王慧，吳疆，袁建華，高厚磊

(1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250061;2.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000;3.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

在日常生活中，很多電器設(shè)備都是由直流供電或者可以轉(zhuǎn)換為由直流供電的。隨著這些設(shè)備的不斷增加，直流供電的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，人們開始重新關(guān)注直流供電的前景。在交流供電模式下，它們多使用適配器(AC/DC)或充電器為其提供相應(yīng)直流電壓等級的電源，這樣不僅增加了設(shè)備投入而且降低了電能的利用效率。太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電的發(fā)電方式，為了適應(yīng)傳統(tǒng)供電模式供電的需要，一般要將其逆變?yōu)榻涣麟姙樨撦d供電。但是，隨著直流負載的增多，我們完全可以直接利用光伏直流為其提供供電電壓，這樣就可以節(jié)省光伏逆變的硬件成本和電能損耗。文獻［1］指出隨著光伏發(fā)電等直流發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，直流供電和直流負荷不斷增多將是未來電力發(fā)展的一個方向。文獻［2］說明了相對于交流供電而言直流供電可以大大減少用電設(shè)備交直流轉(zhuǎn)換的次數(shù)，有利于減少電能損耗，提高電能的利用率，僅此一項就能減少10%-20%的能耗。文獻［3］針對車載直流電源環(huán)境下筆記本供電設(shè)計了一種基于開關(guān)電源的DC/DC適配器，具有一定的實用性。

1 光伏發(fā)電的特點

光伏發(fā)電是分布式發(fā)電的一個重要發(fā)展環(huán)節(jié)，它的特點非常鮮明。從能源的角度來說，太陽能不僅總量巨大，取之不盡用之不竭，而且清潔環(huán)保，無污染 ;從發(fā)電設(shè)備上來說，光伏發(fā)電設(shè)備由太陽能電池板、蓄電池、逆變器等靜止模塊構(gòu)成，便于維護，而且不產(chǎn)生噪聲;從建設(shè)安裝的角度來說，光伏發(fā)電設(shè)備規(guī)模可大可小，可就近安裝，可以節(jié)省輸配電設(shè)備，而且施工周期短，節(jié)省施工費用。

太陽能光伏發(fā)電依靠光伏電池把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，太陽能光伏電池的P-U(功率-電壓)輸出特性見圖1。

由圖1可以看出，光伏電池是一種直流電源。在不同的光照強度下，隨著輸出電壓的變化，其輸出功率是不斷變化的，因此它是一種不穩(wěn)定的直流電源。為了實現(xiàn)光伏并網(wǎng)和獨立運行，我們一般要對其進行DC/DC變換，然后進行DC/AC逆變。在控制策略上一般采用最大功率(MPPT)跟蹤控制，使光伏電池工作在最大功率點附近［4］。最大功率跟蹤(MPPT)實質(zhì)［5］上是一個動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對當(dāng)前輸出功率與前一時刻功率的比較，舍小存大，再檢測，再比較，周而復(fù)始，從而使得陣列動態(tài)工作在最大功率。目前常用的MPPT算法有定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制等算法［6］。

隨著國家對太陽能光伏發(fā)電發(fā)展的大力支持，光伏建筑一體化正在快速發(fā)展。所謂光伏建筑一體化是指將光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，利用太陽能發(fā)電來提供建筑自身用電或并網(wǎng)為電網(wǎng)供電［7］。由于缺乏直流家用電器，在家庭中使用直流供電系統(tǒng)還有很長的路要走。但是在直流負荷集中的區(qū)域，如:辦公樓等場所，可以考慮采用光伏直流取代傳統(tǒng)交流對直流負荷進行供電。

2 常用數(shù)碼電器后級供電電路分析

不同的直流負載具有不同的供電電壓的要求。下面我們將就筆記本電腦、臺式電腦、手機、數(shù)碼相機、MP3等不同負載的供電電壓要求進行分析。

2.1 筆記本電腦的供電電壓

通過對國內(nèi)筆記本電腦市場占有率較高的聯(lián)想、惠普、戴爾、宏基、華碩等品牌系列產(chǎn)品的適配器輸出電壓調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)適配器的輸出電壓標(biāo)示為18.5 V、19 V或20 V，少數(shù)較舊或已經(jīng)停產(chǎn)機型有16 V或15 V。

由于筆記本電腦為比較精密的設(shè)備，并且電腦內(nèi)部各功能模塊所需要的供電電壓也有所不同，如CPU、顯卡、DDR2內(nèi)存等模塊供電電壓一般為1.2 V-2 V、1 V、1.8 V。

當(dāng)筆記本電腦有適配器接入時，將通過適配器向系統(tǒng)供電，如果電池未滿充則通過充電電路對電池充電，同電源控制電路相連的幾個子模塊都會從適配器獲得供電電壓，由于筆記本電腦各模塊所需電壓精度較高，同時需要較完善的保護，一般采用專用電源芯片對各模塊提供精確電壓及保護。其供電電路如圖2所示［8］。

