0 引言

    新世紀以來，積極利用各類可再生能源發電已經成為應對環境和能源問題的主要解決方案。然而考慮到各類可再生能源分布廣，受環境制約，其所產生的電能呈現斷續式、幅度大、頻譜廣、阻抗大等特點^[1]。尤其是低頻耗散能量（如風能、潮汐能和人體運動機械能）以上特點更為鮮明，對該類能量的收集存儲，需要更加高效的整流和耦合技術，傳統的能源收集存儲系統無法勝任。例如，目前普遍采用的基于鉛酸或鋰電池的儲存系統，無法高效地收集此類能量^[2]。針對低頻耗散能源的特點，將能量收集系統與超級電容器模相結合，將極有可能克服新能源收集效率低的問題，高效將能量收集、儲存并轉化利用。因此，本研究采用升壓/降壓（BOOST/BUCK）電路、最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)、互感耦合以及超級電容器儲能等技術提高系統收集和帶負載能力。

1 能量收集系統設計

    為減小電路壓降，電路中采用電壓降較低的低壓差線性穩壓器、肖特基二極管和霍爾三極管元器件。設計的能量收集系統是用于對0～50 Hz高內阻、斷續式的低頻可再生能源進行收集存儲，總體設計思路分為三部分：首先，針對需解決的問題設計出總體概況圖，即針對0～50 Hz的雜散低頻能量收集，先對其進行整流、濾波，其次利用微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)實現MPPT控制，使其流經RC振蕩器將直流電能轉換成高頻交流電能后通過互感、整流電路將電能輸出，經互感耦合，可提高帶負載能力；針對AC/DC和RC震蕩系統電路原理做出詳細的闡述；最后介紹了MPPT算法以及MCU總控制系統設計流程圖。

1.1 總體設計框圖

    圖1所示為低頻可再生能源收集系統總框圖，主要由整流、升壓、儲能、互感電路組成。D1為肖特基整流二極管，通過C₁濾波電容對輸入進行濾波。經AC/DC系統后交流電能轉為直流電能。后經MCU程控的 BUCK/BOOST電路，調整輸入功率點。MPPT算法后，可以獲得最大輸入效率。低功耗MCU可應用暫態儲能超級電容器直接供電。輸入能量轉換成直流電能后，需進行DC/AC轉換成高頻(500 kHz以上)交流電能，再通過互感耦合，進行輸出阻抗匹配。圖1中Q1、C₄、C₅、L₂、L₃構成的典型LC振蕩器，它將直流電能轉換成高頻交流電。L₃、D3、C₆為次級電感線圈、肖特基整流二極管和濾波電容，由于次級端L₃阻抗較小(1 Ω～3 Ω)，將感應的高頻交流電再次轉換成直流后(AC/DC)輸出內阻較小(5 Ω～10 Ω)，可提高帶負載能力。

1.2 振蕩系統設計

    考慮低頻可再生能源的收集內阻較大，如果使用LC振蕩器電路中的電感值較大，不易集成，且電磁損耗大。本系統應用成本低、易集成、功耗相對較低的RC負阻振蕩器^[3](震蕩頻率0～70 kHz)代替LC振蕩器。如圖2所示震蕩器主要由振蕩發生器電路和阻抗匹配電路兩部分組成^[4]，選頻震蕩網絡通過調節R₁、R₂、C₁、C₂，并配合提高震蕩穩定性的負反饋電路(R_P、R₃)來得到不同的輸出振蕩角頻率ω如式(1)所示。

    振蕩器系統等效原理如圖3所示。a、b點為從R₂、C₂兩端向放大器端看去等效阻抗，要使電路滿足起振相角條件Z_ab須滿足式(2)，A為放大器放大倍數，而放大器A須滿足式(3)。

1.3 AC/DC、DC/DC整流升壓系統設計

    低頻可再生能源受外界的影響，如對風能收集因風速的不同，需要實時調整電路輸入電壓和風力發電機轉速，即需要MPPT^[5]控制。如圖4所示，電路應用BOOST/BUCK電路代替單一的升壓或降壓電路^[6]，提高調控范圍。

    當不規則的能量經過整流后，通過由整流管M1、R₂、R₃組成的采樣反饋穩壓電路，將交流電能整流成直流電能；經由M2、M3、M4、M5、L₁、D6、C₃構成的BUCK/BOOST電路調整輸出；根據MPPT算法，通過MCU控制MOS管M3和M4的通斷升壓或降壓，M3導通M4截止時為升壓，M4導通M3截止時為降壓；采用登山法或叫干擾觀測法，給系統一個突變電壓ΔU通過MCU檢測實時功率，實現MPPT控制。以風能 MPPT流程圖為例說明控制原理，如圖5所示。發電系統通過FPGA芯片反饋采樣，根據MPPT算法，通過控制PWM波的脈沖寬度調整BOOST/BUCK電路和風力控制系統，從而為負載提供最大輸出功率。

