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        一種基于光伏和鋰電池的卵苗采集平臺(tái)供電系統(tǒng)

        2023-11-27 07:37:28韋向星黃永國(guó)鄒圣增李繼生
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        馬 達(dá) 韋向星 黃永國(guó) 鄒圣增 李繼生 唐 靜

        (1.武漢市伊美凈科技發(fā)展有限公司,湖北 武漢 430070;2.華能龍開口水電有限公司,云南 大理 671505)

        在水利環(huán)保設(shè)施中,卵苗采集平臺(tái)可以將卵苗采集器和動(dòng)力船舶有機(jī)結(jié)合在一起。在水利水電樞紐工程中,卵苗采集平臺(tái)通過真空罐式或蝸殼式卵苗采集器收集壩上水庫的魚苗、魚卵,再將魚苗、魚卵轉(zhuǎn)運(yùn)到壩下流域進(jìn)行放流,實(shí)現(xiàn)壩上到壩下魚類物種的傳播。目前,主流的卵苗采集平臺(tái)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī),當(dāng)收集魚苗、魚卵時(shí),其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)的高振動(dòng)高噪聲以及排放的污染物會(huì)對(duì)卵苗采集效果產(chǎn)生持續(xù)影響。

        采用基于光伏和鋰電池的卵苗采集平臺(tái)供電系統(tǒng)智能管理光伏系統(tǒng)和新能源鋰電池系統(tǒng)的充/放電過程,有效延長(zhǎng)卵苗采集平臺(tái)的電力續(xù)航能力,以太陽能作為清潔能源的光伏系統(tǒng)和以新能源鋰電池作為儲(chǔ)能的電池可以實(shí)現(xiàn)碳零排放的目標(biāo)。同時(shí),電能以新能源鋰電池為儲(chǔ)能單元,當(dāng)進(jìn)行卵苗采集作業(yè)時(shí)可以提供低噪聲低振動(dòng)的作業(yè)環(huán)境,從而提高育苗魚卵采集效率。

        1 基于光伏和鋰電池的卵苗采集平臺(tái)供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

        通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外集魚平臺(tái)發(fā)展情況來了解國(guó)內(nèi)外集魚平臺(tái)運(yùn)行控制方法和運(yùn)行方式,該文采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、PLC控制技術(shù)、集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù),通過電源管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,將光伏發(fā)電系統(tǒng)與新能源鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合,監(jiān)測(cè)卵苗采集平臺(tái)上的卵苗采集設(shè)備及其他用電設(shè)備的運(yùn)行工況,在不同工況下對(duì)電池和光伏系統(tǒng)的管理策略進(jìn)行控制,在實(shí)現(xiàn)鋰電池最優(yōu)充放工況的基礎(chǔ)上,提高卵苗采集平臺(tái)系統(tǒng)的電力續(xù)航能力。

        1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

        該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作需要遵循以下5個(gè)原則:1)標(biāo)準(zhǔn)化原則。該系統(tǒng)要遵循國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求。2)安全性原則。該系統(tǒng)必須以安全為首要目標(biāo),要保障人員和設(shè)備的安全。在設(shè)計(jì)中,必須充分考慮維護(hù)和保養(yǎng),遵守各種相關(guān)的安全規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。3)可靠性原則。該系統(tǒng)需要穩(wěn)定、可靠地工作,避免因故障而造成生產(chǎn)過程停滯或者設(shè)備損壞等問題。在設(shè)計(jì)中,需要針對(duì)各種情況建立完善的故障排除系統(tǒng)。4)經(jīng)濟(jì)性原則。該系統(tǒng)須充分考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性,盡量避免浪費(fèi)和成本過高。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中,需要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)。5)易維護(hù)原則。該系統(tǒng)應(yīng)該易于維護(hù)和保養(yǎng),保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中,需要考慮在維修過程中產(chǎn)生的影響和設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用。

        1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該卵苗采集平臺(tái)供電系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、鋰電池組、充電裝置和供電管理系統(tǒng)組成(如圖1所示)。其中,光伏發(fā)電系統(tǒng)包括布置在卵苗采集平臺(tái)上面的光伏板和MPPT光伏控制板。該供電系統(tǒng)通過管理鋰電池組為三相逆變器供電,將直流電逆變?yōu)榻涣麟?,?shí)現(xiàn)對(duì)卵苗采集器供電的功能;同時(shí),該供電系統(tǒng)對(duì)鋰電池組進(jìn)行管理,從而為推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元供電,使直流推進(jìn)器運(yùn)行。