圖2中各模塊功能如下:充電控制電路的作用是對鋰電池進行充電管理，對鋰電池進行切換工作;系統(tǒng)供電電路主要為主板上的控制、邏輯芯片提供工作電壓，還可以作為待機電源;芯片組供電電路則為筆記本電腦南北橋芯片提供電能;內(nèi)存供電控制芯片、顯卡供電控制芯片、CPU供電電路主要為相應(yīng)的供電模塊提供合乎要求的電能。

經(jīng)過對上述供電電路通常所采用的幾十種控制芯片的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其所采用的芯片，以 MAX系列芯片為主，此外還有LTC系列等，它們都具有很寬的輸入電壓范圍，其最低工作電壓都在8 V以下，最大工作電壓都在25 V及以上，某些型號能達到36 V甚至更高。

調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，筆記本電腦內(nèi)部芯片一般都采用PWM脈波調(diào)制穩(wěn)壓，因此輸入電壓等級的變化不至于導(dǎo)致較大功耗的產(chǎn)生。而且筆記本電腦應(yīng)用的電容器、MOSFET都有很高的耐壓值，通常為幾百伏。

桑煙不斷冒出，慢慢的，整個往生塔都籠罩在了盤旋著的煙霧中。這些煙霧從每一顆骷髏頭的嘴邊刮過，發(fā)出陣陣嗚咽的聲響。嗚咽聲中，夾雜著另外一些奇特的聲響，像海螺內(nèi)起伏著的海潮，像大霧中耳廓旁的鳴音，又像九重天上，來自神明的梵唱。

結(jié)論:筆記本的電源接口芯片通常具有很寬的電壓輸入范圍，輸入電壓在一定范圍內(nèi)的差異一般不會影響其工作的穩(wěn)定性。

圖2 筆記本電腦后級供電電路框圖

2.2 臺式電腦后級供電電路

臺式電腦主機一般采用專用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源后級輸出電壓等級一般為+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V、-12 V、+5 VSB。其供電結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。電腦液晶顯示器內(nèi)部也是由直流實現(xiàn)供電，其后級供電電壓一般為+12 V。從以上分析來看，只要配備單輸入、多輸出DC/DC變換電路為臺式電腦提供+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V、-12 V直流電，則臺式電腦可以使用直流供電。由于臺式電腦內(nèi)部很多器件需要一定的工作電流，特別是CPU，它通常工作在大電流電路狀態(tài)［9］，因此+3.3 V、+5 V、+12 V電源需提供較大供電電流。

圖3 臺式電腦供電電路圖

2.3 手機、數(shù)碼相機、MP3等后級供電電路

手機、數(shù)碼相機和MP3等可充電設(shè)備一般使用一塊鋰電池作為電源，鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.7 V，其工作電壓范圍一般為3.0 V ～4.2 V。

鋰電池由于其活性強，能量密度高，對其有比較嚴(yán)格的充放電管理要求。大多數(shù)鋰電池充電電路使用市面上帶有充電管理的集成芯片，外加少量外圍器件構(gòu)成，。所采用集成芯片都具有一定的電壓輸入范圍，如MAX886、MAX888，其輸入電壓范圍為2.7 V ～ 12 V［10］。以手機為例，其充供電框圖如圖4所示。

圖4 手機供電電路圖

從以上分析和圖4可以發(fā)現(xiàn)，一般充電數(shù)碼設(shè)備其內(nèi)部都有電源管理芯片，其輸入電壓有一定的允許范圍。這就為設(shè)計統(tǒng)一的DC/DC充電設(shè)備提供了便利。

3 辦公用光伏直流網(wǎng)及其控制策略

基于以上分析，對于絕大多數(shù)筆記本電腦，可以考慮用同一個電壓等級為其供電;對于手機、數(shù)碼相機、MP3等使用一節(jié)鋰電池作為電源的可充電設(shè)備，亦可以設(shè)計通用的適配器為其供電。對于臺式電腦等其他設(shè)備，其供電電壓等級過于復(fù)雜，亦需要專門的DC/DC變換器?；诠夥l(fā)電的直流供電網(wǎng)設(shè)計圖如圖5所示。

如圖5所示，光伏直流的供電系統(tǒng)由光伏電池模塊，蓄電池模塊和作為備用的大電網(wǎng)共同組成。由于直流負載無需無功功率，因此直`流母線電壓的大小與各模塊提供的有功功率多少的變化趨勢是一致的。

圖5 直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 PV模塊控制策略

PV模塊作為主模塊為系統(tǒng)提供電能，通過DC/DC電路實現(xiàn)在穩(wěn)壓與MPPT模式之間的自動轉(zhuǎn)換，當(dāng)PV模塊所提供的功率大于負荷功率時，PV模塊供電穩(wěn)定直流母線電壓UdcN，同時經(jīng)Boost-BUCK電路向蓄電池充電;當(dāng)PV模塊不足以提供足夠大的功率時，PV將通過對輸出功率P和電壓V的判定搜索最大功率點，使其工作在MPPT模式下，系統(tǒng)電能的缺額將由其它部分補給。其控制原理圖如圖6所示。

