摘    要：針對目前無線傳感器風(fēng)能采集效率低和傳統(tǒng)最大功率點跟蹤算法(MPPT)不適用于微型系統(tǒng)的現(xiàn)狀,提出一種基于電阻仿真的無線傳感器風(fēng)能采集方法。重點研究了電阻仿真技術(shù),通過負(fù)載阻抗來模擬風(fēng)機(jī)的源阻抗,使得電源和負(fù)載之間能夠達(dá)到良好的阻抗匹配,保證在任何運行風(fēng)速下采集到的功率都是最大值,從而達(dá)到提高無線傳感器風(fēng)能采集效率、延長其工作壽命的目的。最后通過實驗,驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);風(fēng)能采集;電阻仿真;最大功率點跟蹤;

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種基于無線射頻通信技術(shù)的多跳自組網(wǎng)絡(luò),由部署在監(jiān)測空間內(nèi)的無線傳感器節(jié)點組成,在電力系統(tǒng)中多應(yīng)用于智能電網(wǎng)技術(shù)[1,2,3,4]。然而,傳統(tǒng)節(jié)點的驅(qū)動方式限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用與深度拓展,節(jié)點的能量供應(yīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的首要問題。隨著環(huán)境能量收集技術(shù)的研究與發(fā)展,自供電無線傳感器節(jié)點的出現(xiàn)可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網(wǎng)絡(luò)性能[3,4,5,6,7]。文獻(xiàn)[5,6]提出利用傳感器所處環(huán)境的風(fēng)能和太陽能來為傳感器持續(xù)供電,卻忽略了能量采集的效率問題。文獻(xiàn)[7]提出利用風(fēng)致振動的能量來驅(qū)動傳感器運行,但復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的能量損失和設(shè)備的穩(wěn)定性問題有待考證。對于一個微型風(fēng)能采集系統(tǒng),由于采集到的電功率通常非常低,且受到微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的制約。因此,最主要的問題是開發(fā)一種高效的功率變換器及與電子電路相關(guān)并包含最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的微驅(qū)動,用于跟蹤和保持微型風(fēng)機(jī)的最大輸出功率以維持無線傳感器節(jié)點在不同工況下的運行。而傳統(tǒng)的MPPT技術(shù)因其復(fù)雜的電路設(shè)計導(dǎo)致耗能過高,并不適用于微型風(fēng)能采集系統(tǒng)。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本文提出一種基于電阻仿真的MPPT無線傳感器風(fēng)能采集方法,通過負(fù)載阻抗來模擬風(fēng)機(jī)的源阻抗,以使得電源和負(fù)載之間能夠達(dá)到良好的阻抗匹配,讓采集到的功率在任何運行風(fēng)速下都是最大值,從而延長WSNs的工作壽命,降低設(shè)備的維護(hù)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)能采集

近年來,從周圍環(huán)境中獲取可再生能源以延長微型低功耗無線傳感器節(jié)點/網(wǎng)絡(luò)工作壽命的研究工作變得非常流行[5,6,7,8]。盡管在低功耗電子電路設(shè)計、高能量密度存儲設(shè)備和優(yōu)化功率監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面有很大的進(jìn)步,但有限的能量存儲單元所提供的能量仍然限制了分布式嵌入式系統(tǒng)的自主性。在實際應(yīng)用中,更長的工作壽命是許多WSNs系統(tǒng)的一個重要目標(biāo)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),我們需要從僅依賴電池驅(qū)動的傳統(tǒng)WSNs轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€真正自主和可持續(xù)的能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Wireless Sensor Networks,EH-WSN)[8]。對于EH-WSN來說,傳感器節(jié)點與某種形式的能量采集機(jī)制結(jié)合在一起,它可以直接從周圍環(huán)境中采集風(fēng)、光、振動等能量,用于給傳感器節(jié)點上的機(jī)載電池/超級電容器充電。因此,延長節(jié)點工作壽命所需要的維護(hù)非常少。

與任何普通的可再生能源一樣,風(fēng)能采集(Wind Energy Harvesting,WEH)已被廣泛研究并應(yīng)用于大規(guī)模場合,如大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于為遠(yuǎn)程負(fù)載提供電力以及并網(wǎng)[9]。然而,很少有文獻(xiàn)涉及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小規(guī)模WEH的相關(guān)研究[10],微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積小,靈活性高,可為部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型自主傳感器的監(jiān)測提供驅(qū)動,或甚至可以長期暴露在諸如突發(fā)性火災(zāi)、沙塵暴等惡劣的環(huán)境中。

