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        海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)技術(shù)研究

        2020-05-14 10:33:42趙淑莉王冬海郭明瑞趙茁
        環(huán)境技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:電池板蓄電池太陽能

        趙淑莉,王冬海,郭明瑞,趙茁

        (中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院,北京 100043)

        1 研究背景

        1.1 研究背景

        面對海域信息監(jiān)測與防御問題、常規(guī)能源日益枯竭與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展之間的矛盾加劇,以及常規(guī)能源造成的環(huán)境污染、成本高昂等問題,開發(fā)、推廣高效、環(huán)保的可再生能源發(fā)電技術(shù)迫在眉睫,世界各國開始重視可再生能源的開發(fā)與利用。海洋幅員遼闊,覆蓋地球表面近71 %的面積,蘊(yùn)含著巨大的能量,因此,海洋能發(fā)電作為海上新型清潔能源,成為可再生能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

        因此,需要大力開發(fā)海洋可再生能源,海洋能包括波浪能、潮流能、潮汐能、鹽差能、溫差能、海上風(fēng)能、太陽能等。由于海洋環(huán)境復(fù)雜、施工條件的限制,適合在海上開發(fā)利用的海洋可再生能源一般有海上風(fēng)能、海上太陽能、波浪能和潮流能[2],但是上述能源存在間歇性與不穩(wěn)定性等問題,采用單一能源很難提供穩(wěn)定持續(xù)的電能,借鑒陸上多能互補(bǔ)發(fā)電經(jīng)驗(yàn),采用海洋能多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù),對于解決能源供給與維護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

        1.2 海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)提出的意義

        本文提出海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng),重點(diǎn)研究多種電源綜合使用、綜合電源控制管理、太陽能電池板效率控制、蓄電池充放電管理和應(yīng)急保障等功能,并根據(jù)上級管控指令或系統(tǒng)剩余電量進(jìn)行全任務(wù)、值班、降級、休眠等工作模式切換。

        海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)的建立可以解決海洋能發(fā)電遇到的技術(shù)瓶頸,推動(dòng)我國海洋能的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,具有很大的意義。首先,利用多種能源的互補(bǔ)特性,可獲得比單一能源發(fā)電更穩(wěn)定的輸出,提高供電可靠性與穩(wěn)定性;其次,海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)具有監(jiān)測系統(tǒng),可以在無人值守的情況下遠(yuǎn)程監(jiān)控海洋能發(fā)電裝置工作狀態(tài)、發(fā)電量、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo);第三,通過海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)安裝與長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累,進(jìn)行探討與總結(jié),為后續(xù)在惡劣工況下安裝海洋能發(fā)電裝置提供借鑒方法,解決安裝困難與經(jīng)濟(jì)成本降低等問題。

        1.3 主要研究內(nèi)容

        本文重點(diǎn)研究海上多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù),分為以下兩部分。

        第一,多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù),離網(wǎng)系統(tǒng)研究主要面向多種能源的互補(bǔ)供電控制策略、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、安全性要求、環(huán)境適應(yīng)性能力和蓄電池選型等方面,并針對目前市面上的光伏、風(fēng)能、波浪能、潮流能、柴油機(jī)、各類蓄電池和離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的功能、性能及應(yīng)用場景進(jìn)行分析,為海洋能高效多能源互補(bǔ)與智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

        第二,高效的能源效率控制研究,能源效率控制研究主要包括發(fā)電效率控制研究和轉(zhuǎn)換效率控制研究。發(fā)電效率控制研究主要針對光伏系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)和柴油機(jī)系統(tǒng)、波浪能發(fā)電裝置、潮流能發(fā)電裝置不同的接入電路進(jìn)行分析,通過調(diào)整接入電路實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)最大輸出功率的自動(dòng)跟蹤以及油機(jī)發(fā)電、波浪能、潮流能等效率控制;轉(zhuǎn)換效率控制研究主要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的電氣接口特性,合理配置母線類型和電壓,控制系統(tǒng)內(nèi)AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換次數(shù)和效率,達(dá)到滿足系統(tǒng)供電需求的情況下系統(tǒng)損耗最低的要求[3]。

        2 海上多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

        2.1 可再生能源的特點(diǎn)

        太陽能、風(fēng)能、潮流能、波浪能等海洋可再生能源,雖然取之不盡、用之不竭,但是,具備分布不連續(xù)、不穩(wěn)定性、間歇性等特點(diǎn)。

        2.2 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

        我國島礁主權(quán)爭議區(qū)域、我軍潛艇活動(dòng)海域目前迫切需要進(jìn)行長期綜合監(jiān)管和安全防護(hù),但是受限于電能供應(yīng)不足,大功率監(jiān)視探測設(shè)備均無法長期布放于中遠(yuǎn)海域。同時(shí),在電網(wǎng)無法覆蓋的海島地區(qū),電能的短缺嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。充分利用海上可再生能源豐富的特點(diǎn),將風(fēng)能、太陽能和潮流能等發(fā)電方式互補(bǔ)與配合運(yùn)行,充分利用各自的優(yōu)點(diǎn),補(bǔ)充其短板,克服單一發(fā)電裝置運(yùn)行所帶來的電能輸出穩(wěn)定性差和供給不足等問題,并由控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理和維護(hù),具備運(yùn)行成本低、能源利用效率高、電能輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