        圖1 系統(tǒng)組成

        該系統(tǒng)中各系統(tǒng)設(shè)備的功能如下:1)光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏板采用串聯(lián)的形式對(duì)各塊光伏板進(jìn)行連接升壓,將串聯(lián)后的光伏板分組并聯(lián)到MPPT光伏控制板上。MPPT太陽能控制板通過實(shí)時(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓,并追蹤最高電壓、電流,使系統(tǒng)以最大功率輸出為蓄電池充電[1]。2)鋰電池組。選用安全且可靠度高的磷酸鐵鋰電池,同時(shí)由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)后,通過 CAN/MODBUS 通信的形式將各電池組中的電壓、電流和溫度等參數(shù)信息傳輸出去。3) 供電管理系統(tǒng)。通過CAN/MODBUS通信的形式與光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制板、鋰電池組和充電裝置進(jìn)行通信,獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的電壓、電流以及控制狀態(tài)參數(shù),同時(shí)獲取鋰電池組的電壓、電流以及溫度等參數(shù),獲取充電裝置的電壓、電流等參數(shù),通過獲取的各設(shè)備和系統(tǒng)的參數(shù)信息,采用系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建的控制策略實(shí)現(xiàn)各種工況和狀態(tài)下的自動(dòng)控制,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。4)推進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置。推進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置包括推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元和直流推進(jìn)器。供電管理系統(tǒng)控制蓄電池為推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元供電,推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元通過控制電流電壓和頻率等電參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制直流推進(jìn)器螺旋槳轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的功能,最終實(shí)現(xiàn)控制卵苗采集平臺(tái)推進(jìn)航行的效果。5)三相逆變器。將蓄電池的直流電逆變?yōu)榻涣麟姷霓D(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)換成交流電后可以為卵苗采集器供電。6)卵苗采集器。采用真空罐形式或蝸殼泵形式在管路中形成負(fù)壓,吸魚管路連接吸魚裝置結(jié)構(gòu),由于管路及吸魚裝置為負(fù)壓狀態(tài),因此水域中的魚水卵苗混合物會(huì)經(jīng)吸魚裝置、吸魚管路吸入真空管或蝸殼泵中,達(dá)到無損吸魚、吸卵苗的效果,再經(jīng)過分離管路到魚水分離裝置的篩選機(jī)構(gòu)中,對(duì)魚水混合物進(jìn)行物理分離,實(shí)現(xiàn)采集卵苗的功能。

        2 基于光伏和鋰電池的卵苗采集平臺(tái)供電系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

        該供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)和新能源鋰電池進(jìn)行管理的功能,同時(shí)可以對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行管理。

        2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        該光伏發(fā)電系統(tǒng)由柔性光伏板的電纜接頭(如圖2所示)采用電纜接頭的形式(如圖3所示)進(jìn)行連接后接到MPPT光伏控制板。光伏板的連接形式靈活多樣,需要根據(jù)實(shí)際設(shè)備需求與MPPT進(jìn)行匹配。

        圖2 柔性光伏板外形

        圖3 光伏板連接示意圖

        該柔性光伏板由前膜、封裝EVA、光伏電池片、導(dǎo)電膜和背膜組成,具有質(zhì)量輕、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

        柔性光伏板在不同輻照度下的電流電壓曲線如圖4所示。由圖4可知,輻照度強(qiáng)度越強(qiáng),其光伏板發(fā)出的電流和電壓的乘積(即輸出電功率)就越大。在電壓相同的情況下,光伏板輸出的電流越大。

        圖4 不同輻照度下的I-V曲線圖

        柔性光伏板在不同的溫度下的電流、電壓曲線如圖5所示。由圖5可知,在正常工作范圍下,溫度越低,其光伏板發(fā)出的電流和電壓的乘積(即輸出電功率)就越大[2]。在電流相同的情況下,光伏板輸出的電壓越大。

        圖5 不同工作溫度下的I-V曲線

        MPPT太陽能控制板使用DC/DC變換電路,太陽能光伏板陣列通過DC/DC電路與負(fù)載連接,最大功率追蹤單元不斷檢測(cè)太陽能光伏板陣列的電流、電壓,并根據(jù)其電流、電壓的變化對(duì)DC/DC變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。MPPT太陽能控制器會(huì)實(shí)時(shí)追蹤太陽能板中的最大功率點(diǎn),從而發(fā)揮太陽能板的最大功效。

