封闭流水式网箱养殖混合供电系统设计

许明昌

(农业部渔业装备与工程重点开放实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

封闭流水式网箱养殖混合供电系统设计

许明昌

(农业部渔业装备与工程重点开放实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

封闭流水式网箱养殖优点是零排放无污染，符合环保养殖要求，缺点是水质容易恶化，水交换与排污能耗大。为了降低能耗并确保设备正常运行，研发太阳能-市电-柴油发电机混合供电系统。基于蓄电池充放电特性，采用最大功率点跟踪(MPPT)和数字信号处理(DSP)技术实现太阳能智能充放电控制与保护，应用双电源自动转换开关技术实现有序混合供电。太阳能月均发电量250 kW·h，日均供电8.3 kW·h，满足负载日均耗电6.6～8.8 kW·h要求。结果表明，在阳光充足情况下，以太阳能供电为主；当出现连续阴雨天气情况下，供电顺序为蓄电池(充满状态可放电3～4 h)、市电、柴油发电机。随着太阳能系统性价比的提高，节能效果将更加明显。

网箱养殖；太阳能；混合供电；逆变器

网箱养殖有开放式和封闭流水式两种养殖模式。开放式网箱使用有眼网衣，箱内外水体自然交换，残饵与排泄物自然排放，配套设备少，能耗低但污染严重，为非环保养殖；封闭流水式网箱使用无眼网衣，箱内外水体人为交换，残饵与排泄物零排放，配套设备多，能耗大但无污染，为环保养殖[1-8]。由于网箱养殖水域通常离岸距离较远，养殖配套设施供电相对困难，因此，安全供电是封闭流水式网箱养殖必须解决的技术之一。太阳能是一种无污染清洁再生能源，在渔业领域得到了广泛应用[9-13]。

1 系统设计

1.1 系统组成

系统由太阳能电池组件、蓄电池组、太阳能控制器、智能逆变器、电能表、电源切换器、变频器、公共供电系统(市电)和柴油发电机等组成(图1)。

图1 系统组成

1.2 工作原理

太阳能电池组件吸收太阳辐射能并转换成电能，由太阳能控制器控制蓄电池充放电，在充放电过程中在线检测蓄电池电量状态，当蓄电池电压过压时停止充电，欠压时停止放电。系统供电顺序依次为：当太阳能电池(或蓄电池)电压≥额定电压时，智能逆变器工作，切换器自动切换至逆变输出；电压欠压且有公共供电系统(市电)时，智能逆变器不工作，切换器自动切换至市电输出；电压欠压且无市电时，切换器自动切换至柴油发电机输出。3种方式输出经变频器变频后以V/F或矢量输出方式带动负载工作。

2 硬件设计

2.1 太阳能电池组件方阵

2.1.1 太阳能电池组件

太阳能电池材料特性确定了组件性能。表1可见，单晶硅转换效率高、稳定性好[14]。为了充分利用太阳辐射能，选用S-180/190W单晶硅组件，其主要技术参数为：额定峰值功率190 W，额定峰值电压36.9 V，峰值电流5.15 A，标称电压24 V。

表1 常用太阳能电池性能特点

2.1.2 方阵倾角与方位角

系统应用在杭州千岛湖鲟龙科技开发有限公司养殖基地，表2为杭州地区气象资料[15]，当地海拔43 m，经度118.99°E，纬度29.58°N。表3为方阵倾角常用选取方式[16]。

表2 杭州地区气象资料

表3 方阵倾角常用选取方式

理想的倾角不但使太阳能电池全年发电量最大，而且能缩小各月份发电量差异。根据网箱所在纬度选择倾角为29.58°+7°=36.58°。为使方阵全年接受日光照射时间最长，选择方位角为正南。

2.1.3 组件串并联数及方阵总功率

将组件按一定数目串联起来可获得系统所需工作电压。如果串联电压低于蓄电池浮充电压就不能对蓄电池充电，远高于浮充电压时充电电流也不会明显增加，当串联电压处于合适的浮充电压时才能达到最佳的充电状态。系统负载2.2 kW，工作电压380 V/AC，额定工作电流5.05 A，日均工作时间3～5 h；逆变器逆变效率0.95；系统当地峰值日照时数4 h(3.8～6 h)，根据实用计算公式[16]计算结果如下：

NCS=VS×1.43/VCP

(1)

PDG=ICP×TPS

(2)

NCP=PLD/(PDG×η)

(3)

PCT=NCS×NCP×PCP

(4)

式(1)中：NCS-组件串联数；VS-系统工作电压(V)；VCP-组件峰值工作电压(V)。式(2)中：PDG-组件日均发电量；ICP-组件峰值工作电流(A)；TPS-峰值日照时数(h)。式(3)中：NCP-组件并联数；PLD-负载日均用电量(Ah)；η-逆变器逆变效率。式(4)中：PCT-组件方阵总功率、SPP-组件峰值功率(W)。

