無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬忠明 ，文小玲*，王 棟 ，張雙華 ，李小三

1.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

我國(guó)最新的十三五規(guī)劃中把推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化列為八大重點(diǎn)工作之一，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在推動(dòng)我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中起到不可替代的作用，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常需要部署在野外或環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于在這些地區(qū)鋪裝電網(wǎng)供電線路的難度系數(shù)大且成本高，因此能量供應(yīng)成為制約其生存和推廣使用的主要瓶頸。而太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，且符合當(dāng)下倡導(dǎo)的“綠色”和“可持續(xù)性”的發(fā)展理念，故利用光伏發(fā)電為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供電能不失為一種很好的選擇。

文獻(xiàn)［1-2］為農(nóng)業(yè)信息跟蹤、環(huán)境信息監(jiān)測(cè)等野外環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了太陽能供電電源，并利用鋰電池作為儲(chǔ)能元件。文獻(xiàn)［3］為戶外無人值守的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種帶不接地防雷保護(hù)電路的太陽能供電電源，并使用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能。磷酸鐵鋰電池在過充、過放、高溫的情況下不會(huì)起火爆炸和析氣膨脹，安全系數(shù)高。文獻(xiàn)［4］為大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種市電與光伏電池發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能的互補(bǔ)供電電源，該系統(tǒng)能根據(jù)太陽能與市電的優(yōu)先級(jí)來選擇供電方式，增加了系統(tǒng)的魯棒性。

綜合分析上述供電電源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以鋰電池為主級(jí)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器為次級(jí)儲(chǔ)能的光伏供電系統(tǒng)，利用超級(jí)電容器與鋰電池在功率密度和能量密度上的互補(bǔ)特性，既能在太陽光時(shí)變性較強(qiáng)的環(huán)境下更好地存儲(chǔ)電能，又能減少鋰電池充放電次數(shù)、延長(zhǎng)其使用壽命。最后，利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的供電電源進(jìn)行了仿真建模與分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以湖北潛江蝦稻共作示范區(qū)為基地，為實(shí)現(xiàn)基地環(huán)境監(jiān)控功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了獨(dú)立光伏供電電源，供電系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏供電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of photovoltaic power supply system

該系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、光伏最大功率點(diǎn)跟蹤模塊（MPPT）、雙向DC/DC變換電路、超級(jí)電容器、鋰電池儲(chǔ)組能模塊。根據(jù)負(fù)載情況分別對(duì)超級(jí)電容器和鋰電池組混合儲(chǔ)能裝置、光伏電池陣列、充放電主電路及其控制器進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。

1.1 混合儲(chǔ)能裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)

蝦稻共作環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊、智能網(wǎng)關(guān)、視頻與圖像采集模塊和信息傳輸模塊等，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該系統(tǒng)的平均負(fù)載功率為20 W。可根據(jù)式（1）和式（2），設(shè)計(jì)超級(jí)電容器和鋰電池組的規(guī)格分別為12 V/10 F、12 V/400 Ah就能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

其中，CLi為鋰電池的容量，Csc為超級(jí)電容器的容量；S為安全系數(shù)，通常取1.1-1.4之間，本文取1.2；PL為負(fù)載平均功率20 W；T為每天工作時(shí)間24 h；d為鋰電池和超級(jí)電容器的供電天數(shù)，為保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天氣條件下仍能持續(xù)不間斷地工作，取鋰電池組的供電天數(shù)為7 d、超級(jí)電容器的供電天數(shù)為1 d；Tt為溫度補(bǔ)償系數(shù)，一般在0℃以上取1；HDOD為放電深度，超級(jí)電容器取0.9，鋰電池取0.85；Usc、ULi分別為超級(jí)電容器、鋰電池組的額定工作電壓。

1.2 光伏電池陣列串并聯(lián)數(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載的電壓等級(jí)情況知，本系統(tǒng)可選取100 W/18 V的光伏板組件為光伏電池組的基本組成單元，則光伏電池組無需對(duì)光伏板組件進(jìn)行串聯(lián)，通過DC-DC變換器升壓后就能滿足負(fù)載電壓等級(jí)要求。

式（3）中，A為光伏組件的修正系數(shù)，一般取0.9；IN為光伏板組件的最大功率電流5.5 A；h為當(dāng)?shù)仄骄逯等照諘r(shí)間取6 h；則WPV=29.7 Ah。

