無線傳感器網絡的光伏供電系統設計

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研究中心，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

我國最新的十三五規劃中把推動農業現代化列為八大重點工作之一，而無線傳感器網絡技術在推動我國實現農業現代化的進程中起到不可替代的作用，但是無線傳感器網絡系統常需要部署在野外或環境惡劣的偏遠地區，由于在這些地區鋪裝電網供電線路的難度系數大且成本高，因此能量供應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，且符合當下倡導的“綠色”和“可持續性”的發展理念，故利用光伏發電為無線傳感器網絡系統提供電能不失為一種很好的選擇。

文獻［1-2］為農業信息跟蹤、環境信息監測等野外環境下的無線傳感器網絡節點設計了太陽能供電電源，并利用鋰電池作為儲能元件。文獻［3］為戶外無人值守的物聯網傳感器節點設計了一種帶不接地防雷保護電路的太陽能供電電源，并使用磷酸鐵鋰電池儲能。磷酸鐵鋰電池在過充、過放、高溫的情況下不會起火爆炸和析氣膨脹，安全系數高。文獻［4］為大棚無線傳感器網絡監控系統設計了一種市電與光伏電池發電、鋰電池儲能的互補供電電源，該系統能根據太陽能與市電的優先級來選擇供電方式，增加了系統的魯棒性。

綜合分析上述供電電源的特點，設計了一種以鋰電池為主級儲能、超級電容器為次級儲能的光伏供電系統，利用超級電容器與鋰電池在功率密度和能量密度上的互補特性，既能在太陽光時變性較強的環境下更好地存儲電能，又能減少鋰電池充放電次數、延長其使用壽命。最后，利用MATLAB/Simulink軟件平臺對設計的供電電源進行了仿真建模與分析。

1 系統設計

以湖北潛江蝦稻共作示范區為基地，為實現基地環境監控功能的無線傳感器網絡系統設計了獨立光伏供電電源，供電系統總體架構如圖1所示。

圖1 光伏供電系統總體結構框圖Fig.1 Block diagram of photovoltaic power supply system

該系統主要包括光伏電池陣列、光伏最大功率點跟蹤模塊（MPPT）、雙向DC/DC變換電路、超級電容器、鋰電池儲組能模塊。根據負載情況分別對超級電容器和鋰電池組混合儲能裝置、光伏電池陣列、充放電主電路及其控制器進行了相關設計。

1.1 混合儲能裝置的相關設計

蝦稻共作環境監控系統包括傳感器與數據采集模塊、智能網關、視頻與圖像采集模塊和信息傳輸模塊等，經實驗測得該系統的平均負載功率為20 W。可根據式（1）和式（2），設計超級電容器和鋰電池組的規格分別為12 V/10 F、12 V/400 Ah就能滿足本系統的設計要求。

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

1.2 光伏電池陣列串并聯數的相關設計

根據無線傳感器網絡系統負載的電壓等級情況知，本系統可選取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光伏板組件進行串聯，通過DC-DC變換器升壓后就能滿足負載電壓等級要求。

式（3）中，A為光伏組件的修正系數，一般取0.9；IN為光伏板組件的最大功率電流5.5 A；h為當地平均峰值日照時間取6 h；則WPV=29.7 Ah。

供電系統在經歷了最長的陰雨周期后，要求超級電容器和鋰電池組的能量能得到快速的補充，如給定能量的補充時間為15天，則光伏板組件的并聯數NP為：

式（4）中，WLi和Wsc分別為鋰電池組和超級電容器儲存的總能量；WL為負載一天消耗的總能量；drecharge為定能量的補充天數；經計算得 NP=2，即所設計的光伏電池組陣列由兩塊標準光伏電池板并聯組成。

1.3 主電路設計

根據前面選定的光伏板、超級電容器、鋰電池組和負載的電壓等級及其參數，本文選擇經典雙向DC-DC變換器作為超級電容器和鋰電池組的充放電主電路，其拓撲結構如圖2所示［5］。

為保證雙向DC-DC變換器工作在Buck和Boost狀態時能處于電感電流連續模式（CCM）下，應該按以下公式計算儲能電感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際取值，D、IOmin、U1、U2分別為系統的占空比、電感電流最小值、Boost和Buck電路輸出端電壓。由上述公式可得，當設定負載的電壓紋波ΔU/U小于1%，開關頻率 fs為20 kHz時，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計

