摘 要：為了更好地促進(jìn)軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進(jìn)部隊(duì)保障裝備，針對(duì)野戰(zhàn)方艙供電系統(tǒng)的難題，提出利用風(fēng)能、太陽(yáng)能兩種最方便、無(wú)污染、無(wú)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(shè)計(jì)方案，很好地綜合了風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)，可以為野戰(zhàn)方艙提供連續(xù)、可靠的電力供應(yīng)，系統(tǒng)維護(hù)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(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：野戰(zhàn)方艙; 軍民融合式后勤保障體系; 智能電源; 風(fēng)光互補(bǔ)

中圖分類號(hào)：TN8634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)部隊(duì)保障裝備。所謂“民技軍用”，是將相對(duì)成熟的民用高新技術(shù)成果經(jīng)過(guò)適應(yīng)性開(kāi)發(fā)研究，移植于武器裝備研制和國(guó)防科研生產(chǎn)的一種工程技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，這對(duì)于充分利用社會(huì)資源、逐步建立適應(yīng)武器裝備建設(shè)需要和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的軍品市場(chǎng)監(jiān)管體系，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、裝備的日益復(fù)雜化以及戰(zhàn)爭(zhēng)條件的日趨嚴(yán)酷，對(duì)后勤保障起關(guān)鍵作用的野戰(zhàn)方艙的性能要求也越來(lái)越高，野戰(zhàn)方艙不僅要具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，較高的電磁屏蔽性能，還應(yīng)具有穩(wěn)定、方便、可靠的電源系統(tǒng)［12］。

我國(guó)可再生能源的儲(chǔ)備十分豐富，其中以太陽(yáng)能和風(fēng)能尤為突出。風(fēng)能和太陽(yáng)能具有天然的互補(bǔ)性:白天日照強(qiáng)，太陽(yáng)能豐富；晚上風(fēng)多，風(fēng)能充足。夏日和冬日風(fēng)能和太陽(yáng)能也有很好的互補(bǔ)效果，風(fēng)力太陽(yáng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(méi)有電力供應(yīng)，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)可以作為獨(dú)立的電源系統(tǒng)應(yīng)用于野戰(zhàn)方艙中，因此具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。它不但能達(dá)到大量節(jié)能的目標(biāo)，并且安裝程序大大簡(jiǎn)化，應(yīng)用和維護(hù)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(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以使命任務(wù)為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務(wù)綜合保障能力為目標(biāo)，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(biāo)定位于“應(yīng)對(duì)多種安全威脅，支援保障遂行多樣化軍事任務(wù)”上，統(tǒng)籌各項(xiàng)能力建設(shè)，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(qiáng)后勤核心保障能力建設(shè)，要求保障軍隊(duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)應(yīng)具備的綜合能力，其中包括戰(zhàn)爭(zhēng)方式的軍事行動(dòng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)方式的軍事行動(dòng)，這就要求從優(yōu)化保障體制、改進(jìn)保障裝備、提高指揮自動(dòng)化建設(shè)水平等方面入手，以提高保障效益，增強(qiáng)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(shè)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(guó)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(shè)范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點(diǎn)限制了野戰(zhàn)方艙更好的應(yīng)用［79］。本文提出的風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)主要采用風(fēng)光互補(bǔ)的供電方式，只有在極少數(shù)情況下使用發(fā)電機(jī)組供電，并且克服了有光沒(méi)有風(fēng)，有風(fēng)沒(méi)有光的情況，能夠確保在任何復(fù)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(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成介紹

野戰(zhàn)方艙風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)系統(tǒng)由四大部分組成：

(1) 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

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

圖1中，太陽(yáng)電池方陣的支路通過(guò)二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池和負(fù)載供電。其中充電控制器采用增量控制太陽(yáng)電池方陣對(duì)蓄電池的充電過(guò)程，當(dāng)蓄電池組的充電電壓到達(dá)設(shè)定的最高充電電壓時(shí)，自動(dòng)依次切斷一個(gè)或數(shù)個(gè)方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長(zhǎng)，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲(chǔ)存太陽(yáng)電池發(fā)出的電能。