供電系統(tǒng)在經(jīng)歷了最長(zhǎng)的陰雨周期后，要求超級(jí)電容器和鋰電池組的能量能得到快速的補(bǔ)充，如給定能量的補(bǔ)充時(shí)間為15天，則光伏板組件的并聯(lián)數(shù)NP為：

式（4）中，WLi和Wsc分別為鋰電池組和超級(jí)電容器儲(chǔ)存的總能量；WL為負(fù)載一天消耗的總能量；drecharge為定能量的補(bǔ)充天數(shù)；經(jīng)計(jì)算得 NP=2，即所設(shè)計(jì)的光伏電池組陣列由兩塊標(biāo)準(zhǔn)光伏電池板并聯(lián)組成。

1.3 主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)前面選定的光伏板、超級(jí)電容器、鋰電池組和負(fù)載的電壓等級(jí)及其參數(shù)，本文選擇經(jīng)典雙向DC-DC變換器作為超級(jí)電容器和鋰電池組的充放電主電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。

為保證雙向DC-DC變換器工作在Buck和Boost狀態(tài)時(shí)能處于電感電流連續(xù)模式（CCM）下，應(yīng)該按以下公式計(jì)算儲(chǔ)能電感L和電容C的值：

其中，LBuck、LBoost分別為Buck和Boost電路在CCM模式下電感的臨界值，L、C分別為雙向變換器中電感和電容的實(shí)際取值，D、IOmin、U1、U2分別為系統(tǒng)的占空比、電感電流最小值、Boost和Buck電路輸出端電壓。由上述公式可得，當(dāng)設(shè)定負(fù)載的電壓紋波ΔU/U小于1%，開關(guān)頻率 fs為20 kHz時(shí)，電感L和電容C的值可分別取0.5 mH和500 μF。

1.4 控制策略及其控制器的設(shè)計(jì)

1.4.1 鋰電池組充電控制 鋰電池組采用恒壓限流的充電方式［5-8］，其充電控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 鋰電池組充電控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of lithium battery charging control

用狀態(tài)空間平均法對(duì)鋰電池組充電過程進(jìn)行小信號(hào)模型分析得：

式（9）～（10）中，Ubus為直流母線電壓；Cc和 Rb分別為鋰電池組的等效電容和電阻；C2和Rc是濾波電容值及其等效內(nèi)阻。

對(duì)電流和電壓選擇單零-極點(diǎn)校正網(wǎng)絡(luò)，則可設(shè)計(jì)其電流和電壓控制器分別為：

1.4.2 超級(jí)電容器充電控制 超級(jí)電容器采用恒流限壓的充電方式［9］，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超級(jí)電容器的充電電流和端電壓，當(dāng)超過最大限定值時(shí)，停止充電，其恒流充電控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容器充電控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of supercapacitor charging control

用狀態(tài)空間平均法對(duì)超級(jí)電容器充電過程進(jìn)行小信號(hào)模型分析得：

式（13）中，Ubus為直流母線電壓；L為儲(chǔ)能電感值；RS，RL和CSC分別為超級(jí)電容器充電模型的等效串并聯(lián)電阻和等效電容值。

對(duì)電流采用單零-極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)電流控制器為：

1.4.3 超級(jí)電容器和鋰電池組放電控制 超級(jí)電容器和鋰電池組均采用穩(wěn)壓限流放電方式，當(dāng)光伏電池輸出或負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，限制鋰電池組的電流輸出，使用超級(jí)電容器提供大沖擊電流［10］，其放電控制結(jié)構(gòu)框圖如5所示。

圖5 超級(jí)電容器和鋰電池組放電控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of supercapacitor and lithium battery discharge control

對(duì)電流選擇雙零-極點(diǎn)，電壓選擇單零-極點(diǎn)校正網(wǎng)絡(luò)，則其電流和電壓控制器分別為：

2 系統(tǒng)仿真建模及結(jié)果分析

通過MATLAB/Simulink搭建基于超級(jí)電容器和鋰電池混合儲(chǔ)能的光伏供電系統(tǒng)的仿真模型［11-15］，其中超級(jí)電容器選擇12 V/10 F，0.1 Ω；鋰電池組選擇12 V/20 Ah，1 Ω；開關(guān)頻率為20 kHz；根據(jù)本系統(tǒng)的工作環(huán)境，有如下三種工作模式。

