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。