對于一個在低風(fēng)速下運行的高效空間的微型WEH系統(tǒng),由于WEH系統(tǒng)采集的用于驅(qū)動無線傳感器節(jié)點的電功率通常非常低,只達(dá)到毫瓦級別或更小。如果微型風(fēng)機(jī)沒有運行在最大功率點處,這種情況會變得更糟。因此,本文采用電阻仿真方法研究了微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該方法的基本原理是有效控制負(fù)載阻抗來模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的源阻抗以在電源和負(fù)載之間達(dá)到良好的阻抗匹配,使采集到的功率在任何運行風(fēng)速下都是它的最大值。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

WEH無線傳感器節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由3個主要結(jié)構(gòu)模塊組成,即風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率管理單元以及無線傳感器節(jié)點。為了更好地理解這個WEH系統(tǒng)的主要組件是如何工作和相互影響的,圖1中描述了能量轉(zhuǎn)換階段的原理框圖。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生一個單相交流電輸出,經(jīng)功率管理單元后變?yōu)橐粋€用于驅(qū)動無線傳感器節(jié)點監(jiān)測和通訊的直流穩(wěn)壓源[11]。

在風(fēng)電模型中:

式中:Pwind為風(fēng)功率;A為風(fēng)面接觸面積;v為風(fēng)速;ρ為空氣密度,在海平面通常是1.255 kg/m3。

式中:Pwind為風(fēng)功率;A為風(fēng)面接觸面積;v為風(fēng)速;ρ為空氣密度,在海平面通常是1.255 kg/m3。

圖1 WEH無線傳感器節(jié)點的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

風(fēng)電模型表示了輸入風(fēng)速變量v和可用風(fēng)能輸出功率之間的關(guān)系。在實驗中,使用了1臺葉片半徑為3cm的微型風(fēng)機(jī),它的風(fēng)面接觸區(qū)域可以計算為28.3cm2。根據(jù)這些技術(shù)參數(shù),可以決定在氣流中可用的風(fēng)功率Pwind。針對不同的進(jìn)風(fēng)速度對微型風(fēng)機(jī)輸入的影響研究了微型風(fēng)機(jī)的電氣特性,并將不同大小的負(fù)載與微型風(fēng)機(jī)的輸出相連接。通過實驗獲取微型風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速和負(fù)載條件下的輸出電壓V、電流I和功率P,并繪制不同風(fēng)速下的I-V以及P-R曲線,由此來確定微型風(fēng)機(jī)在每種工況下可以采集的電能大小,從而找到微型風(fēng)機(jī)的最優(yōu)工況[12]。如圖2所示,I-V曲線的線性梯度代表了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部阻抗。因為這些梯度是互相平行的,所以只存在1個最優(yōu)電阻值Ropt可以與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部阻抗相匹配,它由式(2)得到:

式中:VMPPT和IMPPT分別為微型風(fēng)機(jī)在最大功率點處的電壓和電流。

如圖3所示,最大電功率PMTTP可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)匹配負(fù)載阻抗為100Ω被采集,它本質(zhì)上也就是式(2)所定義的最優(yōu)阻抗值Ropt。結(jié)果表明,當(dāng)負(fù)載阻抗與微型風(fēng)機(jī)最優(yōu)輸出阻抗產(chǎn)生偏移時,無論是輕負(fù)荷還是重負(fù)荷,都會使微型風(fēng)機(jī)的輸出電功率顯著下降。

圖2 輸出電流與電壓曲線 

圖3 輸出功率與負(fù)載電阻曲線 

3 風(fēng)能采集系統(tǒng)的的最優(yōu)功率管理單元

功率管理單元在源阻抗(微型風(fēng)機(jī))和負(fù)載阻抗(超級電容器、功率管理單元以及傳感器節(jié)點)之間提供適當(dāng)?shù)钠ヅ?以實現(xiàn)WEH系統(tǒng)的高功率轉(zhuǎn)換效率并采集更多電能。MPPT技術(shù)[13,14,15,16]非常普遍地在大規(guī)模能源領(lǐng)域用于從環(huán)境中采集更多的能量。對于較小的設(shè)備,MPPT的目標(biāo)是既要最大限度地提高傳輸效率也要盡可能地減小MPPT能量消耗,因為在這種情況下,能源供應(yīng)是稀缺的。這些微小的無處不在的無線傳感器體積往往需要很小,才能使微型風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的有限電能被使用。因此,MPPT的能量消耗和效率才是無線傳感器風(fēng)能采集系統(tǒng)非常重要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),而不是MPPT的精度[17]。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知,MPPT算法可以分為間接和直接的方法。間接方法是基于一個數(shù)據(jù)表的使用,包括各項參數(shù)和數(shù)據(jù)。例如不同的輻射和溫度下太陽能電池板的典型曲線,或者利用從經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得的數(shù)學(xué)函數(shù)來預(yù)估最大功率點。與間接方法需要對太陽能電池板特性的先驗知識相比,直接方法測量了太陽能電池板在給定的運行點上的電壓和電流來計算并獲得實際最大功率。對于本文描述的WEH系統(tǒng),間接方法不適用,因為在功率曲線上沒有單一的電壓或電流點可以用來表示所有的MPPT運行點。至于直接方法,它仍然適用于WEH系統(tǒng)。然而,在迭代振蕩搜索中,它產(chǎn)生了過多的能量損失,對于小規(guī)模的風(fēng)能采集來說,這種情況是非常不可取的。為了克服這一問題,提出了基于能量采集器內(nèi)部阻抗而不是外部電壓和電流的MPPT技術(shù)。由圖3可以看出,當(dāng)負(fù)載電阻與電源電阻匹配時即100Ω,在任何進(jìn)風(fēng)風(fēng)速下采集到的功率總是最大的。通過應(yīng)用直接法的本質(zhì)去迭代搜索和計算被評估的電源電阻,可以實現(xiàn)一種針對各種風(fēng)速快速而準(zhǔn)確的方法來達(dá)到最大功率點。提出的最大功率點跟蹤算法基于模擬負(fù)載阻抗匹配電源阻抗的概念,這就是所謂的電阻仿真或阻抗匹配。