模式一：在光照充足的情況下，光伏電池的輸出功率除直接提供給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用外，其余的能量將通過超級(jí)電容器和鋰電池組儲(chǔ)存起來。則系統(tǒng)的仿真波形圖如圖6所示，設(shè)定仿真時(shí)間5 s，從上至下分別為直流母線電壓、超級(jí)電容器充電電壓和電流、鋰電池充電電壓和電流波形。

由圖6可知，超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電，充電電流大小為4 A，其端電壓由設(shè)定的初始值8.5 V升高至12 V后維持穩(wěn)定，不再上升。鋰電池組進(jìn)行恒壓限流充電，其端電壓維持恒定，充電電流逐漸減小。期間母線電壓一直維持在24 V恒定，表明控制器能很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)想的結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)工作模式一的仿真波形圖Fig.6 Simulation waveforms of system operating mode one

模式二：當(dāng)光伏電池的光照條件突然變差時(shí)，例如太陽光被突然飄過的烏云或其它物體遮住時(shí)，光伏電池輸出的電能不再滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的用電要求。此時(shí)，可利用超級(jí)電容器功率密度大的特點(diǎn)，使用超級(jí)電容器來維持系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)的仿真波形如圖7所示，設(shè)定仿真時(shí)間5 s，從上至下分別為直流母線電壓、超級(jí)電容器充電電壓和電流、鋰電池組充電電壓和電流波形。

圖7 系統(tǒng)工作模式二的仿真波形圖Fig.7 Simulation waveforms of system operating mode two

由圖7可知，在2 s時(shí)光照突然變差，超級(jí)電容器立即以穩(wěn)壓限流的方式釋放電能，放電電流大小為3 A，4 s后光照恢復(fù)正常，超級(jí)電容器停止放電。期間母線電壓和鋰電池組的狀態(tài)維持在穩(wěn)定狀態(tài)，表明在光照條件變化極端的情況下，系統(tǒng)仍能維持穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)想的結(jié)果。

模式三：在夜晚或長(zhǎng)時(shí)間光照不足的情況下，先由超級(jí)電容器釋放電能來維持系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定，當(dāng)超級(jí)電容器的電壓下降至其放電電壓下限值時(shí)，超級(jí)電容器停止放電，再由鋰電池組釋放電能來維持系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定。為顯示超級(jí)電容器釋放電能至電壓下限值后停止放電的狀態(tài)，設(shè)定超級(jí)電容器的電壓初始值為5.5 V。系統(tǒng)的仿真波形圖如圖8所示，從上至下分別為直流母線電壓、超級(jí)電容器充電電壓和電流、鋰電池組充電電壓和電流波形。

圖8 系統(tǒng)工作模式三的仿真波形圖Fig.8 Simulation waveforms of system operating mode three

由圖8可知，超級(jí)電容器的端電壓由初始值5.5 V降低至4 V后停止放電，此時(shí)鋰電池組接著放電，其端電壓初始設(shè)定值12 V逐漸下降。表明控制器能很好的保護(hù)超級(jí)電容器，避免出現(xiàn)過放現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

利用超級(jí)電容器和鋰電池組合作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，為集環(huán)境監(jiān)控和水質(zhì)監(jiān)測(cè)為一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立的光伏供電電源，并對(duì)其進(jìn)行了仿真建模與分析，仿真結(jié)果表明：

1）基于超級(jí)電容器和鋰電池混合儲(chǔ)能的光伏供電系統(tǒng)采用基于雙向DC-DC變換電路的充放電控制器具有較好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，能在光照條件突變時(shí)快速準(zhǔn)確的作出反應(yīng)，使直流母線電壓穩(wěn)定維持在24 V不變，且能避免負(fù)載承受大電流的沖擊，從而能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。

2）利用超級(jí)電容器功率密度高和鋰電池的能量密度高的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能，可以有效減少鋰電池的充放電次數(shù)、延長(zhǎng)其使用壽命，使得獨(dú)立電源系統(tǒng)整體的性價(jià)比更高。同時(shí)用清潔環(huán)保的新能源替代了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳統(tǒng)供電電源，可以有效解決在農(nóng)場(chǎng)中鋪裝電網(wǎng)線路的問題，使農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能被廣泛的推廣使用。

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