1.4 MPPT和能量收集控制系統設計

    系統因負載和外界干擾等因素影響需嵌入MCU控制，其主要針對MPPT、阻抗匹配、系統監控和超級電容器充放電控制提高整體穩定性。圖6所示，系統對輸入、阻抗等參數進行采樣檢測，設定供電方式，直接供電時通過檢測輸入參數進行MPPT；接負載后進行阻抗匹配。圖7為MPPT算法流程圖，控制系統對電路施加串擾ΔU，比較時間t和t+1時刻采樣值，若差值D_p=0，則保持當前值；若D_p>0或D_p<0則根據Dp對串擾電壓ΔU適當增加或者減小。

2 實驗結果及討論

    實驗通過收集低頻機械能檢測系統總輸出性能，再經信號發生器模擬低頻可再生能源波形檢測總系統的轉化效率。

2.1 整流、升壓以及震蕩系統輸出

    傳統能量收集電路主要針對斷續性的能量進行收集，并且以犧牲轉化效率為代價提高整流波形。圖8所示研究中輸入端內阻為50 Ω，輸入電壓最大幅值為14.2 V。通過系統整流輸出端負載內阻10 Ω，端電壓5 V；紋波±300 mV，紋波電壓抑制比0.04。提高了低頻能量收集范圍和能量收集效率，同時經過耦合隔離后提高了輸出端的帶負載能力，且輸出端滿足耦合后直流輸出效果。

2.2 整流模塊轉化效率以及系統總輸出效率

    因系統未介入其他輸入，收集的雜散電能經AC/DC、DC/DC系統整流所轉化的效率η_ab即為系統整流后的直流輸出總效率。如式(4)所示：

    其中，V_OUT為整流后斷路電壓，I_OUT為整流后短路電流，v_in(t)為信號源斷路電壓瞬時絕對值，i_in(t)為信號源短路電流絕對值，T為信號周期。

    圖9所示為50 Hz不同幅值正弦波輸入下的AC/DC整流效率以及系統輸出總效率。首先分析整流系統曲線，整流系統在6.5 V處轉化效率成線性上升，在8 V處轉化效率達到約80%，隨電壓繼續上升，效率漲幅不大，逐漸趨于穩定值，在輸入幅值為10 V處系統的轉化效率達到最大值，最大轉化效率可達91.16%。可知該系統適用于幅值8 V以上的交流能量源進行高效的收集；總系統在5 V處出現上升趨勢，隨電壓繼續上升在6.5 V左右效率增長幅度增大，當電壓達到8.5 V以后，效率漲幅變緩，逐漸趨于穩定值。在輸入幅值為10 V處系統的轉化效率達到最大值，最大轉化效率可達53.18%，由于加入耦合系統，總系統效率下降，但總系統可收集能量輸入電壓閾值降至5 V，并且曲線平緩，提高了系統能量收集穩定性。

3 結論

    針對提高低頻可再生能源（人體動能，低頻機械能、風能、潮汐能等）的能量收集效率的問題，收集系統設計方案包括了AC/DC、DC/DC震蕩耦合系統，超級電容器儲能系統和MPPT控制系統，其中以內阻為10 Ω、最大電壓14.2 V的頻率0-50 Hz的隨機信號源作為收集的能源。對于0～50 Hz斷續的低頻能量，整流紋波控制在5%以內，能量收集效率和帶負載能力明顯提高，例如：傳統動能能量收集系統中，針對人體動能能量收集的效率為68%左右，而本設計低頻可再生能源收集系統針對人體動能能量收集，最大收集效率可達到91.16%;加入輸入/輸出耦合系統用來提高帶負載能力的基礎后，總系統能量收集最大總效率可達53.18%，下一步將深入研究如何輸入/輸出耦合系統的轉化效率。改進MPPT算法控制，提高能量收集效率和系統穩定性，系統可對0～4.5 Hz斷續交流能量高效的收集。同時采用振蕩器耦合的方式提高帶負載能力，進一步提高了能量收集效率。接下來將針對AD/DC系統的總體電路設計上進行優化，以降低能量收集電路的收集電壓閾值，同時提高電路的轉化效率；更改RC振蕩系統設計，提高震蕩頻率減小紋波率，提高轉化效率。

參考文獻

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作者信息：

陳  凱1，2，李洪祚2，劉雙翼1

（1.中國科學院重慶綠色智能技術研究院，重慶400714；2.長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春130022）