毕业设计（论文）-基于无线传感器网络节点的微型光伏电源系统设计.docx

毕业设计说明书论文题目基于无线传感器网络节点的微型光伏电源系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化专业 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书基于无线传感器网络节点的微型光伏电源系统的设计摘要本世纪初以来无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)开始在国内外学术界和产业界引起了广泛的关注,并在多种应用领域中取得了重大进展,在国际上已被认定为继互联网之后的第二大网络。能源受限是WSN快速发展中遇到的重要瓶颈之一，制约着节点能力和使用寿命。因此为WSN节点提供充足的永久的免维护的能源保障是完善WSN设计的最终目标之一。通过微能量收集技术从环境中不断获取可持续性能源是当前WSN设计和可再生能源应用中的一个新兴研究课题。由于太阳能具有较高的能量密度和均匀的资源分布,特别是它永不枯竭和方便预测的特点,使其较其它环境能源更加适用于分布随机,无人值守的传感器网络节点。因此，这个课题已经成为解决WSN能源问题的研究热点。本设计提出一套优化的设计方案，为WSN节点设计了一套可靠性高，成本脚底，效率较高的光伏电源管理系统。设计思想自上向下，我们把微型光伏电源系统进行了模块划分，定义了每个模块的功能，深入探讨了各个模块的关键技术。本次微型光伏电源系统的设计分为四个部分：规模较小的太阳电池，它可以将光能转化为电能；能量存储单元，用来存储转换来的电能；光伏能量收集器，它可以跟踪太阳能的最大功率点来提高功率转化的效率。直流电压变换器，为负载提供稳定的电压输出。本设计针对微型光伏系统设计了一款基于Buck拓扑结构和开路电压法的最佳模式微能量收集器,在能量储存单元的设计中使用超级电容代替蓄电池,这是因为超级电容的使用寿命更长,控制电路更简单,特别是它的充放电基于物理效应使用中清洁无污染。关键词：微型光伏电源系统, 太阳电池建模, 微能量收集器, 最大功率点跟踪, DC-DC变换器The tiny photovoltaic power system based on wireless sensor network node designAbstractSince the beginning of this century, wireless sensor networks (WSN (WSN) began in domestic and foreign academic circles and industry has aroused widespread concern, and made significant progress in a variety of applications, in the world has been identified as the second largest network after the Internet. Energy limitation is one of the important bottlenecks in the rapid development of WSN, which limits the node capability and service life. So it is one of the ultimate goals of improving the design of the WSN for the WSN node to provide adequate permanent maintenance free energy. Through the micro energy collection technology, the sustainable energy is a new research topic in WSN design and renewable energy application. As the solar energy has a higher energy density and uniform resource distribution, especially it never dried up and convenient to predict the characteristics of the compared with other environmental energy is more suitable for random distribution, unattended sensor nodes in the network. Therefore, the solar energy based micro photovoltaic power supply system is becoming an important