(2) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)輪通過(guò)可折疊的支架安裝在野戰(zhàn)方艙頂部，使用時(shí)打開(kāi)支架現(xiàn)場(chǎng)安裝風(fēng)輪，并調(diào)節(jié)風(fēng)輪的方向，不影響野戰(zhàn)方艙的運(yùn)輸。風(fēng)輪將風(fēng)能通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)原理轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出與風(fēng)速成一定關(guān)系的交流電，經(jīng)整流變成直流電，并經(jīng)過(guò)變換器為各部分負(fù)載供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)功率可根據(jù)野戰(zhàn)方艙供電容量的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。其主要作用是有風(fēng)情況下，向野戰(zhàn)方艙提供電力，并將多余電能儲(chǔ)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(shí)將多余的風(fēng)電或光電儲(chǔ)存，在即無(wú)風(fēng)，又無(wú)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(fù)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(shí)選配的蓄電池組除具有儲(chǔ)能的功能外，還具有一定的穩(wěn)壓功能。

(4) 柴油機(jī)組供電部分

當(dāng)連續(xù)多日無(wú)太陽(yáng)、無(wú)風(fēng)且蓄電池系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)支持負(fù)載的正常工作時(shí)，可啟動(dòng)備用柴油機(jī)組供電部分為負(fù)載供電。該系統(tǒng)利用原有的野戰(zhàn)方艙的柴油機(jī)組供電部分，未作功能性改動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)基本原理

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調(diào)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(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電流與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電經(jīng)整流后，其中一部分通過(guò)電壓調(diào)節(jié)控制器、主控制單元及逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供負(fù)載使用，另一部分對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)陽(yáng)光或風(fēng)能不足時(shí)，蓄電池的電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用。供電系統(tǒng)充分利用了太陽(yáng)能資源和風(fēng)力資源并使這兩種資源相互補(bǔ)充，有效利用。

(2) 夜間：夜間光伏陣列無(wú)功率輸出，此時(shí)采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和蓄電池組共同供電的模式。系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)分析負(fù)載功率的大小，而采用風(fēng)力發(fā)電經(jīng)逆變器供電和蓄電池經(jīng)逆變器供電，即ACDCAC和PVDCAC，兩種模式復(fù)合供電，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率來(lái)確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，比常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的利用率提高10%~20%。

風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)供電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

另外，本系統(tǒng)利用電壓調(diào)節(jié)控制器，控制DC母線電壓、檢測(cè)分析負(fù)載功率，AC整流功率，光伏陣列功率及風(fēng)機(jī)發(fā)電功率等來(lái)調(diào)節(jié)供電方式，此種控制模式精確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，運(yùn)行效果良好。同時(shí)，系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備都設(shè)有過(guò)載、過(guò)壓、限流、短路、防反、防雷和接地等各種保護(hù)功能和措施，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4 系統(tǒng)對(duì)控制及主電路結(jié)構(gòu)的保護(hù)

4.1 正弦波逆變器主電路拓樸結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路

正弦波逆變器的作用是把兩個(gè)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用可調(diào)度式并網(wǎng)逆變器，將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電能和風(fēng)力發(fā)電組件產(chǎn)生的交流電能進(jìn)行逆變輸送給負(fù)載，然后根據(jù)負(fù)載的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高電能的使用率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)具有三級(jí)變換的系統(tǒng)。功率輸入一級(jí)是將組件輸出電壓變換成逆變輸入電壓。中間級(jí)包括一個(gè)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(fù)載供電且為蓄電池充電，該級(jí)的變換效率可達(dá)到80%。

功率輸出級(jí)仍然為一個(gè)DCAC逆變器，該逆變器具有兩種運(yùn)行模式，當(dāng)太陽(yáng)能組件或者風(fēng)力發(fā)電組件正常發(fā)電時(shí)優(yōu)先向負(fù)載供電，剩余電能向蓄電池充電。當(dāng)沒(méi)有風(fēng)時(shí)，太陽(yáng)能組件獨(dú)立供電，當(dāng)沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立供電系統(tǒng)為負(fù)載提供電能。兩種工作方式的切換由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制。

