基于电阻仿真的无线传感器风能采集新研究

摘    要：针对目前无线传感器风能采集效率低和传统最大功率点跟踪算法(MPPT)不适用于微型系统的现状,提出一种基于电阻仿真的无线传感器风能采集方法。重点研究了电阻仿真技术,通过负载阻抗来模拟风机的源阻抗,使得电源和负载之间能够达到良好的阻抗匹配,保证在任何运行风速下采集到的功率都是最大值,从而达到提高无线传感器风能采集效率、延长其工作寿命的目的。最后通过实验,验证了该方法的有效性。

关键词：无线传感器网络;风能采集;电阻仿真;最大功率点跟踪;

0 引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一种基于无线射频通信技术的多跳自组网络,由部署在监测空间内的无线传感器节点组成,在电力系统中多应用于智能电网技术[1,2,3,4]。然而,传统节点的驱动方式限制了无线传感器网络的广泛应用与深度拓展,节点的能量供应成为无线传感器网络技术面临的首要问题。

随着环境能量收集技术的研究与发展,自供电无线传感器节点的出现可以在很大程度上缓解能量瓶颈并改善网络性能[3,4,5,6,7]。文献[5,6]提出利用传感器所处环境的风能和太阳能来为传感器持续供电,却忽略了能量采集的效率问题。文献[7]提出利用风致振动的能量来驱动传感器运行,但复杂的机械结构所导致的能量损失和设备的稳定性问题有待考证。

对于一个微型风能采集系统,由于采集到的电功率通常非常低,且受到微型风力发电机运行状态的制约。因此,最主要的问题是开发一种高效的功率变换器及与电子电路相关并包含最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的微驱动,用于跟踪和保持微型风机的最大输出功率以维持无线传感器节点在不同工况下的运行。而传统的MPPT技术因其复杂的电路设计导致耗能过高,并不适用于微型风能采集系统。

为了克服现有技术中存在的不足,本文提出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,从而延长WSNs的工作寿命,降低设备的维护成本,提高经济效益。

1 智能无线传感器网络的风能采集

近年来,从周围环境中获取可再生能源以延长微型低功耗无线传感器节点/网络工作寿命的研究工作变得非常流行[5,6,7,8]。尽管在低功耗电子电路设计、高能量密度存储设备和优化功率监测网络协议方面有很大的进步,但有限的能量存储单元所提供的能量仍然限制了分布式嵌入式系统的自主性。在实际应用中,更长的工作寿命是许多WSNs系统的一个重要目标。

为了实现这一目标,我们需要从仅依赖电池驱动的传统WSNs转变为一个真正自主和可持续的能量采集无线传感器网络(Energy Harvesting Wireless Sensor Networks,EH-WSN)[8]。对于EH-WSN来说,传感器节点与某种形式的能量采集机制结合在一起,它可以直接从周围环境中采集风、光、振动等能量,用于给传感器节点上的机载电池/超级电容器充电。因此,延长节点工作寿命所需要的维护非常少。

与任何普通的可再生能源一样,风能采集(Wind Energy Harvesting,WEH)已被广泛研究并应用于大规模场合,如大型风力发电机用于为远程负载提供电力以及并网[9]。然而,很少有文献涉及微型风力发电机小规模WEH的相关研究[10],微型风力发电机体积小,灵活性高,可为部署在偏远地区的小型自主传感器的监测提供驱动,或甚至可以长期暴露在诸如突发性火灾、沙尘暴等恶劣的环境中。

对于一个在低风速下运行的高效空间的微型WEH系统,由于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小。如果微型风机没有运行在最大功率点处,这种情况会变得更糟。因此,本文采用电阻仿真方法研究了微型风力发电机。该方法的基本原理是有效控制负载阻抗来模拟风力发电机的源阻抗以在电源和负载之间达到良好的阻抗匹配,使采集到的功率在任何运行风速下都是它的最大值。

2 风力发电机

WEH无线传感器节点的系统结构如图1所示。它由3个主要结构模块组成,即风力发电机、功率管理单元以及无线传感器节点。为了更好地理解这个WEH系统的主要组件是如何工作和相互影响的,图1中描述了能量转换阶段的原理框图。从风力发电机组产生一个单相交流电输出,经功率管理单元后变为一个用于驱动无线传感器节点监测和通讯的直流稳压源[11]。

在风电模型中:

式中:Pwind为风功率;A为风面接触面积;v为风速;ρ为空气密度,在海平面通常是1.255 kg/m3。

式中:Pwind为风功率;A为风面接触面积;v为风速;ρ为空气密度,在海平面通常是1.255 kg/m3。

图1 WEH无线传感器节点的系统结构

风电模型表示了输入风速变量v和可用风能输出功率之间的关系。在实验中,使用了1台叶片半径为3cm的微型风机,它的风面接触区域可以计算为28.3cm2。根据这些技术参数,可以决定在气流中可用的风功率Pwind。

针对不同的进风速度对微型风机输入的影响研究了微型风机的电气特性,并将不同大小的负载与微型风机的输出相连接。通过实验获取微型风机在不同风速和负载条件下的输出电压V、电流I和功率P,并绘制不同风速下的I-V以及P-R曲线,由此来确定微型风机在每种工况下可以采集的电能大小,从而找到微型风机的最优工况[12]。如图2所示,I-V曲线的线性梯度代表了风力发电机的内部阻抗。