research hotspot of WSN node energy solution.This design is based on a set of optimization design method for WSN node design a high-efficiency, low cost, high reliability of the photovoltaic power management system. According to the top-down design ideas, we photovoltaic power supply system for micro the module division, functional definition of each module is given and the key technology in the design of each module one by one in-depth discussion. The design of photovoltaic micro power system mainly includes four parts: micro scale solar cell, it is the photoelectric energy converter; energy storage unit for storing electrostatic energy; solar energy collector, it in maximum power point tracking control realized high efficiency power conversion; DC voltage converter, according to the load to provide a stable output voltage. The design for micro photovoltaic system design a buck topology and the open circuit voltage method, the best mode of micro energy harvester based on, in the energy storage unit design using super capacitor to replace the battery. This is because a longer service life of super capacitor. The control circuit is simple, especially its charge discharge based on physical effects used in clean without pollution.Key words :Micro-scale photovoltaic power system ,solar cell modeling, micro-energy harvester, maximum power point tracking, DC-DC converter中北大学2015届毕业设计说明书1. 引言11.1 选题背景和研究目的11.1.3太阳能在WSN中的优势21.2光伏系统概述22.微型光伏电源系统的设计规划42.1WSN节点的能源需求42.2系统规划和系统能流分析42.3本章小结63.太阳电池的建模研究73.1太阳电池的工作原理73.2太阳电池的等效电路模型73.3本章小结94.微型光伏能量收集技术研究104.1微型 PV 系统中的 MPPT 算法概述104.2 FOCV 算法及其优化104.3 MPPT 的软件仿真114.4本章小结145. DC-DC转换器的分析与设计165.1 Buck型DC-DC转换器基础165.2 Buck型DC-DC变换器设计关键技术165.2.1滞环控制模式165.3 Buck型DC-DC变换器硬件的设计。175.4 Buck型DC-DC变换器的软件仿真。205.5本章小结236.结论与展望246.1设计总结246.2未来工作展望24参考文献25致谢28第II页 共III页中北大学2015毕业设计说明书1. 引言1.1 选题背景和研究目的1.1.1无线传感器网络随着科学技术的飞速发展，信息时代渐渐来临。获取信息最重要的和最基本的技术是传感器技术，传感器技术近年来得到了长足的发展，从过去单一的逐渐融合到现在网络的发展方向，将在信息领域带来一场革命。物联网是基于无线传感器网络（WSN），被称为下一个时代的工业革命，无线传感器网络技术应用于各个领域，从第二十世纪70年代，到上个世纪90年代。进入第二十一个世纪后，网络开始在国内外逐渐引起社会各届的广泛关注，在各个领域的应用中取得了明显的进步。现在网络已经在世界上被认定为第二大网络上网后，2003年，在美国技术评论杂志，在未来人类生活的十大新兴技术中无线传感器网络产生了深远影响，排名第一1。