        2.2 供電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        光伏經(jīng)過串聯(lián)升壓后通過MPPT控制板對(duì)電壓和電流進(jìn)行整定,輸出滿足鋰電池充電要求的電壓和電流,將MPPT的正負(fù)極接到供電管理系統(tǒng)上,如圖6所示。該供電管理系統(tǒng)的核心是PLC處理單元,通過PLC完成數(shù)據(jù)采集、程序處理以及發(fā)送動(dòng)作命令的任務(wù),PLC采集上述各接觸器(KM1~KM5)的狀態(tài)信息,同時(shí)通過CAN/MODBUS通信的形式獲取光伏系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和新能源鋰電池組的狀態(tài)參數(shù),通過程序分析來完成相應(yīng)動(dòng)作。

        圖6 電源管理系統(tǒng)典型硬件邏輯圖

        2.3 系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

        該系統(tǒng)的鋰電池類型為磷酸鐵鋰電池,基于其電池特性,如果對(duì)其進(jìn)行浮充操作,就會(huì)影響電池壽命,該供電管理系統(tǒng)結(jié)合電池特性設(shè)置相應(yīng)的控制邏輯方法(供電管理系統(tǒng)控制邏輯見表1)。設(shè)電池電壓為V,為了保護(hù)蓄電池系統(tǒng),設(shè)置電池正常工作電壓范圍為V1~V2(V1為正常工作極限最小電壓;V2為正常工作極限最大電壓)。設(shè)V1<V3<V2,當(dāng)V3≤V<V2時(shí),電池可以同時(shí)進(jìn)行充電和放電,且對(duì)電池性能影響不大,即V3為電池充放電允許電壓(I(BE)為電池組電流報(bào)警值;I(E)為外供用電設(shè)備設(shè)置報(bào)警值)。

        表1 供電管理系統(tǒng)控制邏輯圖表

        當(dāng)電池電壓V≥V2時(shí),此時(shí)只能放電,不能充電,電源管理系統(tǒng)為放電模式,此時(shí)電源管理系統(tǒng)程序控制KM2斷開,KM1、KM5接通;如果電源管理系統(tǒng)在T1s(可以設(shè)置為15 s)內(nèi)沒有成功自動(dòng)切換為放電模式,那么電源管理系統(tǒng)程序強(qiáng)制斷開KM2,保證電池不會(huì)出現(xiàn)過充的情況,以保護(hù)電池。

        當(dāng)電池電壓V≤V1時(shí),為了保護(hù)電池(避免過度放電),只能充電,不能放電,電源管理系統(tǒng)為充電模式,此時(shí)電源管理系統(tǒng)程序控制KM2,KM5接通,KM1斷開;如果電源管理系統(tǒng)在T2s(可以設(shè)置為15 s)內(nèi)沒有成功自動(dòng)切換為充電模式,那么電源管理系統(tǒng)程序強(qiáng)制斷開KM1,保證電池不會(huì)出現(xiàn)過放電的情況,以保護(hù)電池。

        當(dāng)開始電池電壓V≤V1時(shí),電源管理系統(tǒng)為充電模式,鎖定KM2,KM5接通,鎖定KM1斷開。光伏系統(tǒng)經(jīng)MPPT為電池充電,當(dāng)電池電壓V≥V3時(shí),電池管理系統(tǒng)程序解除KM1的鎖定,此時(shí)電池允許放電,這樣可以防止出現(xiàn)充電時(shí)間過短就進(jìn)入放電狀態(tài)的情況,電池電壓不會(huì)一直處于較低的狀態(tài),更有利于保護(hù)電池。

        當(dāng)白天且電池電壓V≥V2時(shí),蓄電池充電繼電器斷開,KM1、KM5接通,KM2斷開。此時(shí)電池只能為放電模式。蓄電池放的電同時(shí)送入推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元和為卵苗采集器供電的逆變器中。

        當(dāng)集魚平臺(tái)和卵苗采集器持續(xù)耗電且電池電壓V3≤V<V2時(shí),KM1、KM2和KM5都接通,光伏板通過MPPT整定發(fā)出的電接到電池管理系統(tǒng)中,由于KM1和KM2都接通,因此光伏發(fā)出的電從KM2經(jīng)公共點(diǎn)再經(jīng)KM1輸出到推進(jìn)單元和為卵苗采集器供電的逆變器的回路中。此時(shí)用電設(shè)備(包括推進(jìn)單元和卵苗采集器)的電源一部分來自光伏系統(tǒng),另一部分來自電池,由于光伏系統(tǒng)分擔(dān)了原本由電池為用電設(shè)備供電的任務(wù),因此電池放電速率降低。當(dāng)用電設(shè)備供電輸出回路的電流檢測(cè)傳感器檢測(cè)到電流I(OUT)≥I1持續(xù)5 s(可以設(shè)置為1 A)時(shí),那么判定用電設(shè)備持續(xù)耗電,保持KM1、KM2和KM5接通的控制狀態(tài);當(dāng)持續(xù)檢測(cè)5 s電流I(OUT)<I1時(shí),就可判定用電設(shè)備沒有接入運(yùn)行,此時(shí)KM1、KM5都接通,KM2斷開。保證該狀態(tài)只有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下光伏系統(tǒng)才協(xié)同對(duì)外供電,不單獨(dú)為電池充電。

