摘 要：為了更好地促進軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進部隊保障裝備，針對野戰(zhàn)方艙供電系統(tǒng)的難題，提出利用風能、太陽能兩種最方便、無污染、無噪音的綠色再生資源。提出的野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)設計方案，很好地綜合了風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的優(yōu)缺點，可以為野戰(zhàn)方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應，系統(tǒng)維護量少、使用方便，能夠解決野戰(zhàn)方艙的各種用電需求，確保野戰(zhàn)方艙正常運轉。

關鍵詞：野戰(zhàn)方艙; 軍民融合式后勤保障體系; 智能電源; 風光互補

中圖分類號：TN8634 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09018103

收稿日期：201201060 引 言

近期民技軍用式后勤保障體系的提出，要求以最優(yōu)、最大限度的民間科技手段不斷改進部隊保障裝備。所謂“民技軍用”，是將相對成熟的民用高新技術成果經過適應性開發(fā)研究，移植于武器裝備研制和國防科研生產的一種工程技術開發(fā)活動，這對于充分利用社會資源、逐步建立適應武器裝備建設需要和市場經濟發(fā)展要求的軍品市場監(jiān)管體系，具有重要的現實意義。隨著科學技術的不斷進步、裝備的日益復雜化以及戰(zhàn)爭條件的日趨嚴酷，對后勤保障起關鍵作用的野戰(zhàn)方艙的性能要求也越來越高，野戰(zhàn)方艙不僅要具有較強的環(huán)境適應能力，較高的電磁屏蔽性能，還應具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)［12］。

我國可再生能源的儲備十分豐富，其中以太陽能和風能尤為突出。風能和太陽能具有天然的互補性:白天日照強，太陽能豐富；晚上風多，風能充足。夏日和冬日風能和太陽能也有很好的互補效果，風力太陽能互補系統(tǒng)的特點使它能成為持續(xù)穩(wěn)定供電的電源［34］。由于野戰(zhàn)方艙的工作地區(qū)基本沒有電力供應，本文設計的風光互補智能投切電網系統(tǒng)可以作為獨立的電源系統(tǒng)應用于野戰(zhàn)方艙中，因此具有相當大的優(yōu)勢。它不但能達到大量節(jié)能的目標，并且安裝程序大大簡化，應用和維護都方便許多，能夠滿足后勤保障快速穩(wěn)定的供電要求。

1 軍民融合式后勤保障體系

軍民融合式后勤保障體系既以科學發(fā)展觀為指導，以使命任務為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務綜合保障能力為目標，客觀上要求必須摒棄傳統(tǒng)的思想框架，把戰(zhàn)區(qū)軍民融合式后勤保障體系發(fā)展目標定位于“應對多種安全威脅，支援保障遂行多樣化軍事任務”上，統(tǒng)籌各項能力建設，提升整體保障功能［5］。

軍民融合式后勤保障體系提出的加強后勤核心保障能力建設，要求保障軍隊遂行作戰(zhàn)任務應具備的綜合能力，其中包括戰(zhàn)爭方式的軍事行動和非戰(zhàn)爭方式的軍事行動，這就要求從優(yōu)化保障體制、改進保障裝備、提高指揮自動化建設水平等方面入手，以提高保障效益，增強保障能力。

2 野戰(zhàn)方艙

野戰(zhàn)方艙在后勤核心能力保障建設中發(fā)揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫(yī)院，方艙指揮中心，方艙廚房等［6］。目前我國野戰(zhàn)方艙的電源系統(tǒng)主要是利用電站方艙或發(fā)電掛車發(fā)電的方式供電，該供電方式供電系統(tǒng)鋪設范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點限制了野戰(zhàn)方艙更好的應用［79］。本文提出的風光互補智能投切電網系統(tǒng)主要采用風光互補的供電方式，只有在極少數情況下使用發(fā)電機組供電，并且克服了有光沒有風，有風沒有光的情況，能夠確保在任何復雜條件下都能保證野戰(zhàn)方艙的正常穩(wěn)定供電。

3 野戰(zhàn)方艙風光互補智能投切電網系統(tǒng)總體設計

3.1 系統(tǒng)構成介紹

野戰(zhàn)方艙風光互補智能投切電網系統(tǒng)由四大部分組成：

(1) 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用太陽能帳篷的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能電池板，太陽能帳篷即在野戰(zhàn)方艙的外壁涂上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設有一層透明防護層，有效保護薄膜太陽電池不易劃傷。光伏陣列將太陽能通過光生伏打效應轉換成直流電，通過變換器為各部分負載供電［10］。其主要作用是有陽光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。太陽能發(fā)電部分原理框圖如圖1所示。

