基于风力供电的可调数显电源系统设计

2018-04-07孙培刚张全禹许春和

电子设计工程 2018年5期

孙培刚，张全禹，许春和

（绥化学院电气工程学院，黑龙江绥化152061）

电子设备离不开电源，而电源的能量一般来源于电网，这就要求电子设备要处于具有电网的条件下才能工作，限制了大量电子设备的工作范围。风能作为一种清洁、廉价、储量极为丰富的可再生能源，如果可以利用风力发电技术为没有电网条件下的电子设备供电，则可以减小电子设备的地域限制，同时也减少环境污染和节省了用电成本[3]。目前，国内外的风力发电技术已基本成熟，风能市场迅速发展。但风力供电项目多为大型风力发电机组技术，主要为电网供电，而为数不多的小型风力供电设备的设计也多为固定直流电压的输出，限制了风力供电电源的通用性。本项目正是基于这一形势，将风力发电技术与开关电源技术相结合，设计了一种低成本、低功耗、实用性强的基于风力发电的可调数显电源系统。

1 系统设计方案

电源系统主要由风力供电系统、控制系统和可控开关电源系统组成。设计方案如图1所示。

图1 电源系统设计方案

风力供电系统主要由风力发电机、风力控制器及锂电池组成。风力发电机能够将风能转换为电能，然后通过风力控制器为锂电池充电；风力控制器的功能是将风力发电机输出的交流电进行整流和滤波后对锂电池充电，同时根据锂电池的实时电压和电流情况进行调控，防止电池的过冲和过放，延长电池的使用寿命[5]；锂电池为储能部分，为开关电源系统输出稳定的直流电压。

控制系统的功能是对开关电源的输出电压进行检测，并与输入的电源设定值进行PID计算，根据计算结果对开关电源进行实时控制，保证其输出电压的精度及稳定性，并通过显示系统显示当前输出的电压值。

开关电源系统以DC-DC电源转换电路为主，将电池输出的直流电压转换为负载所需要的的电压值输出，同时随着设定值的变化自动调整，具有低损耗，实用性强等特点。

2 电路系统设计

2.1 风力供电系统

为了便于移动和安装，设计选择了独立小型风电系统装置。结构图如图2所示。

图2 独立小型风电系统结构图

其中，风力发电机选择的是变速恒频（Variable speed constant frequency，VSCF）风力发电机，能够对风能进行有效的捕捉，提高风能利用率。风机型号为NE-50S，额定功率50 W，最大功率可达80 W，启动风速为2 m/s，5片垂直轴叶片，可自动调整迎风角，工作温度在-40℃至80℃之间，满足野外环境要求。

风力控制器选用的是FY-A2-01型的风力控制器，具有最大功率点追踪功能（MPPT），既可以保证在低风速的条件下对锂电池充电，又可提高风机发电利用率10%～15%。接入的风机功率小于100 W，输出直流电压24 V，具有防止负载过载、电池过充和过放以及风机自动刹车等保护方式，工作温度在-20℃至60℃之间。

锂电池选用的是动力电芯锂电池，输出电压为24 V，容量为10 AH，充电电流小于5 A，稳定工作电流最大可达10 A，最大输出功率为350 W，工作温度在-20～60℃之间，基本满足系统设计需求。

2.2 控制系统

设计中的主控制器采用的是新华龙公司生产的C8051F410单片机，工作温度在-40～85℃之间，由于其具有内置12位AD转换模块及PCA阵列、低电压供电、高速微控制器内核（最高可达50MIPS）以及休眠和唤醒功能等特点，可以达到系统要求[1]。

单片机的供电电源由锂电池提供，锂电池输出的24 V电压经过开关电源芯片LM2596-3.3转化为3.3 V电压后为单片机供电。LM2596-3.3内部主要包括产生固定频率150 kHz的振荡电路、1.235 V基准稳压电路、电阻分压网络、放大器、电压比较器和内部稳压电路热关断及电流限制保护电路等。输出电压经过LM2596内部电阻分压网络分压后，与基准电压1.235 V送至电压比较器进行电压比较，电压偏差用来控制150 kHz振荡信号的占空比，通过控制开关管去调整输出电压值，保证输出电压的稳定性[3]。

单片机电源供电电路如图3所示。

图3 单片机电源供电电路

图中C1为滤波电容，D1为肖特基二极管，与电感L1、电容C2及LM2596-3.3内部的开关管构成直流降压斩波电路，锂电池输出的24 V电压经开关电源转换芯片LM2596-3.3转换为固定的3.3 V电压输出，为单片机供电[2]。

2.3 可调数显电源系统

可调数显电源系统以开关电源转换芯片LM2596-ADJ为控制核心。LM2596-ADJ输入电压最大可达40V，输出驱动电流最大为3A，工作温度范围为-40℃至125℃[2]，与数字电位器、单片机内部的AD转换器和单片机控制电路形成PID闭环控制，实现输出电压数字调节的功能。

