近海小平台风光互补电源系统研制

裴 晓 林航毅 周江南

（中国上海 200062上海市地震局）

近海小平台风光互补电源系统研制

裴 晓 林航毅 周江南

（中国上海 200062上海市地震局）

风光互补电源系统已经在各领域得到广泛应用，将该绿色、环保的能源供给方式用于近海小平台，将解决海洋平台能源供给难题。采用最大功率跟踪技术和磷酸铁锂电池等新型材料和前沿技术，研制风光互补电源系统，可满足地震无人值守台站的工作要求。

风光互补；近海平台；MPPT

0 引言

近海小平台测震台站架设是测震新领域，可以扩大测震台网的监测版图，提高台网监测能力。架设海洋小平台台站的难点之一就是能源的供给。因近海环境的恶劣性和测震仪器运行的高度连续性，要求研发的电源系统不仅能够防水、防潮、防盐雾，还能够提供持续、充足的能源，保证平台测震设备24小时不间断工作。

近海小平台因无市电可以使用，只能依赖海洋上仅有的自然因素转化成电能的方式。太阳能和风能有很大优势，安全稳定，但存在时域、地域的不确定性，如果二者合理衔接，将是理想供电模式。重量体积轻巧、寿命长、少故障、少维护等优势的锂电池，能担当海洋平台蓄能方式的角色。风光互补电源系统是一种清洁的电源系统，具有良好的发展前景。

1 系统结构

近海小平台电源系统采用的风光互补方式，主要由太阳能板、风力发电机、蓄电池、系统控制器组成，同时鉴于海洋台站维护难的问题，该系统研发的监控模块，可以实时监测系统运行情况，实时反馈蓄电池、负载电压及有关参数，工作人员在远程可以做到反向操作。近海小平台风光互补电源系统结构见图1。

1.1 太阳能电源系统

太阳能供电主要由太阳能电池板组成，为将太阳能转换成电能，只是具有夜间无法工作的局限性（曲利等，2015）。单晶硅太阳能板适用于近海的“非理想”气候（多雨、多雾霾），可以高效率转换能量，光电转换效率最高达24%，可以最大限度将光能转换成电能；采用光滑玻璃及防水树脂进行封装，坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年（周志敏，2011）。鉴于此，本研究选用单晶硅太阳能板。

图1 风光互补电源系统结构Fig.1 Solar-wind complementary power system structure

1.2 风力发电系统

风力发电系统工作原理为风力发电机将风能转换成机械能，然后将机械能转换成电能。选取定桨距、永磁同步风力发电机，拥有以下优点：利用高性能的永磁磁钢组成磁极，结构简单、运行可靠，免维护；可以吸收瞬态阵风的能量，提高发电机效率；发电机具有独特的尾舵预偏角设计，自动进行侧偏调速和大风保护，确保系统安全。

1.3 储能装置

储能装置将吸收的能量转换成化学能存储在装置中。在传统台站中，一般采用铅酸电池作为储能装置。本研究采用锂电池组作为储能装置。锂电池具有重量体积轻巧、循环充放电寿命长、绿色环保、少维护等优势，适合运用在条件恶劣、局限性多、维护难的海洋平台。

锂电池有多种材质，性能参数见表1。磷酸铁理电池具有：比能量高、能量密度高、单体电压高、充放电功率大、自放电率低、无重金属污染、循环寿命长等优点，因此本研究选取此此锂电池作为储能装置。

表1 各种材质锂电池性能比较Table 1 Comparison of various materials for lithium battery

系统对磷酸铁锂电池做3重保护：①电源控制模块中的磷酸铁锂电池保护板，本保护板利用磷酸铁锂可充电电池保护的IC/AO MOS 管，检测各节电池的高精度电压，检测3 段过电流，通过MOS 管控制电池的充放电；②过充、过放保护；③继电器保护，通过设置磷酸铁锂电池阈值的上下限，自动完成继电器切断输入或输出。

1.4 系统控制器

系统控制器是风光互补电源系统核心部件，负责协调电源系统运行，依据太阳能、风能的能量及负载的变化情况，及时对系统充放电工作状态进行调整（何思洋，2012；董英瑞，2012）。经过合理的计算、匹配，最大限度地将吸收的能量转换成电能，为台站设备供电和蓄电池充电。