圖1中，太陽電池方陣的支路通過二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池和負載供電。其中充電控制器采用增量控制太陽電池方陣對蓄電池的充電過程，當蓄電池組的充電電壓到達設定的最高充電電壓時，自動依次切斷一個或數個方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽電池發(fā)出的電能。

(2) 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)的風輪通過可折疊的支架安裝在野戰(zhàn)方艙頂部，使用時打開支架現場安裝風輪，并調節(jié)風輪的方向，不影響野戰(zhàn)方艙的運輸。風輪將風能通過空氣動力學原理轉換成機械能，驅動永磁同步發(fā)電機發(fā)出與風速成一定關系的交流電，經整流變成直流電，并經過變換器為各部分負載供電。風力發(fā)電機的設計功率可根據野戰(zhàn)方艙供電容量的實際需要進行調整。其主要作用是有風情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。

(3) 蓄電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)主要由鉛酸蓄電池組組成，其主要作用是平時將多余的風電或光電儲存，在即無風，又無光的情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力。由于野戰(zhàn)方艙的工作環(huán)境比較復雜，且存在一定的不確定性，因此在本系統(tǒng)中選用了抗高低溫特性好的蓄電池，同時選配的蓄電池組除具有儲能的功能外，還具有一定的穩(wěn)壓功能。

(4) 柴油機組供電部分

當連續(xù)多日無太陽、無風且蓄電池系統(tǒng)儲存的電能已經無法繼續(xù)支持負載的正常工作時，可啟動備用柴油機組供電部分為負載供電。該系統(tǒng)利用原有的野戰(zhàn)方艙的柴油機組供電部分，未作功能性改動。

3.2 系統(tǒng)基本原理

本文設計的風光互補供電系統(tǒng)包括風力發(fā)電機、太陽能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調節(jié)控制器、逆變器、旁路切換單元、蓄電池組及輸入/輸出配電等。其供電原理如下：

(1) 白天：太陽能電池組件產生的直流電流與風力發(fā)電機組發(fā)出的交流電經整流后，其中一部分通過電壓調節(jié)控制器、主控制單元及逆變器轉化為交流電供負載使用，另一部分對蓄電池進行充電，當陽光或風能不足時，蓄電池的電能通過逆變器轉化為交流電供交流負載使用。供電系統(tǒng)充分利用了太陽能資源和風力資源并使這兩種資源相互補充，有效利用。

(2) 夜間：夜間光伏陣列無功率輸出，此時采用風力發(fā)電機組和蓄電池組共同供電的模式。系統(tǒng)自動檢測分析負載功率的大小，而采用風力發(fā)電經逆變器供電和蓄電池經逆變器供電，即ACDCAC和PVDCAC，兩種模式復合供電，系統(tǒng)根據風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率來確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，比常規(guī)的風力發(fā)電系統(tǒng)中風機的利用率提高10%~20%。

風光互補智能投切電網供電系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

另外，本系統(tǒng)利用電壓調節(jié)控制器，控制DC母線電壓、檢測分析負載功率，AC整流功率，光伏陣列功率及風機發(fā)電功率等來調節(jié)供電方式，此種控制模式精確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，運行效果良好。同時，系統(tǒng)關鍵設備都設有過載、過壓、限流、短路、防反、防雷和接地等各種保護功能和措施，大大提高了系統(tǒng)運行的安全性。

4 系統(tǒng)對控制及主電路結構的保護

4.1 正弦波逆變器主電路拓樸結構和驅動電路

正弦波逆變器的作用是把兩個發(fā)電系統(tǒng)產生的電能轉換成同頻同相的正弦波交流電，兩者之間的能量的傳遞，可以有多種方法和形式。本設計采用可調度式并網逆變器，將太陽能電池組件產生的直流電能和風力發(fā)電組件產生的交流電能進行逆變輸送給負載，然后根據負載的需要進行調節(jié)，從而提高電能的使用率。本系統(tǒng)設計為一個具有三級變換的系統(tǒng)。功率輸入一級是將組件輸出電壓變換成逆變輸入電壓。中間級包括一個DCAC逆變環(huán)節(jié)，功率器件采用MOSFET，工作頻率為50 kHz。逆變輸出的電壓直接向負載供電且為蓄電池充電，該級的變換效率可達到80%。