可调数显电源电路如图4所示。

图4 可调数显电源电路

图4中，IN5825肖特基二极管与电感L2、电容C5和LM2596-ADJ内部的开关管组成直流降压斩波电路；L3与C6组成电源滤波电路，用以减小输出电压的纹波；X9C103为高精度数字电位器，具有100个滑动抽头点，阻值变化范围0-10 kΩ；X9C103与R1组成分压电路，将R1的电压通过LM2596-ADJ的反馈脚4脚输入至LM2596-ADJ内部，调控其内部的PWM信号的占空比，保证输出电压的稳定性；输出电压通过AD转换的调理电路，由单片机P1.4端口送至单片机内部AD转换器进行AD处理，并通过显示系统显示当前输出的电压值。

当通过按键改变输出电压设定值时，由单片机端口P1.6输出脉冲信号至数字电位器的1脚，改变其阻值，P1.7用以控制数字电位器滑动端的方向；同时，R1的电压会随之变化，通过反馈脚4脚调整LM2596-ADJ内部PWM信号的占空比来改变输出电压，并将输出电压通过P1.4脚送入单片机C8051F410内部进行AD转换，转化的数据与电压设定值数据进行PID处理，控制P1.7脚输出的脉冲信号，形成PID闭环控制。当检测锂电池电压小于21.5 V时，则单片机P1.5输出高电平，关闭负载电源，同时单片机进入休眠模式，使系统耗能降为最低。

设数字电位器电阻为R2，输出电压为Vout，LM2596-ADJ内部基准电压为VREF，VREF=1.235 V，根据流过数字电位器与R1的回路电流近似相等，可得：

当数字电位器取最大值10 K时，输出电压为：

3 测试结果分析

电源系统的测试主要包括对电源的负载调整率、电压调整率和纹波系数等参数的测试和分析。

其中，负载调整率指电源负载在规定的的变化范围内引起的输出电压变化率。负载调整率的计算公式为：

其中U为负载变化范围内测得的输出电压，U0为空载条件下的输出电压[4]；

电压调整率指在电源输入电压在规定的变化范围内输出电压的变化率。计算公式为：

其中U为电源规定的输入电压范围内测得的输出电压，U0为额定的输出电压；纹波一般指叠加在直流电压上的交成分，纹波系数表示为：

其中Urms为叠加在直流电压上的交流电压有效值，U0为输出的直流电压[4]。

测试中的负载变化范围为8～100kΩ，电源输入电压范围在额定值上下10%变化，电压分别设定在典型值3 V，5 V和12 V，测试结果如表1所示。

表1 输出电压测试参数表

为了保证输出电压的精度，受到数字电位器阻值的限制，设计的可调数显电源输出电压最大为13 V。

通过测试结果可以看出，当电压设定值再5～13 V之间变化时，精度可达到2%左右，波纹较小；当设定电压与输出电压最大值13.5 V的压差增大时，精度会降低，并且有明显的纹波。输出电压测试图及波形图如图5所示。

图5 输出电压实测图与波形图

4 结束语

文中提出了一种基于风力供电的可调数显电源系统的设计方案，并进行了电路设计和测试。测试结果表明，风力供电电源的输出电压精度可以达到90%以上，负载调整率在0.8%以下，电压调整率小于0.07%，纹波最大为50 mV，能够实现风力供电电源在3～12 V输出电压范围内的数字调节，可以为在野外独立工作的小功率电子设备实现风力供电的需求。但本设计也有诸多不足之处，如在无风的状态下，锂电池电量过低时，则需要关断负载电源以防止锂电池过度放电，会出现供电的间断区；输出电压压差过大时的精度问题和输出电压调节范围较小等问题还有待于改进。

参考文献：

[1]潘传勇，丁国臣，陈世夏.基于LM2596的不间断直流电源设计[J].现代电子技术，2013（17）：107-109.

[2]李金喜，贲礼进．一种改进型小型风力发电系统MPPT控制算法的研究[J].机械工程与自动化，2015（6）：145-147.

[3]吴爽，吴静妤.分布式电源调控系统设计[J]电子设计工程，2016，23（53）：173-176.

[4]江良伟，潘普丰.开关电源数字调压系统设计[J].电源技术，2016（10）：2061-2063.

[5]田兵，赵克，孙东阳，等.改进型变步长最大功率跟踪算法在风力发电系统中的应用[J]电工技术学报，2016（6）：226-233.

[6]张剑锋.快速货车风力供电装置电气系统研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[7]陈健斌.智能化数字电源系统研究[J]数字技术与应用，2016（4）：92-93.

[8]钱文明.数字DC-DC变换器中DPWM的设计[D].南京：东南大学，2016.

[9]张小庆，彭彧华.数字电源模糊自适应PID控制算法仿真研究[J].电源技术，2012（11）：1711-1712.

[10]芦守平，国强，刁鸣.基于数字PID的开关电源并联系统实验研究研究[J].实验技术与管理，2015（7）：46-48.

[11]蒋雪琴.小型汽车蓄电池风光互补发电系统探究[J].现代工业经济和信息化，2015（24）：44-45.