圖6 PV模塊控制原理圖

3.2 蓄電池模塊控制策略

3.3 交直流變換器控制策略

圖7 蓄電池模塊控制原理圖

為了增強直流系統(tǒng)的供電可靠性，本系統(tǒng)中還設(shè)有聯(lián)接直流母線和交流電網(wǎng)的AC/DC變換器。當(dāng)直流系統(tǒng)電能不足時，由交流電網(wǎng)逆變向系統(tǒng)供電，維持直流母線電壓穩(wěn)定。其控制流程圖如圖8所示。

圖8 交直流變換器控制原理圖

3.4 逆變器控制策略

為了兼顧對交流系統(tǒng)的供電，該系統(tǒng)設(shè)置了直流-交流逆變環(huán)節(jié)。可以在能量充足的情況下不依賴交流大電網(wǎng)，獨立提供電能對交流負荷供電。其控制流程圖如圖9所示。

圖9 逆變器控制原理圖

3.5 直流母線電控制策略壓

綜上所述，本文所述光伏直流系統(tǒng)中包含PV模塊、蓄電池模塊、AC/DC模塊和逆變模塊，其中PV模塊、蓄電池模塊和AC/DC模塊根據(jù)能量平衡原理，在負荷功率不同的情況下協(xié)調(diào)工作維持直流母線電壓穩(wěn)定。其在不同情況下的工作狀態(tài)如下:

(1)當(dāng)光照充足時，PV模塊作為主供電模塊向系統(tǒng)提供電壓支持，維持母線電壓穩(wěn)定，電能由母線流向系統(tǒng)負荷及蓄電池，AC/DC模塊處于關(guān)斷狀態(tài);

(2)PV模塊供能不足時，蓄電池首先檢測到母線電壓下降，如果其不處于欠壓狀態(tài)，則Boost電路啟動工作，由PV和蓄電池共同維持母線電壓穩(wěn)定，此時PV工作在MPPT狀態(tài)，AC/DC模塊關(guān)斷。

(3)當(dāng)PV模塊和蓄電池不能為系統(tǒng)提供足夠的電能時，AC/DC檢測到母線電壓下降啟動，此時由這三模塊協(xié)調(diào)工作共同維持母線電壓穩(wěn)定。

圖7中，直流母線額定電壓為360 V，當(dāng)對于對電壓要求比較低的負荷，如:LED燈，可以通過直流母線直接對其供電，而對于電腦等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于其對供電系統(tǒng)的要求比較苛刻，要求供電系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源［11］，因此，即時直流母線電壓等級合適也不建議直接供電，最好通過專門的穩(wěn)壓器或DC/DC變換器對其供電。

4 樣機實驗結(jié)果

圖10 光伏直流系統(tǒng)樣機

本文所述系統(tǒng)基于MATLAB下建立了仿真模型，并開發(fā)出了樣機(見圖10)。樣機分為太陽能光伏板、控制板、功率板和蓄電池組四個部分。太陽能光伏板的最大輸出功率為 6.4 kW，四組并聯(lián)，實驗時采用了其中一組，因此其最大輸出功率為 1.6 kW，其開路電壓隨光照的不同在250 V左右上下波動;控制板采用TMS320F28335作為主控芯片;功率板的IPM模塊采用三菱公司的PM75B4LB060;蓄電池采用松下 LCP12100ST (12 V 100A/H)十塊串聯(lián)，因此其正常電壓波動范圍為120 V-138 V，實驗時，采用了大功率放電電阻作為放電負載。

圖11 直流母線電壓、PV模塊電流、蓄電池充電電流波形和逆變器輸出的交流電流波形

圖11所示為光照充足，PV模塊作為主供電單元，穩(wěn)定直流母線電壓，同時向系統(tǒng)供電時，母線電壓波形，PV模塊電流波形、蓄電池充電電流波形和逆變模塊輸出的交流電流波形。由圖11可見，直流母線電壓能夠穩(wěn)定在360 V，上下波動不大(3.9 V)，光伏電池能夠比較平穩(wěn)的輸出電流(此狀態(tài)下其功率大約為1.2 kW)，蓄電池能夠獲得比較平穩(wěn)的充電電流(由于設(shè)置蓄電池放電電流為正方向，因此充電顯示為負值)，交流模塊也能夠輸出平穩(wěn)的交流電流。

本樣機通過DC/DC模塊對LED燈，筆記本電腦等的供電作了測試，實驗證明，只要電壓符合要求，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)負載的平穩(wěn)工作。

5 結(jié)束語

本文通過對日常辦公用直流負載的供電系統(tǒng)研究，結(jié)合開發(fā)的仿真模型和樣機實際驗證，說明通過直流系統(tǒng)直接對這些負載供電具有較高的可行性。樣機系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定，能夠輸出穩(wěn)定的直流電流和交流電流，在直流負載比較集中的辦公場所使用，有望提高電能的使用效率，具有較高的實用價值。

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