近海小平臺風光互補電源系統(tǒng)研制

裴 曉 林航毅 周江南

（中國上海 200062上海市地震局）

近海小平臺風光互補電源系統(tǒng)研制

裴 曉 林航毅 周江南

（中國上海 200062上海市地震局）

風光互補電源系統(tǒng)已經在各領域得到廣泛應用，將該綠色、環(huán)保的能源供給方式用于近海小平臺，將解決海洋平臺能源供給難題。采用最大功率跟蹤技術和磷酸鐵鋰電池等新型材料和前沿技術，研制風光互補電源系統(tǒng)，可滿足地震無人值守臺站的工作要求。

風光互補；近海平臺；MPPT

0 引言

近海小平臺測震臺站架設是測震新領域，可以擴大測震臺網的監(jiān)測版圖，提高臺網監(jiān)測能力。架設海洋小平臺臺站的難點之一就是能源的供給。因近海環(huán)境的惡劣性和測震儀器運行的高度連續(xù)性，要求研發(fā)的電源系統(tǒng)不僅能夠防水、防潮、防鹽霧，還能夠提供持續(xù)、充足的能源，保證平臺測震設備24小時不間斷工作。

近海小平臺因無市電可以使用，只能依賴海洋上僅有的自然因素轉化成電能的方式。太陽能和風能有很大優(yōu)勢，安全穩(wěn)定，但存在時域、地域的不確定性，如果二者合理銜接，將是理想供電模式。重量體積輕巧、壽命長、少故障、少維護等優(yōu)勢的鋰電池，能擔當海洋平臺蓄能方式的角色。風光互補電源系統(tǒng)是一種清潔的電源系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)結構

近海小平臺電源系統(tǒng)采用的風光互補方式，主要由太陽能板、風力發(fā)電機、蓄電池、系統(tǒng)控制器組成，同時鑒于海洋臺站維護難的問題，該系統(tǒng)研發(fā)的監(jiān)控模塊，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，實時反饋蓄電池、負載電壓及有關參數，工作人員在遠程可以做到反向操作。近海小平臺風光互補電源系統(tǒng)結構見圖1。

1.1 太陽能電源系統(tǒng)

太陽能供電主要由太陽能電池板組成，為將太陽能轉換成電能，只是具有夜間無法工作的局限性（曲利等，2015）。單晶硅太陽能板適用于近海的“非理想”氣候（多雨、多霧霾），可以高效率轉換能量，光電轉換效率最高達24%，可以最大限度將光能轉換成電能；采用光滑玻璃及防水樹脂進行封裝，堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年（周志敏，2011）。鑒于此，本研究選用單晶硅太陽能板。

圖1 風光互補電源系統(tǒng)結構Fig.1 Solar-wind complementary power system structure

1.2 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理為風力發(fā)電機將風能轉換成機械能，然后將機械能轉換成電能。選取定槳距、永磁同步風力發(fā)電機，擁有以下優(yōu)點：利用高性能的永磁磁鋼組成磁極，結構簡單、運行可靠，免維護；可以吸收瞬態(tài)陣風的能量，提高發(fā)電機效率；發(fā)電機具有獨特的尾舵預偏角設計，自動進行側偏調速和大風保護，確保系統(tǒng)安全。

1.3 儲能裝置

儲能裝置將吸收的能量轉換成化學能存儲在裝置中。在傳統(tǒng)臺站中，一般采用鉛酸電池作為儲能裝置。本研究采用鋰電池組作為儲能裝置。鋰電池具有重量體積輕巧、循環(huán)充放電壽命長、綠色環(huán)保、少維護等優(yōu)勢，適合運用在條件惡劣、局限性多、維護難的海洋平臺。

鋰電池有多種材質，性能參數見表1。磷酸鐵理電池具有：比能量高、能量密度高、單體電壓高、充放電功率大、自放電率低、無重金屬污染、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，因此本研究選取此此鋰電池作為儲能裝置。