系统控制器采用最大功率跟踪技术（以下简称MPPT）转换最大能量，采用PWM 脉冲技术对锂电池进行恒压、恒流自动调节充电，对锂电池具有过充、过放、短接和反接保护。

2 最大功率跟踪控制

最大功率跟踪技术实质上是一个自寻优过程，通过实时测量电流、电压和功率，判定当前工作点与峰值点的位置关系（赵争鸣，2012），并调节工作点电压（或电流），使其向峰值功率点靠拢，从而使电源系统在峰值功率点附近运作。

蓄电池电压约12 V，充电电压一般控制在12 V左右，充电峰值电压约17 V，12 V的工作点未获得最大功率（图2）。MPPT技术通过调整充电电压和电流，达到输出功率（乘积）的最大值。理想情况下，MPPT发电系统比传统效率提高50%，由于周围环境影响与各种能量损失，最终效率可以提高15%—25%。

MPPT有多种算法，常见恒压跟踪法、电导增量法和干扰观测法等。恒压跟踪法是一种近似最大功率的跟踪方法，精度低。电导增量法对传感器精度要求比较高，导致硬件成本较高而工作精度低。干扰观测法通过将本次输出功率和上次相比，确定增加或减少发电系统的工作电压，实现MPPT。对比发现，干扰观测法的跟踪精度比电导增量法低，但对采样和计算要求不高，精度满足需求。在项目实施中，从计算精度要求和对硬件要求考虑，采用干扰观测法来实现风光互补电源系统的最大功率跟踪。

图2 伏安特性曲线Fig.2 Volt-ampere characteristic curve

3 监控模块

系统无线远程监控模块，基于GSM通信技术，不仅具有电压监控功能，而且具备更多功能接口：继电器自动（或被动）开启、仪器工作温度测量、台站异常告警（供电、温度、红外侦测）和远程重启设备和图像拍摄传输（裴晓等，2015）。

（1）数据反馈模块。具有测量和拍照功能，可以测量8道AD数据，监测温度、稳压电源电压值数据；系统预留拍照端口，观测人员通过发送“拍照”请求，可以传输摄像头拍摄的图片。

（2）告警模块。由3个功能模块（具有主动性功能，发生异常，自动发送短信）组成：①电压阈值报警模块，当电压超出阈值时，主动发送告警短信；②温度报警模块，可以监测室温、仪器温度等，通过设置温度阈值，进行高、低温告警。告警模块可以与继电

器进行联动设置，超出设定阈值自启动某些功能，如断电等操作；③系统预留红外侦测模块接口，侦测到人体红外时，主动发送告警短信至观测人员。

（3）控制模块。被动性+主动性模块，观测人员可以通过发送短信，远程遥控电源的硬件开关，也可以通过设置电压上下限，启动继电器进行动作切换。

（4）供电模块。外接12 V直流供电和自带独立备用电源，锂电池组（3节4.2 V锂电池）和外接供电。即使外接供电中断，配置的2 200 mA·h锂电池组可以保证监控模块工作6—8小时，保证在供电系统故障时也可及时传输监控信息和告警信息。如果需要更长时间续航，可升级锂电池的容量。

可通过电脑、手机进行操作，远程可以通过电脑软件、手机定时或不定时测量实时数据，并可以控制相关的继电器开关。项目实施中，监控装置以1 800 s的周期定时测量风光互补电源系统的各类数据，以做后续研究，并开启告警功能，当电压过低、过高，及时发送告警模块至工作人员手机。

该监控模块在近海平台的应用，可以对台站故障、异常实时发现、及时解决，提升近海平台的运行质量。

4 系统运行

目前，上海测震台站的负载设备有数据采集器（泰德TDE-24CI）和通讯设备，功率总计15 W。充分考虑到近海小平台在运行过程中会产生其他设备的功耗，做出10 W的冗余。台站模拟运行时，负载加载共计25 W。

整个装置安装在上海市地震局1号楼顶楼，风力发电机在高楼层处可以将高速风力转换为电能，太阳能板根据安装要求，进行30°的斜度、无遮挡安置。风力由交流电转换为直流电，与太阳能输出的直流电一起通过电缆接入机柜中电源控制模块的输入端。电源控制模块的输出端为2路，一路输出给磷酸铁锂电池，另一路输出给25 W负载（模拟台站设备），系统连接见图3。

监控模块可以定时传输整个系统的工作状态，及时测得太阳能、风力发电机的输出电压和蓄电池的电压、负载电压、监控模块电压。系统搭建完成后，通过监控模块进行实时监控，拟以1 800 s周期定时测量各路电压值，反馈到远程软件。