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］，其充電控制結構框圖如圖3所示。

圖3 鋰電池組充電控制結構框圖Fig.3 Block diagram of lithium battery charging control

用狀態空間平均法對鋰電池組充電過程進行小信號模型分析得：

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阻。

對電流和電壓選擇單零-極點校正網絡，則可設計其電流和電壓控制器分別為：

1.4.2 超級電容器充電控制 超級電容器采用恒流限壓的充電方式［9］，并實時監測超級電容器的充電電流和端電壓，當超過最大限定值時，停止充電，其恒流充電控制結構框圖如圖4所示。

圖4 超級電容器充電控制結構框圖Fig.4 Block diagram of supercapacitor charging control

用狀態空間平均法對超級電容器充電過程進行小信號模型分析得：

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

對電流采用單零-極點進行補償設計電流控制器為：

1.4.3 超級電容器和鋰電池組放電控制 超級電容器和鋰電池組均采用穩壓限流放電方式，當光伏電池輸出或負載發生突變時，限制鋰電池組的電流輸出，使用超級電容器提供大沖擊電流［10］，其放電控制結構框圖如5所示。

圖5 超級電容器和鋰電池組放電控制結構框圖Fig.5 Block diagram of supercapacitor and lithium battery discharge control

對電流選擇雙零-極點，電壓選擇單零-極點校正網絡，則其電流和電壓控制器分別為：

2 系統仿真建模及結果分析

通過MATLAB/Simulink搭建基于超級電容器和鋰電池混合儲能的光伏供電系統的仿真模型［11-15］，其中超級電容器選擇12 V/10 F，0.1 Ω；鋰電池組選擇12 V/20 Ah，1 Ω；開關頻率為20 kHz；根據本系統的工作環境，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網系統使用外，其余的能量將通過超級電容器和鋰電池組儲存起來。則系統的仿真波形圖如圖6所示，設定仿真時間5 s，從上至下分別為直流母線電壓、超級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，超級電容器進行恒流充電，充電電流大小為4 A，其端電壓由設定的初始值8.5 V升高至12 V后維持穩定，不再上升。鋰電池組進行恒壓限流充電，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現預先設想的結果。

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

模式二：當光伏電池的光照條件突然變差時，例如太陽光被突然飄過的烏云或其它物體遮住時，光伏電池輸出的電能不再滿足物聯網系統的用電要求。此時，可利用超級電容器功率密度大的特點，使用超級電容器來維持系統直流母線電壓的穩定。系統的仿真波形如圖7所示，設定仿真時間5 s，從上至下分別為直流母線電壓、超級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時光照突然變差，超級電容器立即以穩壓限流的方式釋放電能，放電電流大小為3 A，4 s后光照恢復正常，超級電容器停止放電。期間母線電壓和鋰電池組的狀態維持在穩定狀態，表明在光照條件變化極端的情況下，系統仍能維持穩定運行，實現預先設想的結果。

模式三：在夜晚或長時間光照不足的情況下，先由超級電容器釋放電能來維持系統直流母線電壓的穩定，當超級電容器的電壓下降至其放電電壓下限值時，超級電容器停止放電，再由鋰電池組釋放電能來維持系統直流母線電壓的穩定。為顯示超級電容器釋放電能至電壓下限值后停止放電的狀態，設定超級電容器的電壓初始值為5.5 V。系統的仿真波形圖如圖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，此時鋰電池組接著放電，其端電壓初始設定值12 V逐漸下降。表明控制器能很好的保護超級電容器，避免出現過放現象。

3 結 語

利用超級電容器和鋰電池組合作為系統的儲能裝置，為集環境監控和水質監測為一體的無線傳感器網絡監控系統設計了一套獨立的光伏供電電源，并對其進行了仿真建模與分析，仿真結果表明：

1）基于超級電容器和鋰電池混合儲能的光伏供電系統采用基于雙向DC-DC變換電路的充放電控制器具有較好的動態性能和魯棒性，能在光照條件突變時快速準確的作出反應，使直流母線電壓穩定維持在24 V不變，且能避免負載承受大電流的沖擊，從而能為無線傳感器網絡負載提供持續穩定的電能。

2）利用超級電容器功率密度高和鋰電池的能量密度高的互補特性實現混合儲能，可以有效減少鋰電池的充放電次數、延長其使用壽命，使得獨立電源系統整體的性價比更高。同時用清潔環保的新能源替代了無線傳感器網絡系統的傳統供電電源，可以有效解決在農場中鋪裝電網線路的問題，使農業物聯網系統能被廣泛的推廣使用。

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