        當(dāng)用電設(shè)備持續(xù)耗電(電池電量減少)且電池電壓持續(xù)降至V1<V<V3時(shí),電池管理系統(tǒng)的充電和放電可以分時(shí)段進(jìn)行。當(dāng)推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元及卵苗采集器運(yùn)行時(shí),光伏系統(tǒng)和電池同時(shí)為驅(qū)動(dòng)單元和卵苗采集器供電,用電設(shè)備供電輸出回路的電流檢測(cè)傳感器檢測(cè)到電流I(OUT)持續(xù)5 s電流I(OUT)≥I1(可以設(shè)置為1A),電池管理系統(tǒng)為放電模式,此時(shí)KM1、KM2和KM5接通;當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元和卵苗采集器沒有運(yùn)行時(shí),持續(xù)檢測(cè)5 s電流I(OUT)≤I1,就為充電模式,光伏系統(tǒng)給電池進(jìn)行充電,KM1斷開,KM2和KM5閉合,此時(shí)光伏系統(tǒng)可以給電池補(bǔ)電。

        當(dāng)電池持續(xù)對(duì)外供電(即電池電壓V≤V1)時(shí),電池管理系統(tǒng)只能為充電模式,電池?zé)o法對(duì)外放電,此時(shí)KM1斷開,KM2和KM5閉合,在航行過程中只能通過光伏系統(tǒng)為蓄電池充電;當(dāng)靠岸后通過電池充電器連接電源管理系統(tǒng)時(shí),通過通信應(yīng)答系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池充電器,此時(shí)采用系統(tǒng)程序控制KM3閉合,可以持續(xù)為電池充電。

        當(dāng)外供用電設(shè)備總電流I(OUT)≥I(E)時(shí),系統(tǒng)判定外供用電過載,執(zhí)行斷開KM1的動(dòng)作,及時(shí)保護(hù)整個(gè)電源系統(tǒng),同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

        當(dāng)電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池組電流I(B)≥I(BE)時(shí),系統(tǒng)判定電池電流過大,執(zhí)行斷開KM4的操作,及時(shí)保護(hù)整個(gè)電源系統(tǒng),同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

        當(dāng)電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池組溫度T(B)≥T(E)時(shí),系統(tǒng)判定電池溫度過高,執(zhí)行斷開KM4的操作,及時(shí)保護(hù)整個(gè)電源系統(tǒng),同時(shí)發(fā)出報(bào)警。

        KM4為總回路控制,當(dāng)KM4閉合時(shí),電池系統(tǒng)各部分可以正??刂茍?zhí)行;當(dāng)KM4斷開時(shí),充放電過程全部不能執(zhí)行。

        在不同狀態(tài)以及設(shè)備工況下,供電管理系統(tǒng)通過采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,由PLC輸出控制命令,以控制接觸器動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)不同工況下供電管理系統(tǒng)不同的控制狀態(tài)[3]。

        3 結(jié)語

        該供電管理系統(tǒng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)作為電能補(bǔ)充裝置,結(jié)合新能源鋰電池的充/放電特性,由供電管理系統(tǒng)內(nèi)的PLC控制單元接收相關(guān)檢測(cè)元件的參數(shù),根據(jù)程序進(jìn)行分析,制定相應(yīng)的控制策略,達(dá)到在卵苗采集平臺(tái)在各種工況下智能供電管理的目的。

        供電管理系統(tǒng)獲取當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)多個(gè)電壓和電流參數(shù),電壓電流參數(shù)包括電池電壓狀態(tài)、輸出總電流狀態(tài),根據(jù)檢測(cè)的電池電壓和外供用電設(shè)備總電流的相關(guān)參數(shù)序列確定電源系統(tǒng)常規(guī)控制策略,從而控制該供電管理系統(tǒng)內(nèi)的接觸器通/斷,實(shí)現(xiàn)光伏充電和鋰電池充/放電管理的功能。同時(shí),當(dāng)電池電流狀態(tài)或電池溫度狀態(tài)為報(bào)警異常狀態(tài)時(shí),執(zhí)行電源控制系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作策略。

        通過供電管理系統(tǒng)對(duì)新能源蓄電池組和光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合智能管理,達(dá)到電池電能充/放電最佳運(yùn)行狀態(tài)以及整個(gè)電源系統(tǒng)持久續(xù)航的效果。

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