孔維信+王滌非+于輝+王鵬

摘 要：文章根據(jù)GM4型磁通門磁力儀的電氣參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，并采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用分段充電法和回差電壓法對(duì)鉛蓄電池的充放電進(jìn)行控制，實(shí)踐表明，該供電系統(tǒng)可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：GM4型磁通門磁力儀；風(fēng)光互補(bǔ)；控制策略

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)的調(diào)整，新能源的開(kāi)發(fā)利用勢(shì)在必行。風(fēng)能、太陽(yáng)能以其可再生、無(wú)污染的特點(diǎn)得到了世界各國(guó)的重視，并成為可再生能源領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)利用技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的新型能源[1]。我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量豐富，其中風(fēng)能可開(kāi)發(fā)利用面積達(dá)我國(guó)國(guó)土面積的75%，太陽(yáng)能可開(kāi)發(fā)利用的面積占國(guó)土面積的67%，擁有巨大的開(kāi)發(fā)利用前景和價(jià)值。在發(fā)電利用方面，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電具有一定的互補(bǔ)性，白天當(dāng)太陽(yáng)光照較強(qiáng)時(shí)，風(fēng)力很小，晚上陽(yáng)光消失時(shí)風(fēng)力加強(qiáng)；在夏季，太陽(yáng)光照強(qiáng)度大而風(fēng)力小，冬季太陽(yáng)光弱而風(fēng)力大，太陽(yáng)能和風(fēng)能在晝夜和季節(jié)的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源的有效利用上有很好的匹配性。

地震觀測(cè)儀器設(shè)備的應(yīng)用對(duì)于環(huán)境要求較高，多安裝于擾動(dòng)較小的偏遠(yuǎn)地帶，而在我國(guó)的許多偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋，市電的供應(yīng)不便、投資成本高且維護(hù)困難。然而在偏遠(yuǎn)地區(qū)一般蘊(yùn)含著得天獨(dú)厚的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源，因而，充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電可以解決地震觀測(cè)設(shè)備的供電問(wèn)題。本設(shè)計(jì)采用小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，為地磁檢測(cè)臺(tái)站中GM4型磁通門磁力儀供電。

1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的組成

由于GM4型磁通門磁力儀采用直流供電，所以供電系統(tǒng)由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、穩(wěn)壓器、蓄電池組成。其工作原理是：風(fēng)能推動(dòng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉片驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電，通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換器整流成直流電輸入到風(fēng)光互補(bǔ)控制器中；太陽(yáng)光的光能通過(guò)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化為電能，其產(chǎn)生的直流電通過(guò)DC/DC變換器輸入到風(fēng)光互補(bǔ)控制器中[2]，風(fēng)光互補(bǔ)控制器經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器，將高質(zhì)量的電能一方面供給GM4型磁通門磁力儀使用，剩余的電能將儲(chǔ)存在蓄電池中，待風(fēng)能和太陽(yáng)能不足以供給磁通門時(shí)，由蓄電池給其提供電能。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

GM4型磁通門磁力儀是由中國(guó)地震局地球物理研究所研制的一種連續(xù)測(cè)量和記錄地磁場(chǎng)D，H，Z時(shí)間變化的數(shù)字化相對(duì)記錄儀，從2006年開(kāi)始，已經(jīng)全面裝配于我國(guó)各類地磁臺(tái)站中[3]。其主要電氣技術(shù)參數(shù)如表1所示。