因为这些梯度是互相平行的,所以只存在1个最优电阻值Ropt可以与风力发电机的内部阻抗相匹配,它由式(2)得到:

式中:VMPPT和IMPPT分别为微型风机在最大功率点处的电压和电流。

如图3所示,最大电功率PMTTP可以在风力发电机匹配负载阻抗为100Ω被采集,它本质上也就是式(2)所定义的最优阻抗值Ropt。结果表明,当负载阻抗与微型风机最优输出阻抗产生偏移时,无论是轻负荷还是重负荷,都会使微型风机的输出电功率显著下降。

图2 输出电流与电压曲线

图3 输出功率与负载电阻曲线

3 风能采集系统的的最优功率管理单元

功率管理单元在源阻抗(微型风机)和负载阻抗(超级电容器、功率管理单元以及传感器节点)之间提供适当的匹配,以实现WEH系统的高功率转换效率并采集更多电能。MPPT技术[13,14,15,16]非常普遍地在大规模能源领域用于从环境中采集更多的能量。对于较小的设备,MPPT的目标是既要最大限度地提高传输效率也要尽可能地减小MPPT能量消耗,因为在这种情况下,能源供应是稀缺的。

这些微小的无处不在的无线传感器体积往往需要很小,才能使微型风机产生的有限电能被使用。因此,MPPT的能量消耗和效率才是无线传感器风能采集系统非常重要的设计标准,而不是MPPT的精度[17]。

根据文献[18]可知,MPPT算法可以分为间接和直接的方法。间接方法是基于一个数据表的使用,包括各项参数和数据。例如不同的辐射和温度下太阳能电池板的典型曲线,或者利用从经验数据获得的数学函数来预估最大功率点。与间接方法需要对太阳能电池板特性的先验知识相比,直接方法测量了太阳能电池板在给定的运行点上的电压和电流来计算并获得实际最大功率。

对于本文描述的WEH系统,间接方法不适用,因为在功率曲线上没有单一的电压或电流点可以用来表示所有的MPPT运行点。至于直接方法,它仍然适用于WEH系统。然而,在迭代振荡搜索中,它产生了过多的能量损失,对于小规模的风能采集来说,这种情况是非常不可取的。为了克服这一问题,提出了基于能量采集器内部阻抗而不是外部电压和电流的MPPT技术。

由图3可以看出,当负载电阻与电源电阻匹配时即100Ω,在任何进风风速下采集到的功率总是最大的。通过应用直接法的本质去迭代搜索和计算被评估的电源电阻,可以实现一种针对各种风速快速而准确的方法来达到最大功率点。提出的最大功率点跟踪算法基于模拟负载阻抗匹配电源阻抗的概念,这就是所谓的电阻仿真或阻抗匹配。

本文设计了一种基于电阻仿真器的微型控制器,该仿真器具有闭环反馈电阻控制方案,可用于各种动态条件下WEH无线传感器节点的最大功率点跟踪。

图4中描述的MPPT电路本质上由3个主要部分组成,即1)图4所示的直流斩波升压/降压变换器,用于管理从风机到负载的功率转移,即超级电容器、功率管理单元以及无线传感器节点;2)图5所示的电压和电流传感回路,采集整流后的电流和电压并为MPPT和控制回路提供一个反馈电阻信号;

3)图6所示的MPPT和控制回路以及图7的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)生成电路,通过调节变换器的门信号的占空比,使与AC-DC整流器耦合的微型风机与负载阻抗(超级电容器、功率管理单元、无线传感器节点)相匹配来达到它的最大功率点。

图4 微型控制器概述

图5 电压和电流传感回路

图6 MPPT和控制回路

对WEH系统性能及其最大功率点跟踪能力的评估进行了WEH系统性能实验测试。考虑到直流斩波升压/降压变换器、控制、传感和PW M生成回路的功率损耗,进行了无MPPT和有MPPT的WEH性能分析,实验结果如图8所示。

对WEH系统性能及其最大功率点跟踪能力的评估进行了WEH系统性能实验测试。

在约3.2 m/s的低风速情况下,采用MPPT方案的微型风机所采集的总功率是没有采用MPPT方案的2倍。当风速高达7.0 m/s,采集的功率差异约为4倍。考虑到MPPT电路中相关的损失,在图8中有一小部分采集到的总功率,即大约10%到20%是被boost变换器、控制回路、传感回路和PWM生成回路所消耗的。结果表明,采用MPPT的WEH系统的性能,包括变换器的效率损失以及MPPT电路的功率损失在内,比没有采用MPPT的WEH系统更优越,并且在高风速工况下优越性更为明显。从而说明了该方法在WEH系统中实现的可行性和对维持无线传感器持续运行的重要性。

4 结论

本文针对目前无线传感器的供电问题和MPPT技术在微系统中应用的高能耗问题,提出了一种基于电阻仿真的MPPT无线传感器风能采集方法。理论分析和实验结果表明:

(1)采用电阻仿真方法可以保证采集到的功率在任何运行风速下都是最大值。

(2)采用MPPT的WEH系统的性能相比没有采用的WEH系统性能更优越,且在高风速工况下优越性更为明显。通过采用该方法能有效地维持WSNs的运行,从而降低设备的维护成本,提高经济效益。

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