4.2 大容量正弦波逆變和保護(hù)技術(shù)

SPWM正弦脈寬調(diào)制波形產(chǎn)生電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是其開(kāi)關(guān)頻率fs的高低對(duì)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(chǎn)生專用芯片輸出單相50 Hz正弦脈寬調(diào)制脈沖，倒相后形成兩路相位相反的脈沖，去控制逆變?nèi)珮虻乃膫€(gè)功率器件導(dǎo)通和截止，將SPWM信號(hào)進(jìn)行功率放大。由于半導(dǎo)體功率器件(GTR，MOSFET，IGBT等)工作在前后沿陡峭的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可使其自身功耗大大減小，從而提高逆變器整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，所以大功率逆變器均采用SPWM正弦脈寬調(diào)制信號(hào)。在本系統(tǒng)中，為了能夠使得并網(wǎng)電流和電壓嚴(yán)格保持同頻和同相(在補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，需要有一定的相位差)，使用先進(jìn)的頻率鎖相環(huán)技術(shù)，從而有效地將各種可再生能源轉(zhuǎn)化同頻同相的交流電流饋送給負(fù)載，達(dá)到建立分布式供電系統(tǒng)的目的。

為了防止逆變器輸出過(guò)載產(chǎn)生大電流而燒壞功率開(kāi)關(guān)器件，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直流過(guò)流、交流過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等多種保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)故障，首先通過(guò)硬件保護(hù)電路快速封鎖所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出；同時(shí)通過(guò)軟件在中斷程序中也封鎖所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并顯示錯(cuò)誤信息。當(dāng)故障排除后，手動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)。

4.3 計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控和多路模擬參量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理技術(shù) 為了對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)智能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和故障狀況進(jìn)行詳細(xì)的分析，在可調(diào)度式風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，還需要根據(jù)負(fù)荷的情況，人為或自動(dòng)決定并網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率的大小。這些功能的實(shí)現(xiàn)建立在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的基礎(chǔ)之上。為此，開(kāi)發(fā)出基于PC機(jī)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件包。快速采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)電池、蓄電池等器件的關(guān)鍵工作參數(shù)和太陽(yáng)能輻射量、環(huán)境溫度等氣象參數(shù)，并且隨時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存入裝置內(nèi)的大容量非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，最大容量可存入十年的工作數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，還可隨機(jī)將記錄的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，供設(shè)計(jì)或使用部門(mén)進(jìn)行系統(tǒng)定量分析及資料存檔，為今后風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)更合理的設(shè)計(jì)提供寶貴的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)經(jīng)常定期分析檢查采集的工作數(shù)據(jù)，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各部件的故障或隱患，隨時(shí)排除故障或調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作并有效地延長(zhǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作壽命。

5 結(jié) 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(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制策略。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)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(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然資源的合理利用，而風(fēng)光互補(bǔ)的技術(shù)方案保證了系統(tǒng)的高可靠性。野戰(zhàn)方艙風(fēng)光互補(bǔ)智能投切電網(wǎng)不僅在理論上有保證，而且在實(shí)際應(yīng)用中也得到了檢驗(yàn)。本系統(tǒng)能夠適應(yīng)野戰(zhàn)方艙工作環(huán)境復(fù)雜、工作地點(diǎn)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(kāi)區(qū)域廣、供電系統(tǒng)鋪設(shè)范圍大的問(wèn)題，大大提高了軍隊(duì)的后勤保障能力，是保障手段科技化的充分體現(xiàn)， 這對(duì)于促進(jìn)軍民融合式后勤保障體系的發(fā)展、提高軍隊(duì)的核心保障能力方面具有重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 馬強(qiáng)，劉海斌，王江山.軍用方艙的舒適性設(shè)計(jì)［J］.國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2009(10)：4851.

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