本文設(shè)計了一種基于電阻仿真器的微型控制器,該仿真器具有閉環(huán)反饋電阻控制方案,可用于各種動態(tài)條件下WEH無線傳感器節(jié)點的最大功率點跟蹤。圖4中描述的MPPT電路本質(zhì)上由3個主要部分組成,即1)圖4所示的直流斬波升壓/降壓變換器,用于管理從風(fēng)機(jī)到負(fù)載的功率轉(zhuǎn)移,即超級電容器、功率管理單元以及無線傳感器節(jié)點;2)圖5所示的電壓和電流傳感回路,采集整流后的電流和電壓并為MPPT和控制回路提供一個反饋電阻信號;3)圖6所示的MPPT和控制回路以及圖7的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)生成電路,通過調(diào)節(jié)變換器的門信號的占空比,使與AC-DC整流器耦合的微型風(fēng)機(jī)與負(fù)載阻抗(超級電容器、功率管理單元、無線傳感器節(jié)點)相匹配來達(dá)到它的最大功率點。

圖4 微型控制器概述 

圖5 電壓和電流傳感回路 

圖6 MPPT和控制回路 

對WEH系統(tǒng)性能及其最大功率點跟蹤能力的評估進(jìn)行了WEH系統(tǒng)性能實驗測試。考慮到直流斬波升壓/降壓變換器、控制、傳感和PW M生成回路的功率損耗,進(jìn)行了無MPPT和有MPPT的WEH性能分析,實驗結(jié)果如圖8所示。

對WEH系統(tǒng)性能及其最大功率點跟蹤能力的評估進(jìn)行了WEH系統(tǒng)性能實驗測試。考慮到直流斬波升壓/降壓變換器、控制、傳感和PW M生成回路的功率損耗,進(jìn)行了無MPPT和有MPPT的WEH性能分析,實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 有無MPPT的WEH系統(tǒng)性能比較 

在約3.2 m/s的低風(fēng)速情況下,采用MPPT方案的微型風(fēng)機(jī)所采集的總功率是沒有采用MPPT方案的2倍。當(dāng)風(fēng)速高達(dá)7.0 m/s,采集的功率差異約為4倍。考慮到MPPT電路中相關(guān)的損失,在圖8中有一小部分采集到的總功率,即大約10%到20%是被boost變換器、控制回路、傳感回路和PWM生成回路所消耗的。結(jié)果表明,采用MPPT的WEH系統(tǒng)的性能,包括變換器的效率損失以及MPPT電路的功率損失在內(nèi),比沒有采用MPPT的WEH系統(tǒng)更優(yōu)越,并且在高風(fēng)速工況下優(yōu)越性更為明顯。從而說明了該方法在WEH系統(tǒng)中實現(xiàn)的可行性和對維持無線傳感器持續(xù)運行的重要性。

4 結(jié)論

本文針對目前無線傳感器的供電問題和MPPT技術(shù)在微系統(tǒng)中應(yīng)用的高能耗問題,提出了一種基于電阻仿真的MPPT無線傳感器風(fēng)能采集方法。理論分析和實驗結(jié)果表明:

(1)采用電阻仿真方法可以保證采集到的功率在任何運行風(fēng)速下都是最大值。

(2)采用MPPT的WEH系統(tǒng)的性能相比沒有采用的WEH系統(tǒng)性能更優(yōu)越,且在高風(fēng)速工況下優(yōu)越性更為明顯。通過采用該方法能有效地維持WSNs的運行,從而降低設(shè)備的維護(hù)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

文章來源：智慧電力