        2.3 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和趨勢

        目前,國外對多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)的研究主要致力于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)、穩(wěn)定供電等。美國和澳大利亞學(xué)者對互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式的實(shí)現(xiàn)以及性能進(jìn)行了研究;在小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本、可靠性和擴(kuò)容方面,加拿大進(jìn)行了研究;在以成本最小為目標(biāo)對互補(bǔ)發(fā)電場的容量進(jìn)行優(yōu)化配置方面,希臘進(jìn)行了研究[4]。

        當(dāng)前我國多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)的研究多集中在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及監(jiān)控管理等方面。我國在位于長江源自然保護(hù)站的兩套小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站最早采用了互補(bǔ)發(fā)電技術(shù);第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是廣東南澳島并網(wǎng)運(yùn)行大型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

        綜上所述,目前多能源高效互補(bǔ)智能供電技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn),是提升系統(tǒng)效率、降低成本、提高可靠性與穩(wěn)定性及系統(tǒng)使用壽命,同時(shí)還需要增強(qiáng)能源管控研究,提升電能輸出的質(zhì)量。

        3 海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)通過太陽能、海上風(fēng)能、波浪能、潮流能、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池多種供電結(jié)合的方法進(jìn)行供電,通過多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)與高效能源效率控制關(guān)鍵技術(shù)研究,可提供持續(xù)穩(wěn)定的供電電壓。

        3.1 多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)

        離網(wǎng)系統(tǒng)研究主要面向多種能源的互補(bǔ)供電控制策略、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、安全性要求、環(huán)境適應(yīng)性能力和蓄電池選型等方面,并針對目前市面上的光伏、風(fēng)能、潮汐能、海水電池、柴油機(jī)、各類蓄電池和離網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的功能、性能及應(yīng)用場景進(jìn)行分析,為錨泊浮臺(tái)信息系統(tǒng)能源設(shè)備設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

        供配電系統(tǒng)配有蓄電池、太陽能電池板和船載柴油發(fā)電機(jī)、潮流能、波浪能等多種電源供電,并通過蓄電池進(jìn)行供電,太陽能電池板可同時(shí)為系統(tǒng)供電和給蓄電池充電,當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)可通過船載柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電,具備供電過壓過流保護(hù),保證對外提供多種安全工作電壓。

        3.2 高效的能源效率控制研究

        能源效率控制研究主要包括發(fā)電效率控制研究和轉(zhuǎn)換效率控制研究。發(fā)電效率控制研究主要針對光伏系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)、波浪能、潮流能、柴油機(jī)系統(tǒng)不同的接入電路進(jìn)行分析,通過調(diào)整接入電路實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)和風(fēng)能系統(tǒng)最大輸出功率的自動(dòng)跟蹤以及油機(jī)發(fā)電的效率控制;轉(zhuǎn)換效率控制研究主要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載的電氣接口特性,合理配置母線類型和電壓,控制系統(tǒng)內(nèi)AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換次數(shù)和效率,達(dá)到滿足系統(tǒng)供電需求的情況下系統(tǒng)損耗最低的要求。

        海上多能源高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)中電源控制管理功能主要包括負(fù)載電源遠(yuǎn)程遙控開關(guān)控制、油機(jī)遠(yuǎn)程開關(guān)、通風(fēng)、照明電路自動(dòng)控制,油機(jī)整流模塊自動(dòng)開關(guān)機(jī)控制,太陽能整流模塊自動(dòng)開關(guān)機(jī)控制,鋰電池過充、過放、過流、短路、過溫、電池均衡電路自動(dòng)控制和供配電系統(tǒng)狀態(tài)上報(bào)功能。會(huì)按前期設(shè)定好的開機(jī)順序,依次為各設(shè)備打開電源,具有接收上級控制指令功能,可根據(jù)下發(fā)指令對各設(shè)備進(jìn)行開關(guān)電源操作,并上報(bào)各設(shè)備電源開關(guān)狀態(tài)。具有監(jiān)測蓄電池電量和遙控開關(guān)船載柴油發(fā)電機(jī)功能,當(dāng)太陽能電池?zé)o法正常供電,蓄電池電量即將耗盡時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)船載柴油發(fā)電機(jī),蓄電池電量充滿后自動(dòng)關(guān)閉船載柴油發(fā)電機(jī)。具有狀態(tài)上報(bào)功能,系統(tǒng)會(huì)定時(shí)將監(jiān)測到的系統(tǒng)當(dāng)前剩余油量、蓄電池電量、太陽能輸出功率和狀態(tài)、各個(gè)蓄電池狀態(tài)、分系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)、油機(jī)開關(guān)狀態(tài)和輸出功率、其它分系統(tǒng)各設(shè)備功耗情況和電源開關(guān)狀態(tài)等信息上報(bào)數(shù)據(jù)匯聚處理分系統(tǒng)。當(dāng)檢測到系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)異常、蓄電池電量過低和柴油箱油料嚴(yán)重不足時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成告警信息上報(bào)。