由式(1)得：NCS=220×1.43/36.9=8.53，取整数9；由式(2)得：PDG=5.05×4=20.2 Ah。由式(3)得：NCP=5.05×4/(5.15×4×0.95)=1.03，取整数2；由式(4)得：PCT=2×9×190=3 420 W。组件串联数为9，组件并联数为2，共使用18个太阳能电池组件，组件方阵总功率为3 420 W。

2.2 蓄电池组

2.2.1 蓄电池容量

太阳能发电系统中蓄电池通常处于浮充状态，电压随发电量和用电量变化而变化，且提供的能量还受环境温度影响。由表2可见太阳能电池发电量各月份有很大差别，太阳能最大发电量、日均耗电量和连续阴雨天负载耗电量是决定蓄电池容量的主要依据。常用蓄电池容量CB计算公式[16]：

CB=A×QL×NL×TO/CC(Ah)

(5)

式中：CB-蓄电池容量(Ah)；A-安全系数(1.1～1.4)；QL-日均功耗(工作电流乘日均工作小时数)，Ah/d；NL-最长连续阴雨天数；TO-温度修正系数(0℃以上1，-10℃以上1.1，-10℃以下1.2)；CC-放电深度(铅酸蓄电池0.75)。根据表2与负载实际工作需求，选择A=1.3、QL=5.05×3、NL=4、TO=1.1。由式(5)得出蓄电池容量为CB=1.3×5.05×3×4×1.1/0.75=115.544 Ah。

2.2.2 蓄电池串联数

将太阳能电池组件按一定数目串联起来就可获得系统所需要的工作电压。串联过程中，太阳能电池组标称电压之和要与蓄电池标称电压相匹配，系统才能正常工作，且能减少系统逆变损耗。计算公式[16]：

NBS=VS/VB

(6)

式中：NBS-蓄电池串联数；VS-系统工作电压，V；VB-蓄电池标称电压，V；NBS=220/12=18.33，取整数18。

2.2.3 蓄电池选择

通常与太阳能电池配套使用的有铅酸免维护、普通铅酸和碱性镍镉三种蓄电池[17]。系统选用具有环保特性的铅酸免维护12V120Ah胶体电池，该电池放电曲线平直、拐点高，质能比70 kW/kg，比常规铅酸电池高20%以上，使用寿命是常规铅酸电池的1倍，具有充电效率高、存放期长、自放电少、内阻变化小和低温启动性能好等特点。

2.3 太阳能充放电控制器

太阳能充放电控制器是控制太阳能电池组件对蓄电池充电及蓄电池对负载放电的控制设备，其性能直接关系太阳能电池组件发电的利用效率。根据蓄电池特性，实时采集太阳能电池组件和蓄电池的电流、电压及环境温度等数据，采用最大功率点跟踪(MPPT)技术进行浮充、均充放、全功率充放等方式进行控制与保护，同时应用数字信号处理(DSP)技术实现智能管理，主要有功率调节、保护(电气、反接、短路、过流、防雷等)、蓄电池向太阳能电池组件反向放电阻尼等功能[18]。其工作原理见图2。

图2 太阳能充放电控制原理图

2.4 智能逆变器

逆变器是将直流电转换成交流电的电源转换设备，其性能直接关系到蓄电池电能的使用效率。智能逆变控制原理见图3。

图3 智能逆变控制原理图

逆变器智能管理系统采用MCU(单片机)、SPWM(正弦脉宽调制)和输出反馈技术，可大大提高MTBF(平均无故障时间)[19-22]。由独立主板控制逆变器工作，显示终端采用图形操作界面，操作简单直观，显示模块自带实时时钟和存储器，可保存256条事件记录和其他信息设置等，系统设置了断路、过流、过压、过热、防蓄电池过放电等保护功能，保证设备稳定可靠运行。

2.5 延时控制

网箱集污与供氧采用空压机实现真空吸污和气压增氧。为了节省电能，设计了空压机延时控制系统，当空压机气罐内的压力升到上限值时，压力开关自动断开电源，停止充气；当压力降到下限值时，压力开关自动吸合，开始充气。由于变频器检测到负载才能正常工作，因此，通过变频器输出无法控制空压机工作，在变频器控制回路和空压机压力开关回路中加入时间继电器。当压力开关吸合后，继电器延时吸合(延时时间1～10 s可调)，实现变频器输出供电负载自动启动。图4分别展示了延时继电器线圈与压力开关及延时继电器常开触点与变频器CM的控制原理。

图4 延时控制原理图

2.6 变频器

变频器是将工频电源转换成频率可变的电能控制设备，主要目的是降低负载启动电流(软启动)、减轻对电源冲击和容量要求、延长设备寿命和降低维护成本。常规感性负载直接启动电流约为额定电流的4～7倍，对电源容量要求高，变频器使启动电流从零开始，是最节能的启动方式。系统选用的ATV312HU22N4变频器具有启动电流控制、电压波动小、启动功率低、运行速度和转矩极限可调、停止方式受控、节能等特点。

2.7 双电源自动转换开关

双电源自动转换开关可以实现两路电源自动切换。当主电源发生故障时，自动切换至副电源供电，主电源恢复正常时自动切回主电源供电，是保障系统正常运行的重要设备。系统采用HGLD-20A/41，切换时间1～3 s。

