針對地下電纜防破壞裝置的供電電路設計

楊霽，王濤，薛志鵬，劉林，況林杰，趙蕊

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶，401420；2.重慶理工大學電氣與電子工程學院，重慶，400054)

0 引言

隨著人們對城市環(huán)境美化程度要求的提高，城市配電網(wǎng)絡逐漸從架空線路的使用轉(zhuǎn)換為電力電纜的大量使用，但隨之而來將面臨電力電纜由于城市道路施工、電纜溝道沁水等情況引發(fā)的電纜線路遭受外力破壞情況。于是，能夠快速準確的在故障前對電力電纜防外力破壞進行預警顯得十分重要。

目前，感知層的電子及傳感器設備的能源供給大都依賴于傳統(tǒng)的化學電池，雖然這種能源供給方式較為穩(wěn)定，但是電纜布線復雜、繁瑣，適應環(huán)境要求高，另外電池供電壽命有限，更換電池費時又費力。

為保障電力電纜防外破壞裝置能夠安全穩(wěn)定的運行，本文為其提供了一種可靠供電方式，采用市電、太陽能和鋰電池互補的方式為其負載供電，為今后對于電力電纜防外破壞的研究打下基礎。本次供電設計采用以下方案：當工作環(huán)境周圍有可供使用的市電時，通過將市電經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換為可靠直流電直接給負載供電。但當現(xiàn)場沒有可直接使用的外部電源時，采用太陽能和鋰電池結合的方式進行供電。當太陽能充足的時候，在給負載供電的同時也給鋰電池充電，若在太陽能不足時，則只由鋰電池為負載供電。通過靈活的供電方案，形成優(yōu)勢互補，解決監(jiān)測系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的供電不足的難題。

1 電源總體結構

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)具有兩種供電方式。第一種供電方式為將220V市電變換為穩(wěn)定直流電為負載供電；第二種供電方式則由太陽能、鋰電池共同供電，首先對太陽能進行最大功率點跟蹤（MPPT）控制，使太陽能始終于最大功率點輸出，來提高能量收集效率，然后通過能量管理電路判斷是否有充足的太陽能，若太陽能充足時，那么太陽能經(jīng)過穩(wěn)壓過后直接給負載供電同時又給鋰電池充電，若太陽能不充足時，則由鋰電池給負載供電。同時鋰電池不能過度充電也不能過度放電，過充和過放會對鋰電池的使用壽命產(chǎn)生影響，所以必須對鋰電池進行過充過放保護。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 市電供電電路設計

若在負載附近存在市電，則優(yōu)先考慮利用市電為負載供電。圖2為在Multisim中搭建的電路圖，該電路主要由降壓、整流濾波、穩(wěn)壓模塊構成。市電用220V交流電壓源表示。

圖2 仿真電路圖

■2.1 降壓模塊

首先，要對220V的交流電作降壓處理，降壓后的電壓為12V。系統(tǒng)通過一個變比為18:1的變壓器實現(xiàn)降壓變換，同時起到一個隔離的作用，將市電與后面的電路隔離，保證了后面電路的安全。

■2.2 整流濾波模塊

本文仿真中采用4個二極管組成全波整流橋，將降壓后的交流電壓接變?yōu)橹绷麟?，整流后的波形如圖3所示，由于在仿真軟件中各個器件都是理想的，所以整流后的波形為全為正的連續(xù)半波。整流后需要濾波，可以很大程度上減少雜波，可得到比較純凈的直流電[1]，本次設計采用電容濾波。

圖3 整流后波形

■2.3 穩(wěn)壓模塊

經(jīng)過整流濾波后得到的直流電相比于負載所需要的電壓仍然較大，且市電存在波動，輸出的直流電也是不穩(wěn)定的，為了給負載提供穩(wěn)定的電壓，需經(jīng)過穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定為5V輸出。

LM2596擁有1.2V~37V的可調(diào)輸出電壓，有著3.3V，5V，12V經(jīng)典穩(wěn)壓值。LM2596的調(diào)壓誤差在4%以內(nèi)，且具有完善的保護電路，電流限制等功能，所需要的外圍器件極少。根據(jù)性能指標，本次設計選取LM2596-5V的穩(wěn)壓電路。