目前WSN的应用主要集中在以下领域:环境的监测和保护2,医疗研究和家庭护理34,军事领域5,交通监控系统6以及在一些危险的工业环境中实施安全监测7。尽管目前WSN仍处在初级阶段的发展,但已经给我们展示出了巨大的应用价值,所以随着相关技术的发展和进步,一定会得到很广泛的应用。WSN的远景目标:联系物理世界,感知无处不在,它将成为物理世界,计算机世界和人类社会之间的关系纽带8。 图1.1.1 一个WSN节点的结构框图1.1.2 WSN的资源受限问题 WSN资源受限主要是能源受限问题。由于WSN是分散开来的，而且范围较大，所以直接由电网供电是不现实的。因此一般会选用电池等移动电源为这些节点供电。但是电池的电能是有限的，我们需要不断的为它充电。考虑到无线传感器网络通常被配置于偏远地区或是工作人员较难到达的自然环境中,因此传感器节点中的电源不易更换,难以维持节点的长期稳定工作。另外传感器节点的体积和成本比较小,为其配备大型的能源供应装置也是不太可能的。为分散的节点提供稳定可靠的能源无论是安装还是周期维护都面临困扰,现今业界已普遍认定能源受限问题已成为制约WSN快速发展的主要瓶颈之一。1.1.3太阳能在WSN中的优势太阳能是通过太阳电池把光能转化为电能的,这一能量转化过程的基本原理是光生伏特效应,因此我们也称太阳能发电系统为光伏系统9。太阳能发电主要有如下优点:（1）永不枯竭，不用担心来源;（2）是绿色能源，无污染;（3）资源分布均匀,不受地域的限制;（4）可根据使用要求就近发电;（5）成本低廉;（6）能源转化时间短。缺点在于: 不够稳定，获得的能量与昼夜变化、四季变化及阴晴等气象条件有关。但太阳能还是以其巨大的优点受到世界各个国家的重视。从应用角度看,太阳能比其他可再生能源更优越的另一特点是具有可预测性,因此这将有利于对光伏电源供给模块进行电源管理设计,以优化电源系统的可持续性和稳定性。如前文所述, 能源问题是限制WSN发展的关键因素, 延长WSN寿命的关键是采用从环境中获取能量的微能量收集技术。由于太阳能的能量密度较高,资源分布均匀,且具有永久不枯竭的特点,因此较其它环境能源更加适用于传感器节点。1.2光伏系统概述1.2.1光伏系统的分类介绍如图1.2.1所示,独立光伏 系统由下面7个模块组成10。充放电控制器来控制电路使得电路始终工作在太阳能的最大功率点的附近。然后通过超级电容来收集转化而来的电能。如果负载为直流负载，可以通过斩波电路来实现电压的升降，从而满足负载的用电电压需求。如果是直流负载，则需要用逆变电路实现直流到交流的转化。从而供负载使用。光伏阵列充放电控制器直流负载DC/DC变换器 DC/AC变换器交流负载超级电容图1.2.1光伏独立电源系统1.2.2微型光伏电源系统的发展现状最早的微型光伏电源系统(Micro-scale PV Power system)中包含一块几平方厘米大小的太阳电池用于光电转换,产生的电能直接共给负载使用11。我们知道，光照只有白天有，黑夜没有,为了能够为负载持续供电，需要在光能充裕时将能量收集到一个能量存储介质中以备光能不足之需。如果我们直接将太阳能转化为电能，转化效率是很低的，因此，我们需要对太阳能的最大功率点进行跟踪从而提高光能到太阳能的转化效率。这就是光伏系统最大功率跟踪，简称MPPT。目前的光伏系统主要包括几个模块。光伏模块是将太阳能转化为电能的装置；能量控制单元即为最大功率跟踪器，实现最大功率的跟踪；能量收集装置是将太阳能转化而来的电能收集起来，以供后面的负载使用；DC-DC变换器则是起到电压变换的作用，能量收集单元收集来的能量在电压方面不能达到负载的电压的需求，所以需要DC-DC变换电路来实现能量收集单元的电压到负载电压的转化，以供负载使用，DC-DC变换电路要求比较快的响应速度，用模拟电路控制能够实现要求。2.微型光伏电源系统的设计规划2.1WSN节点的能源需求有需求才有设计的动力，设计是根据需求而进行的。本次设计是根据无线传感器网络节点的需求设计的。无线传感器网络分布范围广，且不容易用电网直接供电，因此我们设计了微型光伏电源系统来满足要求。图2.1给出了一个基于光伏系统供电的WSN节点的系统架构12。图2.1 个基于光伏系统的无线传感器网络节点架构 本设计采用太阳能电池供电，通过太阳能最大功率点的跟踪完成太阳能电池的最大功率转化，同时采用超级电容将转化来的电能收集起来，然后通过电压变换器将电压转化为适合负载使用的电压值。负载 的的能源需求如表2.1所示。表2.1 负载芯片能源需求2.2系统规划和系统能流分析2.2.1模块划分和功能定义本设计为WSN节点设计的基于微型光伏系统的电源管理模块如图2.2所示。整个电源系统包括四部分:太阳电池组件,能量收集单元,超级电容和直流电压变换器13。图2.2基于光伏系统的电源管理模块（1）太阳组件是为无线传感器网络转化电能的，它属于微型光伏系统，因此，不需要太庞大的光伏阵列14。