表1 各種材質鋰電池性能比較Table 1 Comparison of various materials for lithium battery

系統(tǒng)對磷酸鐵鋰電池做3重保護：①電源控制模塊中的磷酸鐵鋰電池保護板，本保護板利用磷酸鐵鋰可充電電池保護的IC/AO MOS 管，檢測各節(jié)電池的高精度電壓，檢測3 段過電流，通過MOS 管控制電池的充放電；②過充、過放保護；③繼電器保護，通過設置磷酸鐵鋰電池閾值的上下限，自動完成繼電器切斷輸入或輸出。

1.4 系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器是風光互補電源系統(tǒng)核心部件，負責協(xié)調電源系統(tǒng)運行，依據太陽能、風能的能量及負載的變化情況，及時對系統(tǒng)充放電工作狀態(tài)進行調整（何思洋，2012；董英瑞，2012）。經過合理的計算、匹配，最大限度地將吸收的能量轉換成電能，為臺站設備供電和蓄電池充電。

系統(tǒng)控制器采用最大功率跟蹤技術（以下簡稱MPPT）轉換最大能量，采用PWM 脈沖技術對鋰電池進行恒壓、恒流自動調節(jié)充電，對鋰電池具有過充、過放、短接和反接保護。

2 最大功率跟蹤控制

最大功率跟蹤技術實質上是一個自尋優(yōu)過程，通過實時測量電流、電壓和功率，判定當前工作點與峰值點的位置關系（趙爭鳴，2012），并調節(jié)工作點電壓（或電流），使其向峰值功率點靠攏，從而使電源系統(tǒng)在峰值功率點附近運作。

蓄電池電壓約12 V，充電電壓一般控制在12 V左右，充電峰值電壓約17 V，12 V的工作點未獲得最大功率（圖2）。MPPT技術通過調整充電電壓和電流，達到輸出功率（乘積）的最大值。理想情況下，MPPT發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)效率提高50%，由于周圍環(huán)境影響與各種能量損失，最終效率可以提高15%—25%。

MPPT有多種算法，常見恒壓跟蹤法、電導增量法和干擾觀測法等。恒壓跟蹤法是一種近似最大功率的跟蹤方法，精度低。電導增量法對傳感器精度要求比較高，導致硬件成本較高而工作精度低。干擾觀測法通過將本次輸出功率和上次相比，確定增加或減少發(fā)電系統(tǒng)的工作電壓，實現MPPT。對比發(fā)現，干擾觀測法的跟蹤精度比電導增量法低，但對采樣和計算要求不高，精度滿足需求。在項目實施中，從計算精度要求和對硬件要求考慮，采用干擾觀測法來實現風光互補電源系統(tǒng)的最大功率跟蹤。

圖2 伏安特性曲線Fig.2 Volt-ampere characteristic curve

3 監(jiān)控模塊

系統(tǒng)無線遠程監(jiān)控模塊，基于GSM通信技術，不僅具有電壓監(jiān)控功能，而且具備更多功能接口：繼電器自動（或被動）開啟、儀器工作溫度測量、臺站異常告警（供電、溫度、紅外偵測）和遠程重啟設備和圖像拍攝傳輸（裴曉等，2015）。

（1）數據反饋模塊。具有測量和拍照功能，可以測量8道AD數據，監(jiān)測溫度、穩(wěn)壓電源電壓值數據；系統(tǒng)預留拍照端口，觀測人員通過發(fā)送“拍照”請求，可以傳輸攝像頭拍攝的圖片。

（2）告警模塊。由3個功能模塊（具有主動性功能，發(fā)生異常，自動發(fā)送短信）組成：①電壓閾值報警模塊，當電壓超出閾值時，主動發(fā)送告警短信；②溫度報警模塊，可以監(jiān)測室溫、儀器溫度等，通過設置溫度閾值，進行高、低溫告警。告警模塊可以與繼電

器進行聯(lián)動設置，超出設定閾值自啟動某些功能，如斷電等操作；③系統(tǒng)預留紅外偵測模塊接口，偵測到人體紅外時，主動發(fā)送告警短信至觀測人員。