测量截取数据示例见图4，以不同颜色显示各类型电压。从图4直观可见，橘色显示的太阳能供电电压有昼夜更替的变化形态；紫色显示的风力发电机电压变化形态无规律，符合风力发电机吸收风能的瞬态变化特性；灰色显示的蓄电池电压为控制模块将风光能量转换成直流电，蓄电池电压处于稳定的12—14 V，未有过充过放现象，说明系统充放电状态稳定；蓝色的负载电压为控制模块的输出电压，给台站负载供电，处于12 V附近，供电稳定。

图3 系统连接Fig.3 System connection diagram

图4 系统运行Fig.4 System operation

4.1 MPPT技术测试

为了比较MPPT和非MPPT技术在风光互补发电系统的性能，在供电系统的后续负载均加载25 W放电器，在相对相似的天气环境，对生成数据进行比测，见图4。5月20日—5月23日采用MPPT技术，5月23日—5月27日未采用。从图4可以看出，橘色曲线代表的太阳能板和紫色曲线代表的风力电压在前后两段时间内形态相似，说明太阳能和风能的供给相似。

为了直观体现MPPT技术性能，只保留图5中的蓄电池曲线，见图5。由图5可见，5月20日—5月23日蓄电池电压最高可达14.2 V，在日光较好的白天，可以长时间保持13.8 V以上电压；5月23日—5月27日蓄电池电压最高只有13.5 V。由此可见，MPPT技术保证了蓄电池储能状态的稳定、饱和。通过蓄电池电压对比，直观体现了采用MPPT技术的风光发电系统的高性能。

通过定量比较，可以直观得出以下结论：在最大跟踪技术应用下，MPPT控制模块可以最大限度的将风光能量转换成电能，蓄电池可以获取最大能量。MPPT技术的使用，保证了后续台站设备的持续、高效运转，风光互补电源系统的运行效能得到大幅提升。

4.2 无风无光极限测试

通过对系统进行无风无光极限测试，对系统续航能力进行评估。测试人员中断风力和太阳能输入，以模拟无风无光环境，负载输出接25 W 放电设备。

系统运行连续供电72 小时后，测负载端电压由12.05 V降为11.899 V，不低于额定值的80%（即9.6 V），在此期间供电连续无中断，蓄电池电压由13.125 V降为12.891 V。测试结果见图6。

图5 MPPT技术使用前后蓄电池电压值Fig.5 The battery voltage value before and after using MPPT technology

图6 无风无光情况下25 W负载电压变化Fig.6 Voltage variation under 25 W load and without light and wind

通过无风无光极限测试，可以看出，系统续航能力优良，即使无风无光，能源供给仍可以保证台站设备工作72小时以上。如果系统发生故障，在72小时内，工作人员可

通过监控模块对供电系统进行远程操作，或者及时进行台站实地维护。

5 结束语

风光互补电源系统主要器件均选取绿色环保、使用寿命长的材料，不仅实现少维护的需求，也提升了整体质量。从理想角度而言，整套系统的使用寿命可达5—10年。该系统采用最大功率跟踪技术（MPPT）和磷酸铁锂电池，通过整合、优化，研制出风光互补电源系统，解决了海洋平台的能源供给难题，保证了台站的正常运转和信号连续传输。智能监控系统具备电压监测、告警和重启等功能，解决了维护难的问题，达到免维护、少维护，为近海小平台的顺利架设提供了切实可靠的监控防护。

该系统为架设海洋台提供了能源，为正常运行提供了保障，能够满足地震无人值守台站的工作要求。鉴于风光互补电源系统的优良性能，可在山区或应急流动台推广使用。

董英瑞，杨金明，胡海平.分布式风光互补发电系统协调控制的研究[J].电测与仪表，2012，49（2）：48-51．

段万普，郑琰，孙婷.蓄电池的使用与维护[M].北京：电子工业出版社，2011.

何思洋.离网式风光互补发电系统及控制器的研究[D].天津大学，2012.

裴晓，林航毅.基于GSM通信技术的地震台智能监控装置[J].地震地磁观测与研究，2015，36（4）：124-127.

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赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2012．

周志敏，纪爱华.离网风光互补发电技术及工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

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

裴晓（1982—），女，江苏盐城人，南京理工大学学士学位，工程师，从事地震前兆、监测相关研究工作。

E-mail： peixiao0307@163.com

地震科技星火计划项目（XH14021Y）；上海市地震局科技专项（流动观测台综合伺服系统的研发）

本文收到日期：2015-12-08