（2）能量控制单元是整个微型光伏系统中较为重要的模块之一，能量收集单元的开关控制电路部分主要采用PWM控制方式15，采用这种方式可以实现自适应的功能，当太阳光照发生变化时，能量控制单元可以根据光照的变化找到此光照条件下的最大功率点。从而提高太阳能的转换效率。（3）超级电容是用于储存转化来的电能的。当光照充足时，光能转化来的电能已经远远超过了负载所需要的能源需求16，这时除了提供给负载的能量之外会有比较多的能量剩余，这是就需要用超级电容将这些能量储存起来；当光照不足时，光能转化而来的电能不能满足负载的用电需求，这样就需要用超级电容中储存的能量和光照转化的能量一起为负载供电来满足负载的用电需求17。超级电容相对与蓄电池来说跟适合于微型光伏系统，它的电容量大，使用寿命长，充放电过程完全是电子转移的物理过程，不会对环境造成污染，符合绿色环保的要求18。（4）直流电压变换器是将电能供给负载前的最后一道工序，直流电压变换器将太阳能转化来的电能的电压经过变换来满足负载的需求，对电压变换器的设计要求成本低，功耗低，这样才能满足微型光伏电源系统的要求，所以本设计采用模拟电路来控制开关的通断。2.2.2系统的能流分析图2.3光伏电源系统能流图2.3本章小结本章对整个光伏系统的各个模块做了规划，分析了微型光伏电源的能流模型，基本完成了整个微型光伏电源系统的规划设计。3.太阳电池的建模研究3.1太阳电池的工作原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理19。图3.1太阳电池单元物理模型 光-电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池20。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。3.2太阳电池的等效电路模型为了对光伏系统进行模拟和预测,需要通过数学方法对上述太阳电池的输出特性做出有效的描述,换句话说就是要为太阳电池建立数学模型。本节介绍基于太阳电池物理机制的等效电路模型21-25。等效电路有简有繁,计入的参数有多有少,用不同等效电路来模拟的太阳电池精度有高有低。根据精度不同,太阳电池的等效电路模型主要分为:理想等效电路模型、实际等效电路模型。3.3.1理想等效电路模型根据3.1节中介绍的太阳电池的工作原理,当光源稳定时,我们可以把太阳电池看作一个理想的,稳定的光生电流源,其理想等效电路模型如图3.5所示26，这个理想等效电路说明太阳电池受光照射后,产生了一定的光电流IL,其中一部分用来抵消P-N结的结电流ID,另一部分为供给负载的输出电流IO,当接入负载RL后得到输出电压Vo。图3.5硅太阳能电池的理想等效模型根据基尔霍夫电流定律,输出电流lo表示为: IO=IL-ID=IL-IO(eqV0nkT-1) (3.1) 式中q为电子电荷,q = 1.6*l019C;k为波尔兹曼常数,k = 1.38*l0(-23)J/K;T为绝对温度,单位K; n是P-N结的理想因子,通常n的取值区间为1,2;Io为二极管反向饱和电流。IL表示电池在光照下产生的光生恒流电流,其值正比于光照强度,与电池温度有关,可用下式表述: IL=AC(C0+C1T)S (3.2)其中,Ac表示太阳电池的有效面积;T和S分别表示电池温度和光照强度;Co和C1是依赖于电池材料的系数。3.3.2实际等效电路模型图3.6硅太阳电池的实际等效电路模型同样根据基尔霍夫定律可以得到计入寄生串并联,电阻后的太阳电池的输出电流,式(3.3)即为实际工程应用中描绘太阳电池输出电学特性的数学模型。 I0=ID-IL-IP=IL-I0eqV0+I0VRS-1-(V0+(V0+I0RS)RP ) (3.3)3.3本章小结 本章主要介绍了光伏电池的基本原理和光伏电池的等效电路模型。为下面的软件仿真提供了比较准确的模块。4.微型光伏能量收集技术研究4.1微型 PV 系统中的 MPPT 算法概述在过去的很长一段时间业界内主要集中于对大型PV 系统的研究，找到了多种高精度高成本的 MPPT算法，如干扰观测法、电导增量法、模糊控制法等27-30。这些方法算法复杂精度较高，在硬件上一般依赖于数字信号处理器或微处理器来实现，从而能够快速精准地跟踪 PV 的 MPP，这样做除了经济成本较大外，也要付出较大的功耗成本，显然，这些方法在微型 PV 系统中是不适用的。本文主要讨论通过专用模拟集成电路来实现的低成本低功耗的MPP 跟踪器以适应微型 PV 系统的要求。表 1 所示总结并对比了现有研究成果中能够通过模拟电路来实现的 MPPT 算法及其各自的优缺点。表1可通过模拟电路实现的MPPT算法对比MPPT算法是否真正MPPT是否自适应调节监控参数开路电压法否否电压短路电流法否否电流纹波修正控制法是是电压电流最大负载法否是电压电流本设计方法否是电压本设计将基于 FOCV 算法设计适用于微型 PV 系统的 MPP 跟踪器，因为：(1) 精度虽不是最高但已满足应用要求；(2) 可通过优化为PFOCV 算法来避免周期性调整操作；(3) 微型 PV 系统中，监控电流往往需要使用霍尔器件等电流传感器，这会在很大程度上提高成本，而监控电压则更易于实现，且电路简单能够节约功耗31。