關于LM2596的外圍電路，廠方已經(jīng)給出了參考電路，這里不做修改，值得注意的是，由于外圍電路存在電感，故在制作實體電路時，反饋線要盡量避免電感，減少電磁干擾。穩(wěn)壓后的波形如圖4所示。可以看出此電路可以將電壓穩(wěn)定在5V左右。

圖4 穩(wěn)壓后波形

3 太陽能供電電路設計

太陽能是一種十分有潛力的清潔能源，太陽能的利用對我國的經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護有著重要意義，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能也成為了最為方便采集的環(huán)境能量之一，同時，太陽能作為市電的后備能源，可以有效地解決在惡劣環(huán)境中供電不穩(wěn)定的問題[2]。

光伏發(fā)電的基本原理是光生伏特效應，即當太陽光照射到光伏電池上時，利用半導體器件將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電能，其核心組成部分是半導體P-N結[3]。

■3.1 太陽能數(shù)學模型

當光伏電池被一定光照強度的太陽光照射時可以看作是一個理想的恒流電源，所以可以將光伏電池等效電路表示如圖5所示，用恒流源和二極管并聯(lián)表示。其中IPH為等效電流源的內(nèi)電流；RSH為內(nèi)部的等效旁路電阻，一般為千歐數(shù)量級；RS為內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻（小于1歐姆）[4]；RL表示光伏電池的等效外接負載電阻。圖6為光伏電池伏安特性曲線。ISC為光伏電池短路電流；VOC為開路電壓；圖中陰影部分面積S表示光伏電池的輸出功率。在光伏電池正常工作時，為了提高太陽能的利用率，通常讓其輸出功率達到最大，所以在輸出電壓不斷變化的過程中必定存在一個電壓Vm使光伏電池的輸出功率達到最大Pm，通常情況下該最大功率點的電壓Vm大概為輸出電壓VOC的80%。

圖5 光伏電池等效電路圖

圖6 光伏電池伏安特性曲線

根據(jù)光伏電池等效電路和伏安特性曲線，可將光伏電池的物理模型轉(zhuǎn)換成為數(shù)學模型，其描述如下[4]：

其中Ipn為P-N結二極管的電流；ISH為流過等效旁路電阻的電流；IS為等效二極管的逆向飽和電流，與光電材料有關，一般看作常數(shù)；k為Boltzmann常數(shù)（1.38×10-23J/K）；q為電子電荷量（1.602×10-19）；T為環(huán)境中的絕對溫度開爾文；A為光伏電池內(nèi)部P-N結的曲線常數(shù)[5]。

■3.2 MPPT控制

光伏電池的最大功率點位置會隨著電池在溫度或光照條件下的不同而不同，因此在光伏發(fā)電中為提高整個系統(tǒng)的效率，一個重要的方法就是使光伏電池始終工作在最大功率點附近。MPPT控制就是根據(jù)光伏電池的輸出電壓和電流的情況來調(diào)整PWM波的占空比，改變DC/DC電路開關管的開關周期，從而改變占空比調(diào)整光伏電池的輸入阻抗，與負載阻抗產(chǎn)生動態(tài)匹配[6],當光伏內(nèi)阻等于負載電阻時，光伏電池以最大功率輸出。目前，在光伏發(fā)電中運用較為廣泛的最大輸出功率跟蹤方法主要有定電壓法、最優(yōu)梯度法、恒壓跟蹤法、擾動觀測法、電導增量法等。相比其他控制方法。電導增量法具有精度高、快速跟蹤、穩(wěn)定度高等優(yōu)點，所以本次設計采用電導增量法，其控制原理如下[7]：

設光伏電池輸出功率：

將式7對V求導得：

如圖7電導增量法最大功率跟蹤控制原理圖所示，圖中Pm為最大輸出功率，Vm是最大輸出功率點輸出電壓；Pn是光伏電池當前輸出功率，Vn是當前輸出功率點對應的電壓。當時，V=Vm。

圖7 電導增量法最大功率跟蹤控制原理圖

分別將上述3種情況代入式（8）：

當V

當V>Vm時，

當V=Vm時，

4 鋰電池管理電路

本次設計采用鋰電池對能量進行儲存，鋰電池具有使用壽命長，充放電次數(shù)能夠達到500-1000次，存儲能量密度高，沒有記憶效應，可隨時補充等優(yōu)點。鋰電池得安全工作電壓在3.2V~3.6V之間，所以當電池的工作電壓高于3.6V或低于3.2V時，電池將會受到警戒，電壓繼續(xù)上升或者下降將會出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，會影響到電池的使用性能和壽命，因此在電池的充放電過程中，需要控制電池的端電壓處于安全范圍內(nèi)[8]。