小型風(fēng)力發(fā)機(jī)采用某公司生產(chǎn)的型號(hào)為MINI5 300W-12V的發(fā)電機(jī)，其功率為300 W，輸出電壓12 V，葉片采用玻璃尼龍纖維復(fù)合材料，啟動(dòng)風(fēng)速為1.5 m/s，切入風(fēng)俗為2 m/s，最大承受風(fēng)速為35 m/s。太陽(yáng)能電池板采用SN-200W型，這是一款單晶硅太陽(yáng)能電池組件，轉(zhuǎn)換效率17%以上，最大輸出電壓為18 V，最大輸出電流為11.2 A。蓄電池采用兩塊BG200AH型高性能專用膠體電池，200 AH/塊，輸出電壓為12 V，其工作溫度范圍較寬，可在﹣40～60 ℃正常工作。風(fēng)光互補(bǔ)控制器采用SN-WS06K-12V型號(hào)的控制器，該控制器采用PWM方式進(jìn)行控制，可顯示欠壓、過(guò)載、短路等故障，同時(shí)可防止太陽(yáng)能電池板反充、反接，并對(duì)電池充放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。穩(wěn)壓器采用DSN600AUD自動(dòng)升降壓模塊，該模塊電壓輸出范圍為1.25～35 V，輸出電流為18 mA～3 A，開(kāi)關(guān)頻率為400 kHz，負(fù)載調(diào)整率為±5%，電壓調(diào)整率為±5%，可高質(zhì)量地達(dá)到所需的穩(wěn)定電壓的要求。

3 控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出受到風(fēng)速的影響，太陽(yáng)能電池板電能的轉(zhuǎn)換受到光照強(qiáng)度的影響，而在不同的時(shí)間和地域，風(fēng)速和光照強(qiáng)度并非恒定，其變化也不盡相同，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電也具有不穩(wěn)定性和不確定性，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板始終工作在最大功率狀態(tài)，本系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)。

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

根據(jù)風(fēng)能和負(fù)載的情況，假定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終工作在最佳尖速比，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速推算出風(fēng)電系統(tǒng)最佳輸出功率，將該輸出功率作為發(fā)電機(jī)功率的給定，調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比進(jìn)行阻抗變換，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤[4]。尖速比和最佳功率的計(jì)算方法如下：

其中，ωn（rad/s）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速；R（m）為葉片半徑；v（m/s）為來(lái)流的線性風(fēng)速。

其中，P（W）是啟動(dòng)功率，ρ（kg/m3）是空氣密度，s（m2）是掃掠面積；Kp是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。

3.2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)常用的最大功率點(diǎn)控制方法有擾動(dòng)觀測(cè)法、電壓跟蹤法、功率回授法、電導(dǎo)增量法和間歇掃描法，在比較其優(yōu)缺點(diǎn)后，最終采用電導(dǎo)增量法。該方法通過(guò)比較太陽(yáng)能電池陣列的瞬時(shí)電導(dǎo)變化量的方法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)P時(shí)，P=IU成立，該式兩端對(duì)U求導(dǎo)可得[5]：

在最大功率點(diǎn)時(shí)，dP/dU=0，帶入P=IU可得

電導(dǎo)增量法準(zhǔn)確性較高，使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)隨環(huán)境的變化具有很好的跟蹤性。

3.3 蓄電池充放電控制策略

蓄電池充電方式可分為恒定電流充電、恒定電壓充電和分段式充電3種常用方式。本設(shè)計(jì)采用分段式充電方式。在開(kāi)始充電階段，采用大電流充電，當(dāng)端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)降低充電電流，采用恒定電壓法充電。這種方法避免了過(guò)充電現(xiàn)象的發(fā)生，減少對(duì)于電池壽命的損害。蓄電池的放電控制策略采用回差電壓控制法，當(dāng)蓄電池端電壓降低到過(guò)放保護(hù)電壓時(shí)，切斷負(fù)載供電回路，只有端電壓再次上升到啟動(dòng)電壓時(shí)，才允許重新放電[4-6]。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)能、太陽(yáng)能作為清潔可再生能源，得到世界各國(guó)的重視。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)克服了單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的缺點(diǎn)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。本文依據(jù)GM4型磁通門為目標(biāo)載體，設(shè)計(jì)了一套小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用分段充電法和回差電壓法對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行控制，取得了良好的效果。

[參考文獻(xiàn)]

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Abstract：Based on the electrical parameters of GM4 fluxgate magnetometer， a set of small wind-solar hybrid discovery system is designed in this paper. The maximum power point tracking technology is used to control the wind power generation system and solar power generation system. Differential voltage method to control the charge and discharge of lead-acid batteries， practice shows that the power supply system has high reliability and stable operation.

Key words：GM4 fluxgate magnetometer； wind and photoelectricity complementary； control strategyendprint