4.2 FOCV 算法及其优化大量实验证明：任意太阳电池其最大功率点电压VMPP与开路电压 VOC之间呈较稳定的正比例关系，可表示为： VMPP=KFOCVOC (4.1)比例系数KFOC的值取决于太阳电池的制造工艺，而与所处工作条件关系甚微。通常 KFOC的取值在 0.720.78 之间。这样只要KFOC 确定后，我们可以通过测试 VOC的电压来确定当前条件下最大功率点的电压。大多数学者的做法是VOC的实时结果由周期性电压采样电路来实现，但这会带来一些额外的功耗，本设计采用试点单元法(Pilot_FOCV，PFOCV)，可通过测试总是处于开路状态的试点太阳电池单元(pilot cell)的 VOC_pilot来计算最大功率电的电压，从而大大降低了电路的复杂度，节约功耗。根据半导体物理可知试点单元与主 PV 的电压关系满足下式： VOC=VOC_pilotN (4.2)式中：N 是主光伏模块中串联的试点单元数量。在开路电压法中，试点单元与主 PV 组件的制作工艺完全相同且要尽可能的放在一起，保证它们处于相同的温度和光照条件。这样 VOC_pilot中已包含有主光伏模块的制造工艺以及工作环境等信息，因此，试点单元相当于一个开路电压传感器，这样做就可以省略电压采样电路，大大简化的电路的结构。本设计中太阳电池为单晶硅工艺制造，KFOC约等于0.75，主 PV 为 10个试点单元串联而成。同工作环境下的电压，开路电压法可表述为： VMPP=KFOCVOC=KFOCVOC_pilotN0.7510VOC_pilot=6VOC_pilot (4.3)4.3 MPPT 的软件仿真当太阳电池的输出电压设置在VMPP的10%偏差内，其输出功率可以达到峰值功率的90%，在该精度要求下 MPP 跟踪器的设计具有更好的灵活性。本次设计了一款完全由模拟电路实现的低功耗且易于实现的能根据太阳光照变化的自适应跟踪器，如图 4.2所示。=图4.2 MPPT电路结构这是一个类似于 Buck 型开关电源的电路拓扑结构，通过反馈使得 PV 的输出电压稳定在其最大功率点附近，同时，此电路也将 PV 的输出功率转移到能量储存元件超级电容 CSC中，以供后级应用电路使用。控制环路由误差放大器，pwm比较器，RS触发器和IGBT驱动电路构成，分压器用来实现式(3)中 VMPP和VOC_pilot之间的比例关系，pwm比较器来控制 PV 输出电压的纹波。控制环路如下图4.3所示。 误差放大器 PWM比较器 OUTdVPV-R QS驱动电路VPilot + - 锯齿波 + 时钟图4.3 MPPT控制电路本次设计通过matlab仿真来实现功能。下面是控制电路的matlab仿真电路，如图4.4所示。图4.4 MPPT控制电路的matlab仿真电路本次仿真由交流电源串联直流电源来模拟光伏模块电压的变化，直流电源的频率设为10HZ幅值设为1v，直流电源电压设为2v，所以输出波形的的前1/4周期为由2v变化到4v的正弦曲线。为了仿真的方便，将试点单元和实际光伏模型变的完全一致，且假设开路电压为最大功率点的电压，将电源串联电阻来模拟实际光伏模块带负载时的端电压，观察是否能实现最大功率点电压的跟踪。查阅相关资料知道IGBT开通电压约为15v左右，关断电压约为8v左右，因此在仿真中可以将RS触发器的输出信号放大20倍来模拟IGBT驱动电路的开通和关断。下图为matlab仿真结果。图4.5带负载光伏模型和试点单元电压波形从图中可以看出，当光伏模块开路电压由2v变化到3v时，实际的工作电压在向最大功率点靠近，实现了最大功率跟踪。图4.6 PWM控制波形图4.7 超级电容的端电压波形 由图可以看出，电压纹波小于理想值的10%。4.4本章小结 能量收集技术是光伏系统中一个不可缺少的基本组成部分,因此本章所述量收集技术亦为本设计的核心内容之一。我们主要研究了适用于微型光伏系统中的MPPT的控制算法和微型光伏能量收集电路的拓扑结构。本章主要对开路电压法进行深入研究，并对MPPT控制电路做了详细的介绍。5. DC-DC转换器的分析与设计本设计的能量收集装置使用的是超级电容。超级电容两端的端电压大约是5v左右，而负载需要的电压为2v。所以需要用降压斩波电路来实现降压的作用。降压的目标是稳定在2v左右，所以需要控制电路来控制开关的开通与关断，使得电压纹波稳定在2v左右。5.1 Buck型DC-DC转换器基础Buck变换器又称为降压变换器(Step Down Converter),其拓扑结构如图5.1所示,下面是降压斩波电路的主电路和控制电路，下面详细介绍控制电路的工作原理32。图5.1 BUCK型DC-DC转换器当VOUT低于2v时,控制VCTL使得IGBT导通,此时D2因为反偏而截止，这时电源开始向负载供电。一段时间后，电容C开始充电, VOUT开始升高;当VOUT高于2v时,控制电路控制IGBT关断，此时电感通过二极管续流。