■4.1 鋰電池充電管理

本次設計中，充電管理電路如圖8所示，其中充放電控制芯片為BL4056B。BL4056B內(nèi)部集成了恒壓、恒流、防倒灌和熱保護等諸多功能，在大功率和高溫環(huán)境下對芯片溫度加以限制，其充電電流可以通過外部電阻進行調(diào)節(jié)，并且，在充電電流達到最終浮充電壓之后將至設定值1/10時，BL4056B將自動停止充電。

圖8 鋰電池充電管理電路

電池充電時，7管腳輸出低電平，D4燈亮，表示充電正在進行，充電電流由2管腳與地之間的電阻決定，當充電結束時，7管腳輸出高阻態(tài)，6管腳輸出低電平，D3燈亮。

■4.2 鋰電池保護電路

如果鋰電池在充滿的狀態(tài)下繼續(xù)充電的話將會導致電池的正極材料結構發(fā)生變化，如果電池一直處于過放電狀態(tài)，會使電池內(nèi)部發(fā)熱，同時使電池正負極活性物的可逆性受到損壞，除此之外鋰電池在使用的過程中還必須考慮過溫和過流的情況，不管是哪一種情況都會對鋰電池造成不好的影響，所以必須對鋰電池進行保護設計，從而提高電池的使用壽命。

鋰電池保護電路如圖9所示。本次設計采用R5421芯片對鋰電池進行保護，該芯片能夠?qū)︿囯姵剡M行過充、過放保護，同時還可以防止外部短路電流過大。Dout為過放保護輸出腳，Cout為過充保護輸出腳，當檢測到電池電壓高于一個閾值的時候，Cout腳就會轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑珻MOS管將不會導通，將電源與電池斷開；當檢測到電壓低于另一個閾值時，Dout將會轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，將電源與電池連接，給電池充電。當檢測到過電流時，將負載與電池分離，Dout電平切換為高電平。

圖9 鋰電池保護電路

■4.3 能量管理電路

能量管理電路采用兩路電源自動切換電路，第一路為當太陽能的能量足夠的時候，太陽能經(jīng)穩(wěn)壓電路后既給負載供電又給鋰電池充電，此時電池不給負載供電；當太陽能的能量不夠的時候自動切換到第二路，則只由電池給負載供電。在兩路電源的自動切換過程中需保證無震蕩，并且具有較小的能量損耗，從而實現(xiàn)對電能的管理,使負載得到長期穩(wěn)定的供電。

本次設計采用比較器來判斷太陽能是否有足夠的能量給負載供電。其設計方案如圖10所示：首先采集光伏電池兩端的輸出電壓，與參考電壓Vref作比較，當光伏電池的輸出高于Vref時，比較器輸出高電平，使三極管Q1導通，太陽能經(jīng)過穩(wěn)壓過后給負載供電同時又給鋰電池充電，這里的穩(wěn)壓電路與上述市電穩(wěn)壓模塊電路一樣，故不再贅述，比較器輸出高電平后經(jīng)過一個反相器使三極管Q2截止，鋰電池不再向負載供電；當光伏電池的輸出電壓小于Vref時，則比較器輸出低電平，三極管Q1不能導通，同時比較器的輸出經(jīng)過一個反相器輸出為高電平，使三極管Q2導通，鋰電池給負載供電。

圖10 能量管理電路

5 結束語

本文為地下電纜防破壞裝置感知層中的電子及傳感器設計了一種可靠的供電電路，采用市電、太陽能和鋰電池互補的方式為其負載供電。當現(xiàn)場有可用市電時，優(yōu)先考慮市電供電，當沒有可用市電時，采用太陽能和鋰電池供電，利用MPPT控制技術，提高能源的利用率，通過能量管理，從而使負載得到長期穩(wěn)定供電，保障了電纜的安全運行，通過對鋰電池的充放電及保護電路設計，保證了鋰電池的安全，延長了其工作周期。該設計具有實用性強、安全可靠性高、成本低，具有較好的推廣性的優(yōu)點，能夠給一些低功耗設備提供長期穩(wěn)定的電源。