2.8 柴油发电机

柴油发电机作为备用电源，必须符合系统负载正常供电要求。系统总负载4.4 kW，考虑到负载启动电流因素，系统选用常柴ZS1100柴油机、正泰STC-10 kW发电机组成的电启动柴油发电机，输出功率10 kW/12.5 kVA,额定电流18 A,功率因数0.8，采取不同时启动方式以保证柴油发电机的负载能力。

2.9 电能表

系统使用两个DTSF1352 LCD脉冲电能表，分别计量太阳能用电量和系统总用电量，该表脉冲输出、精度1级、7个模数，方便了解系统用电情况。

3 软件设计

3.1 充放电控制软件

充放电控制软件通过实时采集太阳能电池组件、蓄电池和负载的电流、电压及温度数据，根据太阳能电池组件的发电量和蓄电池实时电压，对蓄电池分别进行过充、浮充、均充和全功率方式充电，采用最大功率点跟踪技术，实现蓄电池全功率放电控制与保护(图5)。

3.2 智能逆变控制软件

逆变控制包括对SPWM的H桥开关管的开关控制方式和SPWM脉宽的控制基于事件管理模块和A/D模块，由基准时间定时器、非对称/对称波形发生器、输出逻辑控制单元等组成，采样信号处理后经A/D转换，通过基波频率与调制波频率进行比较产生PWM波，实现SPWM逆变技术(图6)。

图5 充放电控制程序流程图

图6 逆变控制程序流程图

4 结果与讨论

试验在杭州千岛湖鲟龙科技股份有限公司建德养殖基地运行。试验结果发现，5～9月份(非阴雨天，下同)，太阳能发电系统8:30开始供电，17:30停止供电；4、10月份，9:30开始供电，16:30停止供电；其他月份10:30开始供电，16:00停止供电。在连续阴雨天的情况下，太阳能发电系统日供电不足2 h，主要由市电或柴油发电机供电。太阳能电能表显示月均发电量250 kW·h,日均供电量8.3 kW·h。

结果表明，由于5～9月份日照充足，太阳能发电系统完全能满足负载供电需求；4、10月份及其他月份因日照一般或较弱，系统只能满足负载40%～70%供电需求；连续阴雨天气情况下日照差，太阳能发电系统之所以供电不足2 h，除了气象原因，还因为系统采取了防止蓄电池深度放电而影响使用寿命的保护措施(阴雨天组件发电量小，基本由蓄电池供电)。日均8.3 kW·h供电量完全能满足2.2 kW负载日均耗电3～4 h的要求。经过春夏秋冬不同气象环境条件下的运行情况表明，太阳能组件光电转化率高，蓄电池充放电、太阳能-市电-柴油发电机三者之间智能切换、实时监控等各部分工作正常，符合设计要求。

5 结论

太阳能随气候变化具有不稳定性，因此，系统按照能量产生最少时期，同时考虑出现极端情况进行设计，所以混合供电系统的优点是太阳能利用率高、系统实用性强、维护简单，且无人值守。系统初期工程较大、投资成本高，尚存在柴油发电机的污染和噪音问题，需要今后做进一步研究。基于传统能源利用对环境的影响日趋严重，世界各国相继制定了严厉的环境保护措施，并制定了新能源开发利用优惠政策。渔业正在向绿色、环保、高效的现代渔业经营方式转变，相信随着太阳能光伏技术、储能技术、逆变技术的发展及相应设备成本降低，完全由太阳能供电的独立系统一定会在封闭流水式网箱养殖系统得到广泛应用。

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Designofthehybridpowersystemofaquaculturewithclosedcage

XUMingchang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai20092,China)

The advantages of aquaculture with closed cage are zero emission,no pollution and environment friendly;while the disadvantages are the proneness of the water quality deterioration and the huge energy consumption for water exchange and sewage. In order to reduce energy consumption and ensure the normal operation of the equipment,a hybrid power supply system of solar energy-mains-diesel generator has been developed. Based on the charging and discharging characteristics of batteries,the intelligent solar charging and discharging control and protection is achieved by using the technology of Maximum Power Point Tracking (MPPT) and Digital Signal Processing (DSP);and an orderly hybrid power supply is achieved by using dual power Automatic Transfer Switching (ATS). The average monthly solar power capacity is 250 kW·h and the average daily power supply is 8.3 kW·h,which meets the requirements of the average daily load consumption of 6.6 ～ 8.8 kW·h. The results showed that,the power is supplied by the solar energy on sunny days and the power is supplied by the battery (discharge for 3 to 4 hours upon full charge),mains and diesel generator in turn during continuous rainy days. The energy saving effect will be more obvious with the improvement of the solar energy system.

aquaculture with closed cage;solar energy;hybrid power supply;inverter

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.011

2017-09-01

农业科技成果转化资金项目(SQ2011EC3260027)

许明昌(1961—)，男，高级工程师，研究方向：助渔仪器与自动化控制。E-mail:mingchangxu@163.com

S969.3

A

1007-9580(2017)06-062-06