电感电流释放完成后电容C开始放电供负载使用，此时负载端电压VOUT开始降低，然后当输出电压低于2v时又重复上一次的动作，如此反复使得负载的端电压可以稳定在2v左右。5.2 Buck型DC-DC变换器设计关键技术5.2.1滞环控制模式这一小节我们考虑DC-DC变换器的控制模式。基于5.1中的设计思想实现一种适用于微型光伏电源系统电压变换器的反馈控制模式,它具有响应速度快，低功耗的特点。5.2.2 Buck型DC-DC转换器分析本设计设计了一款由模拟电路实现的的Buck型DC-DC电压转换器,如图5.2所示。电路中通过电压比较器构成的反馈回路控制开关的开通和关断,不再需要外加时钟和银齿波等载波信号,这样使得降压斩波电路的结构大大简化。下面是控制环路的控制原理介绍。图5.2滞环控制模式的Buck变换器输出电压Vout经过R1和R2两个电阻分压得到VFB这样做的好处是VREF可以使用电压较低的电源或者根据需要调换电源, VFB与参考电压VREF比较,若VFB高于VREF，则比较器输出低电平,经过驱动电路后输出的低电平使得IGBT开关关断,从而电感电流降低,当IL小于IOUT时,电容C放电VOUT开始降低。当VOUT降至使得VFB低于VREF时,比较器输出高电平,驱动电路输出的高电平将IGBT管打开,输入电压使L电流增加,当超过IOUT后,VOUT升高,如此反复即可将VOUT稳定在设定电压的附近，从而满足负载的需求。5.3 Buck型DC-DC变换器硬件的设计。低功耗Buck型DC-DC变换器的硬件电路是根据图5.2来搭建的。此硬件电路的实现主要是反馈环路的实现。5.3.1 LM393芯片及应用在反馈环节中，电压比较器用到的是LM393双电压比较器。LM393 是双电压比较器集成电路。图5.3为LM393芯片的管脚图。图5.4 LM393芯片的管脚图LM393芯片的比较精度比较高，当输入电压的差值超过9mV时，就会输出高低电平，这样负载电压的波动就会很小，从而满足要求。LM393芯片的1管脚和7管脚是两个电压比较器的输出，2，3管脚和5，6管脚分别为电压比较器的正负输入。8管脚接+5v电源电压，4管脚接电源负极。下面是LM393基本比较器电路如图5.5所示。图5.5 LM393的基本比较器电路在前面的介绍中，已经选取了2v为负载标准工作电压，所以VREF接+1v的电源。也可以根据实际的情况来调节R1和R2的比例选择更适合的电源电压。这就是模拟电路的控制环节。5.3.2 IGBT驱动电路的介绍本设计使用EXB841作为IGBT的驱动芯片，EXB841的内部框图及引脚功能如图5.6和图5.7所示。图5.6 EXB841内部框图图5.7 EXB841的引脚功能EXB841采用光电耦合器隔离，提高了抗干扰能力。5.4 Buck型DC-DC变换器的软件仿真。 下面是低功耗Buck型DC-DC变换器的仿真电路图。本设计在MATLAB上进行了仿真。图5.8 Buck型DC-DC变换器的仿真电路图 本次仿真是用直流电源来代替超级电容的，超级电容容量极大，端电压可以看作是没有变化的，所以用直流电源代替。5.4.1负载调整率负载调整率是用来检测DC-DC变换电路的一个重要指标。它指的是负载的电阻发生变化时输出电压的变化。图5.8和图5.9是通过matlab对电路进行的仿真结果。如图所示,输出电压的纹波在2v周围的很小范围内波动，并没有因为负载的变化而发生较大的变化33。图5.8为负载电阻为1时输出电压的波形图。图5.9为负载电阻为1000时输出电压的波形图。图5.8 轻载时输出电压波形图5.9 重载时输出电压波形负载调整率=（VOUT2-VOUT1）/VOUT1*100%=(2.03-2.015)/2.03*100%=0.74% (5.1)5.4.2线性调整率线性调整率也是该电路的一种重要指标,是指当电源电压发生变化时输出电压的变化情况。图5.10给出了电源电压从2V缓变到4V过程中输出电压的变化。图5.10 输出电压波形根据公式计算电源电压调整率为:线性调整率=（VOUT2-VOUT1）/VOUT1*100%=(2.0015-1.9985)/2.0015=0.15%5.5本章小结本章主要研究了微型光伏电源系统中DC-DC变换器的设计,首先根据应用需求给出了 DC-DC的设汁指标,提出了针对这一特殊应用的设计思想。接着分析了 Buck型变换器的工作原理和各参数之间的相互关系, 并给出了DC-DC变换器的整体仿真验证。6.结论与展望本章对全文工作内容和取得的成果进行简要总结,并站在更高台阶上展望未来工作方向。6.1设计总结本设计的目的是为无线传感器网络节点提供稳定的电源。在本次设计中实现了可以根据光照强度自适应的跟踪器的设计，并通过软件仿真证明能够实现跟踪最大功率跟踪。本设计还实现了DC-DC降压斩波电路的设计，通过软件仿真可以实现负载电压在2v左右很小的范围内波动。6.2未来工作展望本次设计基本完成了微型光伏电源系统的设计。但是还有很多缺陷，下面是对未来工作的展望。（1）本设计均采用直流电流源和交流电流源串联来模拟光伏电压的变化，没有建立精确的光伏模型，模拟的准确性有待提高。