【学术论文】基于超级电容器的新型低频能量收集系统
对于低频可再生能源的收集需要考虑其比较大的内部阻抗，不规则的断续输入，受环境干扰等问题。本研究采用多级反馈式稳压升压技术，嵌入低功耗控制芯片算法控制对低频输入能量的最大功率点进行跟踪(MPPT)，同时超级电容器代替锂电池作为储能系统，应用互感耦合，从而达到高效收集、整流和输出的效果。因此本研究设计出的收集系统可高效地收集低频可再生能量，最大收集率可达91.16%，加入输入/输出隔离系统以提高带负载能力后其总收集效率达到了53.18%。
0 引言
新世纪以来，积极利用各类可再生能源发电已经成为应对环境和能源问题的主要解决方案。然而考虑到各类可再生能源分布广，受环境制约，其所产生的电能呈现断续式、幅度大、频谱广、阻抗大等特点[1]。尤其是低频耗散能量（如风能、潮汐能和人体运动机械能）以上特点更为鲜明，对该类能量的收集存储，需要更加高效的整流和耦合技术，传统的能源收集存储系统无法胜任。例如，目前普遍采用的基于铅酸或锂电池的储存系统，无法高效地收集此类能量[2]。针对低频耗散能源的特点，将能量收集系统与超级电容器模相结合，将极有可能克服新能源收集效率低的问题，高效将能量收集、储存并转化利用。因此，本研究采用升压/降压（BOOST/BUCK）电路、最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)、互感耦合以及超级电容器储能等技术提高系统收集和带负载能力。
1 能量收集系统设计
为减小电路压降，电路中采用电压降较低的低压差线性稳压器、肖特基二极管和霍尔三极管元器件。设计的能量收集系统是用于对0～50 Hz高内阻、断续式的低频可再生能源进行收集存储，总体设计思路分为三部分：首先，针对需解决的问题设计出总体概况图，即针对0～50 Hz的杂散低频能量收集，先对其进行整流、滤波，其次利用微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)实现MPPT控制，使其流经RC振荡器将直流电能转换成高频交流电能后通过互感、整流电路将电能输出，经互感耦合，可提高带负载能力；针对AC/DC和RC震荡系统电路原理做出详细的阐述；最后介绍了MPPT算法以及MCU总控制系统设计流程图。
1.1 总体设计框图
图1所示为低频可再生能源收集系统总框图，主要由整流、升压、储能、互感电路组成。D1为肖特基整流二极管，通过C1滤波电容对输入进行滤波。经AC/DC系统后交流电能转为直流电能。后经MCU程控的 BUCK/BOOST电路，调整输入功率点。MPPT算法后，可以获得最大输入效率。低功耗MCU可应用暂态储能超级电容器直接供电。输入能量转换成直流电能后，需进行DC/AC转换成高频(500 kHz以上)交流电能，再通过互感耦合，进行输出阻抗匹配。图1中Q1、C4、C5、L2、L3构成的典型LC振荡器，它将直流电能转换成高频交流电。L3、D3、C6为次级电感线圈、肖特基整流二极管和滤波电容，由于次级端L3阻抗较小(1 Ω～3 Ω)，将感应的高频交流电再次转换成直流后(AC/DC)输出内阻较小(5 Ω～10 Ω)，可提高带负载能力。
1.2 振荡系统设计
考虑低频可再生能源的收集内阻较大，如果使用LC振荡器电路中的电感值较大，不易集成，且电磁损耗大。本系统应用成本低、易集成、功耗相对较低的RC负阻振荡器[3](震荡频率0～70 kHz)代替LC振荡器。如图2所示震荡器主要由振荡发生器电路和阻抗匹配电路两部分组成[4]，选频震荡网络通过调节R1、R2、C1、C2，并配合提高震荡稳定性的负反馈电路(RP、R3)来得到不同的输出振荡角频率ω如式(1)所示。
振荡器系统等效原理如图3所示。a、b点为从R2、C2两端向放大器端看去等效阻抗，要使电路满足起振相角条件Zab须满足式(2)，A为放大器放大倍数，而放大器A须满足式(3)。
1.3 AC/DC、DC/DC整流升压系统设计
低频可再生能源受外界的影响，如对风能收集因风速的不同，需要实时调整电路输入电压和风力发电机转速，即需要MPPT[5]控制。如图4所示，电路应用BOOST/BUCK电路代替单一的升压或降压电路[6]，提高调控范围。