（3）控制模塊。被動性+主動性模塊，觀測人員可以通過發(fā)送短信，遠程遙控電源的硬件開關，也可以通過設置電壓上下限，啟動繼電器進行動作切換。

（4）供電模塊。外接12 V直流供電和自帶獨立備用電源，鋰電池組（3節(jié)4.2 V鋰電池）和外接供電。即使外接供電中斷，配置的2 200 mA·h鋰電池組可以保證監(jiān)控模塊工作6—8小時，保證在供電系統(tǒng)故障時也可及時傳輸監(jiān)控信息和告警信息。如果需要更長時間續(xù)航，可升級鋰電池的容量。

可通過電腦、手機進行操作，遠程可以通過電腦軟件、手機定時或不定時測量實時數據，并可以控制相關的繼電器開關。項目實施中，監(jiān)控裝置以1 800 s的周期定時測量風光互補電源系統(tǒng)的各類數據，以做后續(xù)研究，并開啟告警功能，當電壓過低、過高，及時發(fā)送告警模塊至工作人員手機。

該監(jiān)控模塊在近海平臺的應用，可以對臺站故障、異常實時發(fā)現、及時解決，提升近海平臺的運行質量。

4 系統(tǒng)運行

目前，上海測震臺站的負載設備有數據采集器（泰德TDE-24CI）和通訊設備，功率總計15 W。充分考慮到近海小平臺在運行過程中會產生其他設備的功耗，做出10 W的冗余。臺站模擬運行時，負載加載共計25 W。

整個裝置安裝在上海市地震局1號樓頂樓，風力發(fā)電機在高樓層處可以將高速風力轉換為電能，太陽能板根據安裝要求，進行30°的斜度、無遮擋安置。風力由交流電轉換為直流電，與太陽能輸出的直流電一起通過電纜接入機柜中電源控制模塊的輸入端。電源控制模塊的輸出端為2路，一路輸出給磷酸鐵鋰電池，另一路輸出給25 W負載（模擬臺站設備），系統(tǒng)連接見圖3。

監(jiān)控模塊可以定時傳輸整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時測得太陽能、風力發(fā)電機的輸出電壓和蓄電池的電壓、負載電壓、監(jiān)控模塊電壓。系統(tǒng)搭建完成后，通過監(jiān)控模塊進行實時監(jiān)控，擬以1 800 s周期定時測量各路電壓值，反饋到遠程軟件。

測量截取數據示例見圖4，以不同顏色顯示各類型電壓。從圖4直觀可見，橘色顯示的太陽能供電電壓有晝夜更替的變化形態(tài)；紫色顯示的風力發(fā)電機電壓變化形態(tài)無規(guī)律，符合風力發(fā)電機吸收風能的瞬態(tài)變化特性；灰色顯示的蓄電池電壓為控制模塊將風光能量轉換成直流電，蓄電池電壓處于穩(wěn)定的12—14 V，未有過充過放現象，說明系統(tǒng)充放電狀態(tài)穩(wěn)定；藍色的負載電壓為控制模塊的輸出電壓，給臺站負載供電，處于12 V附近，供電穩(wěn)定。

圖3 系統(tǒng)連接Fig.3 System connection diagram

圖4 系統(tǒng)運行Fig.4 System operation

4.1 MPPT技術測試

為了比較MPPT和非MPPT技術在風光互補發(fā)電系統(tǒng)的性能，在供電系統(tǒng)的后續(xù)負載均加載25 W放電器，在相對相似的天氣環(huán)境，對生成數據進行比測，見圖4。5月20日—5月23日采用MPPT技術，5月23日—5月27日未采用。從圖4可以看出，橘色曲線代表的太陽能板和紫色曲線代表的風力電壓在前后兩段時間內形態(tài)相似，說明太陽能和風能的供給相似。

