一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法

摘要

本发明公开了一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法，微型风机产生的能量经AC‑DC MOSFET整流后变为直流，再经DC‑DC boost变换器后提供给负载端；通过电压和电流传感回路的输出端采集整流后的电压V

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电阻仿真的MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)无线传感器风能采集方法，是基于电阻仿真的MPPT技术在微型风机中的应用，属于WSNs(Wireless Sensor Networks，无线传感器网络)风能采集领域。

背景技术

当下，WSNs风能采集已有一定的研究，但对于一个在低风速下运行的高效空间的WEH(微型风能采集)系统，由风力发电机产生的交流电压峰值在1到3V之间，因此，在AC-DC整流器中使用传统二极管是具有挑战性的，二极管具有一个高电压状态的电压降约0.7到1V，将低振幅的交流电压整流并转换成电子电路可用的一种形式。另一个具有挑战性的问题是，由WEH系统采集的用于驱动无线传感器节点的电功率通常非常低，只达到毫瓦级别或更少。如果微信风机没有在最大功率点运行，这种情况会变得更糟。因此，最主要的问题是开发一种高效的功率变换器及其与电子电路相关并包含MPPT算法的微驱动，用于追踪和保持风力发电机的最大输出功率以维持无线传感器节点在许多不同的工况下的运行。

目前，MPPT技术已经广泛应用于大规模的WEH系统，用于从环境中采集更多的能量。然而，这些MPPT技术需要很高的计算能力来实现精确和准确的MPP跟踪目标。在小规模WEH中，要实现如此精确的MPPT技术，复杂的MPPT电路所消耗的能量远远高于采集到的能量本身，因此该方法不可取。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法，通过负载阻抗来模拟风机的源阻抗，以使得电源和负载之间能够达到良好的阻抗匹配，让采集到的功率在任何运行风速下都是最大值。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明从微型风机风能采集的实际应用出发，通过对微型风机运行特性的研究，提出一种电阻仿真方法，基本原理是有效控制负载阻抗来模拟微型风机的源阻抗以此在电源和负载之间达到良好的阻抗匹配，因此，采集到的功率在任何运行风速下都是它的最大值。

一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法，在某一风速下，微型风机产生的能量经AC-DC MOSFET整流后变为直流，通过并联的电容C进行滤波、整形和提升平均值，最后经DC-DC boost变换器(升压斩波变换器)后提供给负载端；通过电压和电流传感回路的输出端采集整流后的电压V_s和电流I_s，V_s和I_s各自经运算放大器处理后生成V_fb和I_fb，将V_fb和I_fb作为反馈信号提供给MPP追踪和控制回路；根据获得反馈电阻R_fb，MPP追踪和控制回路对微型风机的最优负载R_opt和R_fb进行比较，产生的误差R_err经比例积分调节器处理后生成V_mppt，V_mppt为在当前风速下的微型风机的P-V曲线中，与源阻抗R＝R_opt对应的电压值；PWM(脉冲宽度调制)生成回路根据V_mppt生成方波控制信号；将方波控制信号作为DC-DC>out和输出电流I_out，使得负载端(超级电容器、功率管理单元、传感器节点)的等效阻抗等于R_opt，达到微型风机源阻抗与负载阻抗相匹配的目的，从而使微型风机运行在最大功率点处，保证WSNs能采集到更多的能量。

具体的，所述微型风机的最优负载R_opt通过如下过程获得：

(S1)获取微型风机在不同风速和负载条件下的电压V、电流I和输出功率P；

(S2)集合源阻抗绘制不同风速的P-V曲线、P-I曲线和P-R曲线；

(S3)对不同风速的P-R曲线，分别找到最大功率及最大功率所对应的源阻抗，将最大功率所对应的源阻抗记为相应风速下的最优负载阻抗；

(S4)比较不同风速下的最优负载阻抗是否在R_opt-δ₁≤R_opt≤R_opt+δ₂范围内：若在，则进入步骤(S5)；否则，返回步骤(S1)；R_opt为最优负载，δ₁和δ₂为最优负载R_opt允许的波动范围；

(S5)分别在P-V曲线和P-I曲线中找到R_opt(最大功率点)所对应的电压V_mppt和电流I_mppt。

有益效果：本发明提供的基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法，使微型风机始终运行在最大功率点处，从而采集更多的能量以维持无线传感器节点的运行，也解决了传统MPPT算法电路耗能高的问题，在空间和能量都有限的情况下，在保证精度达标的前提下，尽可能的降低了能耗、提高了效率；本发明能够延长WSNs的工作寿命，降低设备的维护成本，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为本发明电路结构示意图；

图3为电压和电流传感回路的电路示意图；

图4为MPP跟踪和控制回路的电路示意图；

图5为PWM生成回路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法，包括如下步骤：

(S1)获取微型风机在不同风速和负载条件下的电压V和电流I，在基于公式P＝UI计算每种情况所对应的输出功率P；

(S2)集合源阻抗绘制不同风速的P-V曲线、P-I曲线和P-R曲线；

(S3)对不同风速的P-R曲线，分别找到最大功率及最大功率所对应的源阻抗，将最大功率所对应的源阻抗记为相应风速下的最优负载阻抗；

(S4)比较不同风速下的最优负载阻抗是否在R_opt-δ₁≤R_opt≤R_opt+δ₂范围内：若在，则进入步骤(S5)；否则，返回步骤(S1)，重新测量和计算以保证实验结果的准确性；R_opt为最优负载(一个微型风机只有一个最优负载)，δ₁和δ₂为最优负载R_opt允许的波动范围；

(S5)分别在P-V曲线和P-I曲线中找到R_opt(最大功率点)所对应的电压V_mppt和电流I_mppt。

(S6)根据R_opt、V_mppt和、I_mppt，设计控制电路，具体为：

(S61)微型风机产生的能量经AC-DC MOSFET整流后变为直流，通过并联的电容C进行滤波(利用电容器隔直通交的特性将整流后的残留交流成份旁路回流)、整形(整流后的输出是脉动的直流电压，利用电容器的充放电特性(高充低放)可使输出电压稳定于一平滑平均值)和提升平均值(因整流输出是脉动的，故平均有效值就低于原交流电压值很多，减去整流管的正向压降，其整体效率就很低，而电容器的峰值充电特性(两端电压可达峰值)可使输出电压接近于原脉动电压的峰值(原交流的1.414倍)，从而提高了平均值)，最后经DC-DC boost变换器后提供给负载端；

(S62)通过电压和电流传感回路的输出端采集整流后的电压V_s和电流I_s，V_s和I_s各自经运算放大器处理后生成V_fb和I_fb，将V_fb和I_fb作为反馈信号提供给MPP追踪和控制回路；

(S63)根据获得反馈电阻R_fb，MPP追踪和控制回路对R_opt和R_fb进行比较，产生的误差R_err经比例积分调节器处理后生成V_mppt；比例积分调节器兼有比例调节器和积分调节器的优点，比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，从而保证了MPP跟踪和控制的高效性。

(S64)PWM生成回路根据V_mppt生成方波控制信号；

(S65)将方波控制信号作为DC-DC>out和输出电流I_out，使得负载端的等效阻抗等于R_opt，达到微型风机源阻抗与负载阻抗相匹配的目的，从而使微型风机运行在最大功率点处，保证WSNs能采集到更多的能量；

(S66)当微型风机的输出发生改变(比如风速发生改变)，则返回步骤(S62)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。