（2）本设计未能设计出一套完整的电源系统，只是对每个子模块进行了设计，只对每个子模块进行了系统的仿真。但是并没有建立一个完整的实物系统，没有对整个系统进行性能测试。参考文献1 刘云浩.物联网导论.北京:科学出版社,20102 B.A. Warneke and K. S. J. Pister. Anultra-low energy micro-controller for smart dust wireless sensor network, in Proc. ISSCC,2004,pp. 316-317.3 S.Y. Lee and S. C. Lee. An implantable wireless bidirectional communication microstimulator for neuromuscular stimulation. IEEE Trans, on Circuits Syst. I,Reg. Papers,2005 vol. 52(12): 2526-25384 C.V.Hoof, R. F. Yazicioglu, T. Torfs,et al. Ultra-low-power biopotential interfaces and their applications in wearable and implantable systems. Microelectron. 2009, vol. 40(9):1313-13215 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应北京:科学出版社,20056 阿地里江阿不力米提.智能交通系统传感器技术的研究:硕士学位论文大连:大连理工大学,20098 蒋荣华,肖顺珍.硅基太阳能电池与材料.新材料产业,2003,vol.116(7):8-139 吴功宜.智慧的物联网:感知中国和世界的技术.北京:机械工业出版社,201010.M. A. S. Masoum, H. Dehbonei, and E. F. Fuchs. Theoretical and experimental analysis of photovoltaic systems with voltage and current based maximum power point tracking. IEEE Trans, on Energy Convers., 2002,vol.l7(4): 514-52211.A. chini and F. Soci. Boost-converter-based solar harvester for low power applications.Electronics letters, 2010, vol.46(4)12.R. E. Barnett, J. Liu, and S. Lazar. A RF to DC voltage conversion model for multi stage rectifiers in UHF RFID transponders. IEEE J. Solid-State Circuits, 2009,vol. 44,(2):354-37013崔容强，喜文华，魏一康等，太阳能光伏发电J，太阳能，2004（4）：72-7614 冯垛生，宋金莲，赵慧等，太阳能发电原理与应用，北京，人民邮电出版社2007，20-32.15 裴郁，我国可再生能源发展战略研究D，辽宁：辽宁师范大学，2004，5.16 王长贵，王淳，董路影，小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理M，北京，中国电力出版社，2004：78-8917 Tae Yeop Kim, et al. A Novel Maximum Power Point Tracking Control for Photovoltaic Power System Under Rapidly Changing Solar Radiation J.IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2002, 2:1011-101418程启明,程尹曼,汪明媚.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究J.华东电力.2009.37(8).1300-1302.19刘宾.光伏系统最大功率跟踪控制器的设计学位论文.天津.天津大学.2011.20陈爱I光伏发电系统MPPT技术的研究与实现学位论文.四川.电子科技大学.2008.21I.H.Altas, A.M.Sharaf. A Photovoltaic Array Simulation Model for Matlab-Simulink GUI EnvironmentC. Clean Electrical Power 2007. 2007.341