為了直觀體現MPPT技術性能，只保留圖5中的蓄電池曲線，見圖5。由圖5可見，5月20日—5月23日蓄電池電壓最高可達14.2 V，在日光較好的白天，可以長時間保持13.8 V以上電壓；5月23日—5月27日蓄電池電壓最高只有13.5 V。由此可見，MPPT技術保證了蓄電池儲能狀態(tài)的穩(wěn)定、飽和。通過蓄電池電壓對比，直觀體現了采用MPPT技術的風光發(fā)電系統(tǒng)的高性能。

通過定量比較，可以直觀得出以下結論：在最大跟蹤技術應用下，MPPT控制模塊可以最大限度的將風光能量轉換成電能，蓄電池可以獲取最大能量。MPPT技術的使用，保證了后續(xù)臺站設備的持續(xù)、高效運轉，風光互補電源系統(tǒng)的運行效能得到大幅提升。

4.2 無風無光極限測試

通過對系統(tǒng)進行無風無光極限測試，對系統(tǒng)續(xù)航能力進行評估。測試人員中斷風力和太陽能輸入，以模擬無風無光環(huán)境，負載輸出接25 W 放電設備。

系統(tǒng)運行連續(xù)供電72 小時后，測負載端電壓由12.05 V降為11.899 V，不低于額定值的80%（即9.6 V），在此期間供電連續(xù)無中斷，蓄電池電壓由13.125 V降為12.891 V。測試結果見圖6。

圖5 MPPT技術使用前后蓄電池電壓值Fig.5 The battery voltage value before and after using MPPT technology

圖6 無風無光情況下25 W負載電壓變化Fig.6 Voltage variation under 25 W load and without light and wind

通過無風無光極限測試，可以看出，系統(tǒng)續(xù)航能力優(yōu)良，即使無風無光，能源供給仍可以保證臺站設備工作72小時以上。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，在72小時內，工作人員可

通過監(jiān)控模塊對供電系統(tǒng)進行遠程操作，或者及時進行臺站實地維護。

5 結束語

風光互補電源系統(tǒng)主要器件均選取綠色環(huán)保、使用壽命長的材料，不僅實現少維護的需求，也提升了整體質量。從理想角度而言，整套系統(tǒng)的使用壽命可達5—10年。該系統(tǒng)采用最大功率跟蹤技術（MPPT）和磷酸鐵鋰電池，通過整合、優(yōu)化，研制出風光互補電源系統(tǒng)，解決了海洋平臺的能源供給難題，保證了臺站的正常運轉和信號連續(xù)傳輸。智能監(jiān)控系統(tǒng)具備電壓監(jiān)測、告警和重啟等功能，解決了維護難的問題，達到免維護、少維護，為近海小平臺的順利架設提供了切實可靠的監(jiān)控防護。

該系統(tǒng)為架設海洋臺提供了能源，為正常運行提供了保障，能夠滿足地震無人值守臺站的工作要求。鑒于風光互補電源系統(tǒng)的優(yōu)良性能，可在山區(qū)或應急流動臺推廣使用。

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Research on the application of solar-wind complementary power supply system for small offshore platform

Pei Xiao，Lin Hangyi and Zhou Jiangnan
(Earthquake Administration of Shanghai Municipality,Shanghai 200062,China)

Solar-wind complementary power supply system has been widely used in various fi elds.If the green and environmental protection energy supply is applied to offshore platform,the problem of the energy supply of the offshore platform is solved.The project uses a variety of new materials and cutting-edge technology,such as maximum power tracking technology and lithium iron phosphate battery,the solar power system can meet the requirements of the earthquake unattended station.

scenery complementary，offshore platform，MPPT

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.023

裴曉（1982—），女，江蘇鹽城人，南京理工大學學士學位，工程師，從事地震前兆、監(jiān)測相關研究工作。

E-mail： peixiao0307@163.com

地震科技星火計劃項目（XH14021Y）；上海市地震局科技專項（流動觀測臺綜合伺服系統(tǒng)的研發(fā)）

本文收到日期：2015-12-08