        太陽能電池板的功率輸出特性是非線性的,且易受溫度、光照強(qiáng)度、負(fù)載等多種因素影響,由此,為了提升利用效率,需要對太陽能電池板的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤(MPPT)[5],通過加電壓擾動(dòng)的方式檢測當(dāng)前光照和溫度條件下太陽能電池板最大輸出功率電壓。并根據(jù)檢測結(jié)果對當(dāng)前太陽能電池板輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,保證太陽能電池板具有最好的供電效率。

        3.3 多能高效互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        海上多能高?;パa(bǔ)智能供電系統(tǒng)是一個(gè)微型離網(wǎng)智慧發(fā)電系統(tǒng),如圖1所示,為海洋內(nèi)孤立存在的平臺(tái)而設(shè)計(jì)的可自主運(yùn)行的能源電站系統(tǒng)。系統(tǒng)采用太陽能、波浪能、潮流能、油機(jī)和蓄電池互補(bǔ)方式發(fā)電。系統(tǒng)發(fā)電優(yōu)先供應(yīng)設(shè)備使用,超出的功率用于給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。同時(shí)具有儲(chǔ)能、能源控制管理功能。蓄電部分充滿時(shí),可滿足系統(tǒng)正常用電需求;能源控制管理可對能源分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采集、故障判斷、故障報(bào)警、系統(tǒng)保護(hù)等,保證能源系統(tǒng)正常運(yùn)行。

        供配電系統(tǒng)發(fā)電部分采用太陽能電池板、風(fēng)能、波浪能、潮流能、船用柴油發(fā)電機(jī)、岸電等多種方式為蓄電池充電,具備同時(shí)為系統(tǒng)供電和蓄電池充電的能力,供配電系統(tǒng)可通過外加電壓擾動(dòng)的方式檢測當(dāng)前光照和溫度條件下太陽能電池板最大輸出功率,并根據(jù)檢測結(jié)果對當(dāng)前太陽能電池板輸出功率進(jìn)行調(diào)整,保證太陽能電池板最大功率輸出。蓄電部分具有具有蓄電池保護(hù)能力,包括:電壓欠壓保護(hù),電壓過壓保護(hù),充電過流保護(hù),放電過流保護(hù),充放電高溫保護(hù),充放電低溫保護(hù),電池容量低告警、電池過流告警、電池短路告警。負(fù)載供電可對外提供AC 220 V和DC +48 V、DC+24 V、DC+12 V多種供電,并具備供電過壓過流保護(hù)能力,具有遠(yuǎn)程接收上級控制指令功能,可根據(jù)下發(fā)指令對各設(shè)備的供電電源模塊進(jìn)行開關(guān)電源操作,具備狀態(tài)上報(bào),能上報(bào)太陽能發(fā)電設(shè)備和油機(jī)的輸出電壓、電流和功率,以及發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行、告警狀態(tài);能上報(bào)當(dāng)前儲(chǔ)電設(shè)備的剩余電量狀態(tài)、電池容量狀態(tài)、電池單元的工作狀態(tài)等。當(dāng)電量低于系統(tǒng)設(shè)置的底線可上報(bào)警示信息;具有監(jiān)測油箱剩余油量,并能上報(bào)油箱內(nèi)當(dāng)前油量;能上報(bào)當(dāng)前系統(tǒng)各路電源模塊輸出的電流、電壓。具有監(jiān)控管理功能,且控制方式具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式,具備電池溫度補(bǔ)償、電池監(jiān)測、電源系統(tǒng)異常運(yùn)行時(shí)異常情況處理等功能;具有告警和故障檢測、設(shè)置功能,當(dāng)下級設(shè)備產(chǎn)生告警信息,監(jiān)控單元根據(jù)所存儲(chǔ)的設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行告警級別識(shí)別,發(fā)出告警信息,系統(tǒng)具備能夠?qū)Ξa(chǎn)生告警信息的設(shè)備進(jìn)行故障檢測和修復(fù)功能,并且所有的告警級別都可以手動(dòng)設(shè)置和取消。

        圖 1 海上高效多能源互補(bǔ)智能供電系統(tǒng)簡圖

        4 結(jié)論

        為實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)海域信息監(jiān)測與防御設(shè)備的能源自保障與海島供電,需具備多種能源供電,并提高能源的利用效率,通過海上多能源高效互補(bǔ)智能供電與控制關(guān)鍵技術(shù)研究,研制可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)海地區(qū)海域信息覆蓋的海上信息節(jié)點(diǎn)能源系統(tǒng)。該能源系統(tǒng)可提供5 kW常態(tài)輸出,最高可提供10 kW的功率輸出,在陰雨天等惡劣天氣下可連續(xù)工作,通過蓄電池組提供不間斷供電能力,并由柴油發(fā)電機(jī)在電能不足的情況下進(jìn)行補(bǔ)充,滿足不同工作模式下的能源供給。

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