智能电网中的能量收集

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智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。


随着更多的网络出现在欧洲，智能电网正慢慢变为现实。 欧盟的目标是截止 2020 年将至少 80% 的电表更换为智能电表，以实现将近 10% 的减排以及类似数字的家庭年能耗降低。


高效利用如太阳能和风能等再生资源也是推动电网发展智能化的一部分。 随着欧洲安装了更多的风场和太阳能发电站，为能充分利用这些再生资源，越来越多地需要更准确的家庭、办公室和工厂用电数据。 这是在创造一个能监视电能入户的智能化计量网络，以及能够提供更详细的用电数据的无线传感器网络。 同时，也会促进当地变电站中常用网关设备的推广，这些设备会通过带有控制器的电力线路本身实时收集数据，并实时发送至电力供应商。


所有这些也让我们有机会在电网的电子系统内进行能量收集。 网络中量表和传感器电池的维护、更换是智能电网网络的主要成本之一。 在民用量表和更多工业变电站中使用能量收集技术，将大幅减少智能电网的持续运营成本。为此，可采用多种不同的能量收集技术，从为无线传感器供电的太阳能电池，到将温差转换为变电站电能的热发电机。


太阳能有多种使用方式，从传感器上的小型太阳能电池到用来给网关供电的更大阵列，均可用于在在整个网络上收集数据。


Parallax 的太阳能板阵列能从屋顶装置产生最高达 34 W 的电能，可用于向网络设备供电。 该产品坚固耐用，可用于长期发电（含屋顶装置），也可用于许多便携式应用。 该产品使用十二个 125 mm（约 5”）、2.85 W 单晶太阳能电池，能效为 18.5%，安装在可防紫外线的聚碳酸酯底座上，且带有适合户外长期使用的保护盖板。 经过定制铣削成型底板既能简化安装又能保护太阳能电池；尽管在 5.4 A 时的最大输出已达 6.3 VDC，但还可以根据传感器网络网关的具体要求，通过以菊花链式连接多个装置来获得更高的电压、电流或功率。

图 1：Parallax 的太阳能板阵列可提供 34 W 功率

如需转换电力用于网络网关，可采用太阳能收集开发套件，如 Texas Instruments 的 eZ430-RF2500-SEH。 该系统管理多余的能量并存储在一对薄膜式可充电电池中，而且即使在黑暗的情况下这些电池也可提供足够的电源，实现 400 多次传输。 这些器件作为能量缓冲器，在应用处于休眠时存储能量，而在有光照时收集能量。 这些电池的自放电率很低，使其非常适合用于能量收集系统。 该板是一种完整的基于 USB 的 MSP430 无线开发工具，可提供使用 MSP430F2274 微控制器和 CC2500 2.4 GHz 无线收发器所必须的全部软硬件。 该板包括一个 USB 调试接口，可以对 16 MHz 低功耗 MSP430 微控制器进行实时在系统调试、编程，也可以作为从无线系统到 PC 的数据传输接口。 集成温度和 RF 信号传感器可用于监视环境，而许多外部传感器可用于收集其它数据。

图 2：TI eZ430 能量收集开发板支持智能电网中的太阳能电池或者热电发电机

该开发板也可通过一个 6 引脚连接器方便地连接到 Laird Technologies 的 WPG-1 热能收集器。 WPG-1 是一种自足式薄膜热电发电机，可用于无线传感器网络以及变电站中的网关设备。 该器件可产生高达 1.5 mW 的有用输出功率，可处理宽范围负载阻抗。

这种发电机采用一个超低电压升压转换器，能在低于 20°K 的温差下提供有用输出功率，因此非常适合处理建筑物的内外温差。 该器件的输出功率经调节可适应三个电压设定值：3.3 V、4.1 V 或 5.0 V，且集成电路板上有用于设定输出电压的 DIP 开关。 板载 2 引脚或 6 引脚连接器与 eZ430 开发板配合使用，用于电气连接。

图 3：Laird Technologies 的 WPG-1 能在小至 20°K 的温差下发电

另一种方法是，构建一个能够应对各种不同能量收集源的专用电源管理系统。 Texas Instruments 的 bq25570 特别专门用于在微瓦和毫瓦范围内实现高效工作。对于象太阳能电池和热电发电机之类等高阻抗 DC 源来说，这种功率范围对能量源几乎不产生压力。 在设备中进行电池能量管理，能确保可充电电池不会在这种抽取式电源下发生过度充电，且不会由于系统负载使电压升高或降低而偏离安全限值。 除了高能效升压充电器外，bq25570 还集成了一个高能效毫微功耗降压转换器，用于向要求恒定电压源的系统提供另一个电源轨，如要无线传感器网络 (WSN)。

bq25570 还实现了可编程最高功率点跟踪 (MPPT) 采样网络，以优化电力进入设备的传输过程。 至于被采样和保持的开路电压部分的控制，可通过将某个引脚电平拉高或拉低（分别为 80% 或 50%），或者采用外部电阻器来实现。 该采样电压由内部采样电路维持，并由外部电容器保持。 例如，太阳能电池通常在其开路电压的 80% 最高功率点 (MPP) 下工作，因此将 MPPT 设置为 80% 时，该器件可调节太阳能电池电压，确保 VIN_DC 电压不低于设定电压。 也可使用外部基准电压，让外部微控制器执行更复杂的算法。

bq25570 设计灵活，以支持各种各样的储能元件，因为所收集的能量通常是零星的或会随时间变化的。 许多系统通常需要一些类型的储能元件，如可充电电池，或者既能向系统提供稳定可靠的电源，又能处理任何峰值电流的超级电容器。 为防止损坏储能元件，会根据内部欠压设定值和用户可编程过压水平监视最高和最低电压，并能标记蓄电池或电容器电压降至预设临界水平以下的情形。 这会使得负载电流减小，以防系统进入欠压状态。

所有这些功能都封装在一个小基底面、20 引脚 3.5 mm x 3.5 mm QFN 封装 (RGR) 中，使得电源管理元件易于和能量收集源安装在一起。

结论

使用能量收集源向智能电网中不同的元件供电，能为系统供应商和电力公司带来巨大益处。 大幅降低无线传感器网络中的电池更换需求，甚至从根本上消除这种需求，将能非常显著地节约运营成本。 从大型太阳能电池阵列或者热电发电机收集能量，再加上适当的电源管理和储能器件，能为收集智能电网基本数据的网络，以及收集并将数据发送至运营商的网关设备提供免维护电源。