功率輸出級仍然為一個DCAC逆變器，該逆變器具有兩種運行模式，當太陽能組件或者風力發(fā)電組件正常發(fā)電時優(yōu)先向負載供電，剩余電能向蓄電池充電。當沒有風時，太陽能組件獨立供電，當沒有陽光時，風力發(fā)電系統(tǒng)作為獨立供電系統(tǒng)為負載提供電能。兩種工作方式的切換由一個開關控制。

4.2 大容量正弦波逆變和保護技術

SPWM正弦脈寬調制波形產生電路是整個系統(tǒng)設計的一個關鍵環(huán)節(jié)，尤其是其開關頻率fs的高低對輸出波形失真度和輸出正弦化濾波器影響較大。本系統(tǒng)采用SPWM波形產生專用芯片輸出單相50 Hz正弦脈寬調制脈沖，倒相后形成兩路相位相反的脈沖，去控制逆變全橋的四個功率器件導通和截止，將SPWM信號進行功率放大。由于半導體功率器件(GTR，MOSFET，IGBT等)工作在前后沿陡峭的開關狀態(tài)，可使其自身功耗大大減小，從而提高逆變器整機的轉換效率，所以大功率逆變器均采用SPWM正弦脈寬調制信號。在本系統(tǒng)中，為了能夠使得并網電流和電壓嚴格保持同頻和同相(在補償無功功率時，需要有一定的相位差)，使用先進的頻率鎖相環(huán)技術，從而有效地將各種可再生能源轉化同頻同相的交流電流饋送給負載，達到建立分布式供電系統(tǒng)的目的。

為了防止逆變器輸出過載產生大電流而燒壞功率開關器件，本系統(tǒng)設計有直流過流、交流過流、過熱、欠壓等多種保護電路，一旦出現故障，首先通過硬件保護電路快速封鎖所有驅動信號的輸出；同時通過軟件在中斷程序中也封鎖所有驅動信號，并顯示錯誤信息。當故障排除后，手動復位，系統(tǒng)才能重新啟動。

4.3 計算機智能監(jiān)控和多路模擬參量數據采集、存儲和處理技術 為了對風光互補智能發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況和故障狀況進行詳細的分析，在可調度式風光互補并網發(fā)電系統(tǒng)中，還需要根據負荷的情況，人為或自動決定并網的有功功率和無功功率的大小。這些功能的實現建立在數據采集和監(jiān)控的基礎之上。為此，開發(fā)出基于PC機的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的數據采集和監(jiān)控軟件包。快速采集風力發(fā)電機、太陽電池、蓄電池等器件的關鍵工作參數和太陽能輻射量、環(huán)境溫度等氣象參數，并且隨時將采集的數據存入裝置內的大容量非易失性數據存儲器，最大容量可存入十年的工作數據。根據需要，還可隨機將記錄的數據打印出來，供設計或使用部門進行系統(tǒng)定量分析及資料存檔，為今后風光互補發(fā)電系統(tǒng)更合理的設計提供寶貴的科學依據。同時經常定期分析檢查采集的工作數據，還可及時發(fā)現系統(tǒng)各部件的故障或隱患，隨時排除故障或調整設計參數，以保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作并有效地延長發(fā)電系統(tǒng)的工作壽命。

5 結 論

本文提出了野戰(zhàn)方艙智能電源系統(tǒng)，論述了其系統(tǒng)結構和運行控制策略。風力發(fā)電和太陽能發(fā)電是清潔的可再生能源，符合全世界發(fā)展的方向，風光互補電源系統(tǒng)實現了對自然資源的合理利用，而風光互補的技術方案保證了系統(tǒng)的高可靠性。野戰(zhàn)方艙風光互補智能投切電網不僅在理論上有保證，而且在實際應用中也得到了檢驗。本系統(tǒng)能夠適應野戰(zhàn)方艙工作環(huán)境復雜、工作地點不確定、要求快速供電等情況，很好地解決了野戰(zhàn)方艙展開區(qū)域廣、供電系統(tǒng)鋪設范圍大的問題，大大提高了軍隊的后勤保障能力，是保障手段科技化的充分體現， 這對于促進軍民融合式后勤保障體系的發(fā)展、提高軍隊的核心保障能力方面具有重要的意義。

參 考 文 獻

［1］ 馬強，劉海斌，王江山.軍用方艙的舒適性設計［J］.國防技術基礎，2009(10)：4851.

［2］ 徐新喜.外軍方艙式機動醫(yī)院的發(fā)展和我軍機動醫(yī)療系統(tǒng)裝備的現狀［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，1997(4):2123.