基本事理
1.1 小功率多路直流电源设计事理
独立光伏发电系统是太阳能光伏发电运用的一种主要形式，可以办理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事理图如图1所示。由于光伏着力受光照和其他外部成分影响较大，因此独立运行的光伏系统大多须要配备蓄电池等储能举动步伐。但是蓄电池的利用本钱和掩护本钱较高，而且含有重金属元素，这在一定程度上限定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取并网运行策略，但是大量的光伏发电举动步伐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的电源设计事理根本上，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掌握算法进行了优化，来实现光伏发电与电网的联合供电。电源输出电路采取经典的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。
1.2 远程掌握事理
随着无线通信技能的快速发展，涌现出了蓝牙、Wi-Fi、红外以及ZigBee等一系列便捷无线通信技能。在当前的移动终端中，险些遍及了蓝牙和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掌握成为可能[5]。本文将无线通信技能运用于传统的电源设计中，通过手机客户端里自行编写的运用程序，借助手机内置的蓝牙或Wi-Fi模块来实现对电源的远程掌握。在掌握过程中，还可采取多种加密算法来确保远程掌握的安全性。
2 整体设计方案
可远程掌握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。全体电源分为三大模块，分别是：光网联合供电模块、人机交互与远程掌握模块和多路电源输出模块。
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，本色上是将如图1所示的独立光伏发电系统中的储能举动步伐去掉，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，这种供电办法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，采取脉宽调制技能，可实现对AC/DC转换器的掌握。通过改变U2，借助二极管的单引导通特性，可对光伏组件履行MPPT跟踪或采取(Constant Voltage Tracking，CVT)恒电压掌握法来进行相应掌握。当外界光照充足时，电源可以完备依赖光伏供电；当光伏输出因环境发生突变时，采取得当的掌握策略可在担保电源稳定运行的同时，只管即便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、扰动不雅观测法以及电导增量法等[7]。个中，文献[8]中提出了一种将CVT算法与MPPT算法相结合的电压变革率受限MPPT算法，为本文掌握策略的设定供应了一定参考。
假定，图2中的二极管为空想器件；多路电源输出模块能够正常事情所需的最小电压为Ur；光网联合供电模块中的AC/DC变换器受微处理器掌握，微处理器可以调度U2的值。本文采取改进的CVT策略来掌握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，由微处理器设定得当的电压掌握值，当光伏组件单独供电可以知足负载需求时，将U2设定为Ur；当光伏组件单独供电不能知足负载需求时，可通过改变U2值，启动MPPT掌握算法，来提高组件的输出功率。
在实行MPPT算法时，微处理器的功耗会有所增加，如果系统所利用的光伏组件额定输出功率较小，会涌现增加的损耗大于实行MPPT算法多得到的能量，此时，系统可直接采取CVT掌握，还可将AC/DC设为固定输出，以降落电源的设计本钱和掌握繁芜度。由于本文所设计的是小功率直流电源，因此可直接采取CVT掌握策略，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掌握接口。
2.2 人机交互与远程掌握掌握模块
人机交互与远程掌握模块是由微处理器、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掌握接口等组成。微处理器采取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，采取16位精简指令集打算架构，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给出了该模块的紧张事理图，图4中的电压和电流采样电路仅给出了一起，将微处理器内部模数转换器基准电压设定为2 V，其他丈量岔路支路架构与图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真个电压和电流值，以便进行相应的掌握。过流过压保护电路可驱动继电器，通过对输出电压、电流的剖断，来实行相应的保护动作。显示器采取LCD12864，为了节省微处理器的外部接口，采取串行写入模式。按键采取触摸式独立按键，对电源进行干系的掌握。蓝牙模块采取CC2541芯片，来实现与手机客户真个通信。手机客户端采取华为U9508手机，通过蓝牙模块对电源进行掌握。预留的MPPT掌握接口，可通过脉宽调制技能来履行MPPT算法。
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。个中，2路降压电路采取TPS5430电源掌握芯片，1路升压电路采取LM2586作为电源掌握芯片。借助WEBENCH在线设计仿真软件可以得到如图5所示的设计事理图。图5(a)、图5(b)和图5(c)的转换事理类似，均是通过电阻R1和R2形成反馈环路，再由芯片内部电源掌握器实现闭环掌握。
由图5可得出详细的电压输出公式为：
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须要设定为固定输出或者可变输出。
本电源采取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岔路支路在10 V输入、200 V输出时的效率仿真曲线。如图6所示。
3 运用实例
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运用背景，设计完成了一种可远程掌握和实现三路电压输出的小功率光伏电源。考虑到直流高压岔路支路具有一定的驱动能力，可能会对人体造成危害，因而采取远程掌握的方法，可在不打仗电源模块的情形下进行干系调试。此电源的三路输出分别为5 V岔路支路(最大输出电流为2 A)、3.3 V岔路支路(最大输出电流为2 A)和70~203 V(最大输出电流为50 mA)可调岔路支路。电源的光网联合供电模块和人机交互与掌握模块可按照本文2.1和2.2章节阐述的方法进行设计，整机的程序流程图如图7所示。
多路电源输出模块中，5 V岔路支路可按照图5(a)、图5(b)所示的事理图进行设计，可供微处理器和显示等电路事情。而对付高压岔路支路，仿真软件给出的电路（见图5(c)），元件本钱较高，为了降落电源的硬件本钱，更换了一些本钱较高的元件，同时去掉了输出真个变压器，改为直接耦合的输出办法，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空想数值，而普通电阻常日会存在一定的偏差，因此，设计出的电源须要进行阻值校正。
实际测试表明：5 V岔路支路和3.3 V岔路支路的转换效率可达80%以上，每条岔路支路可担保5 W以下的安全输出；同时，高压岔路支路可输出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。紧张测试仪器为泰克TPS1102示波器和福禄克F17B+数字万用表。图9是电源在正常事情条件下的各岔路支路纹波电压测试结果，个中，图9(a)和图9(b)分别是5 V和3.3 V岔路支路在负载为103 Ω时的纹波电压测试结果；图9(c)~(d)是高压岔路支路在输出为203 V、负载为41.2 kΩ时纹波电压测试结果。当高压岔路支路输出为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%。
4 结论
本文紧张提出了一种可远程掌握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花费；并提出了远程掌握电源的设计思路，为在有毒、封闭等分外环境中利用电源供应了一条可行的路子。同时，本文设计了一种可知足雪崩二极监工作的三路输出电源，结合激光测距仪的运用背景，验证了电源设计方法的可行性。
参考文献
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[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剖析[J].电测与仪表，2016(1).
[4] 邱关源.当代电路理论[M].北京：高档教诲出版社，2001.
[5] 郑昊，钟志峰，郭昊，等.基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计[J].物联网技能，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] 赵争鸣.太阳能光伏发电及其运用[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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