当不规则的能量经过整流后，通过由整流管M1、R2、R3组成的采样反馈稳压电路，将交流电能整流成直流电能；经由M2、M3、M4、M5、L1、D6、C3构成的BUCK/BOOST电路调整输出；根据MPPT算法，通过MCU控制MOS管M3和M4的通断升压或降压，M3导通M4截止时为升压，M4导通M3截止时为降压；采用登山法或叫干扰观测法，给系统一个突变电压ΔU通过MCU检测实时功率，实现MPPT控制。以风能 MPPT流程图为例说明控制原理，如图5所示。发电系统通过FPGA芯片反馈采样，根据MPPT算法，通过控制PWM波的脉冲宽度调整BOOST/BUCK电路和风力控制系统，从而为负载提供最大输出功率。
1.4 MPPT和能量收集控制系统设计
系统因负载和外界干扰等因素影响需嵌入MCU控制，其主要针对MPPT、阻抗匹配、系统监控和超级电容器充放电控制提高整体稳定性。图6所示，系统对输入、阻抗等参数进行采样检测，设定供电方式，直接供电时通过检测输入参数进行MPPT；接负载后进行阻抗匹配。图7为MPPT算法流程图，控制系统对电路施加串扰ΔU，比较时间t和t+1时刻采样值，若差值Dp=0，则保持当前值；若Dp>0或Dp<0则根据Dp对串扰电压ΔU适当增加或者减小。
2 实验结果及讨论
实验通过收集低频机械能检测系统总输出性能，再经信号发生器模拟低频可再生能源波形检测总系统的转化效率。
2.1 整流、升压以及震荡系统输出
传统能量收集电路主要针对断续性的能量进行收集，并且以牺牲转化效率为代价提高整流波形。图8所示研究中输入端内阻为50 Ω，输入电压最大幅值为14.2 V。通过系统整流输出端负载内阻10 Ω，端电压5 V；纹波±300 mV，纹波电压抑制比0.04。提高了低频能量收集范围和能量收集效率，同时经过耦合隔离后提高了输出端的带负载能力，且输出端满足耦合后直流输出效果。
2.2 整流模块转化效率以及系统总输出效率
因系统未介入其他输入，收集的杂散电能经AC/DC、DC/DC系统整流所转化的效率ηab即为系统整流后的直流输出总效率。如式(4)所示：
其中，VOUT为整流后断路电压，IOUT为整流后短路电流，vin(t)为信号源断路电压瞬时绝对值，iin(t)为信号源短路电流绝对值，T为信号周期。
图9所示为50 Hz不同幅值正弦波输入下的AC/DC整流效率以及系统输出总效率。首先分析整流系统曲线，整流系统在6.5 V处转化效率成线性上升，在8 V处转化效率达到约80%，随电压继续上升，效率涨幅不大，逐渐趋于稳定值，在输入幅值为10 V处系统的转化效率达到最大值，最大转化效率可达91.16%。可知该系统适用于幅值8 V以上的交流能量源进行高效的收集；总系统在5 V处出现上升趋势，随电压继续上升在6.5 V左右效率增长幅度增大，当电压达到8.5 V以后，效率涨幅变缓，逐渐趋于稳定值。在输入幅值为10 V处系统的转化效率达到最大值，最大转化效率可达53.18%，由于加入耦合系统，总系统效率下降，但总系统可收集能量输入电压阈值降至5 V，并且曲线平缓，提高了系统能量收集稳定性。
3 结论
针对提高低频可再生能源（人体动能，低频机械能、风能、潮汐能等）的能量收集效率的问题，收集系统设计方案包括了AC/DC、DC/DC震荡耦合系统，超级电容器储能系统和MPPT控制系统，其中以内阻为10 Ω、最大电压14.2 V的频率0-50 Hz的随机信号源作为收集的能源。对于0～50 Hz断续的低频能量，整流纹波控制在5%以内，能量收集效率和带负载能力明显提高，例如：传统动能能量收集系统中，针对人体动能能量收集的效率为68%左右，而本设计低频可再生能源收集系统针对人体动能能量收集，最大收集效率可达到91.16%;加入输入/输出耦合系统用来提高带负载能力的基础后，总系统能量收集最大总效率可达53.18%，下一步将深入研究如何输入/输出耦合系统的转化效率。改进MPPT算法控制，提高能量收集效率和系统稳定性，系统可对0～4.5 Hz断续交流能量高效的收集。同时采用振荡器耦合的方式提高带负载能力，进一步提高了能量收集效率。接下来将针对AD/DC系统的总体电路设计上进行优化，以降低能量收集电路的收集电压阈值，同时提高电路的转化效率；更改RC振荡系统设计，提高震荡频率减小纹波率，提高转化效率。
参考文献
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作者信息：
陈 凯1，2，李洪祚2，刘双翼1
（1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆400714；2.长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春130022）