风光互补发电系统在地震监测设备中的应用研究

    孔维信+王涤非+于辉+王鹏

    

    

    

    摘 要：文章根据GM4型磁通门磁力仪的电气参数，设计了一套小型风光互补发现系统，并采用最大功率点跟踪技术对风力发电系统和太阳能发电系统进行控制，采用分段充电法和回差电压法对铅蓄电池的充放电进行控制，实践表明，该供电系统可靠性高，运行稳定。

    关键词：GM4型磁通门磁力仪；风光互补；控制策略

    随着国家能源战略结构的调整，新能源的开发利用势在必行。风能、太阳能以其可再生、无污染的特点得到了世界各国的重视，并成为可再生能源领域中开发利用技术最成熟、应用最广泛的新型能源[1]。我国风能、太阳能资源储量丰富，其中风能可开发利用面积达我国国土面积的75%，太阳能可开发利用的面积占国土面积的67%，拥有巨大的开发利用前景和价值。在发电利用方面，风力发电和太阳能发电具有一定的互补性，白天当太阳光照较强时，风力很小，晚上阳光消失时风力加强；在夏季，太阳光照强度大而风力小，冬季太阳光弱而风力大，太阳能和风能在昼夜和季节的互补性使得风光互补发电系统在资源的有效利用上有很好的匹配性。

    地震观测仪器设备的应用对于环境要求较高，多安装于扰动较小的偏远地带，而在我国的许多偏远地区远离电网覆盖，市电的供应不便、投资成本高且维护困难。然而在偏远地区一般蕴含着得天独厚的风能、太阳能资源，因而，充分利用风能和太阳能发电可以解决地震观测设备的供电问题。本设计采用小型风光互补发电系统，为地磁检测台站中GM4型磁通门磁力仪供电。

    1 风光互补供电系统的组成

    由于GM4型磁通门磁力仪采用直流供电，所以供电系统由小型风力发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、稳压器、蓄电池组成。其工作原理是：风能推动小型风力发电机叶片转动，将风能转化为机械能，叶片驱动异步发电机转动，将机械能转化为电能，小型风力发电机输出交流电，通过AC/DC转换器整流成直流电输入到风光互补控制器中；太阳光的光能通过太阳能电池板转化为电能，其产生的直流电通过DC/DC变换器输入到风光互补控制器中[2]，风光互补控制器经过稳压器，将高质量的电能一方面供给GM4型磁通门磁力仪使用，剩余的电能将储存在蓄电池中，待风能和太阳能不足以供给磁通门时，由蓄电池给其提供电能。其结构示意如图1所示。

    2 系统参数设计

    GM4型磁通门磁力仪是由中国地震局地球物理研究所研制的一种连续测量和记录地磁场D，H，Z时间变化的数字化相对记录仪，从2006年开始，已经全面装配于我国各类地磁台站中[3]。其主要电气技术参数如表1所示。

    小型风力发机采用某公司生产的型號为MINI5 300W-12V的发电机，其功率为300 W，输出电压12 V，叶片采用玻璃尼龙纤维复合材料，启动风速为1.5 m/s，切入风俗为2 m/s，最大承受风速为35 m/s。太阳能电池板采用SN-200W型，这是一款单晶硅太阳能电池组件，转换效率17%以上，最大输出电压为18 V，最大输出电流为11.2 A。蓄电池采用两块BG200AH型高性能专用胶体电池，200 AH/块，输出电压为12 V，其工作温度范围较宽，可在﹣40～60 ℃正常工作。风光互补控制器采用SN-WS06K-12V型号的控制器，该控制器采用PWM方式进行控制，可显示欠压、过载、短路等故障，同时可防止太阳能电池板反充、反接，并对电池充放电状态进行实时监控。稳压器采用DSN600AUD自动升降压模块，该模块电压输出范围为1.25～35 V，输出电流为18 mA～3 A，开关频率为400 kHz，负载调整率为±5%，电压调整率为±5%，可高质量地达到所需的稳定电压的要求。

    3 控制策略

    风力发电机的输出受到风速的影响，太阳能电池板电能的转换受到光照强度的影响，而在不同的时间和地域，风速和光照强度并非恒定，其变化也不尽相同，所以风光互补发电也具有不稳定性和不确定性，为了保证风力发电机和太阳能电池板始终工作在最大功率状态，本系统采用最大功率点跟踪控制技术。

    3.1 风力发电系统的控制策略

    根据风能和负载的情况，假定风力发电系统始终工作在最佳尖速比，根据发电机转速推算出风电系统最佳输出功率，将该输出功率作为发电机功率的给定，调节DC/DC变换器的占空比进行阻抗变换，实现最大功率点跟踪[4]。尖速比和最佳功率的计算方法如下：

    其中，ωn（rad/s）为风力发电机的机械转速；R（m）为叶片半径；v（m/s）为来流的线性风速。

    其中，P（W）是启动功率，ρ（kg/m3）是空气密度，s（m2）是扫掠面积；Kp是风轮机的功率系数。

    3.2 太阳能发电系统的控制策略

    太阳能发电系统常用的最大功率点控制方法有扰动观测法、电压跟踪法、功率回授法、电导增量法和间歇扫描法，在比较其优缺点后，最终采用电导增量法。该方法通过比较太阳能电池阵列的瞬时电导变化量的方法实现最大功率点跟踪。当太阳能发电系统工作在最大功率点P时，P=IU成立，该式两端对U求导可得[5]：

    在最大功率点时，dP/dU=0，带入P=IU可得

    电导增量法准确性较高，使太阳能发电系统随环境的变化具有很好的跟踪性。

    3.3 蓄电池充放电控制策略

    蓄电池充电方式可分为恒定电流充电、恒定电压充电和分段式充电3种常用方式。本设计采用分段式充电方式。在开始充电阶段，采用大电流充电，当端电压达到设定值时降低充电电流，采用恒定电压法充电。这种方法避免了过充电现象的发生，减少对于电池寿命的损害。蓄电池的放电控制策略采用回差电压控制法，当蓄电池端电压降低到过放保护电压时，切断负载供电回路，只有端电压再次上升到启动电压时，才允许重新放电[4-6]。

    4 结语

    风能、太阳能作为清洁可再生能源，得到世界各国的重视。风光互补发电系统克服了单独的风力发电和太阳能发电的缺点，具有较高的可靠性和稳定性。本文依据GM4型磁通门为目标载体，设计了一套小型风光互补发电系统，并采用最大功率点跟踪技术对发电系统进行控制，采用分段充电法和回差电压法对蓄电池充放电进行控制，取得了良好的效果。

    [参考文献]

    [1]彭德奇，姚芳.风光互补发电系统研究设计[J].机械与电气，2016（3）：49-52.

    [2]刘江涛，孙德刚.风光互补发发电、蓄电、供电系统研究[J].绿色科技，2016（4）：158-159.

    [3]宋臣田，宋彦云.地震监测仪器大全[M].北京：地震出版社，2008.

    [4]乔琳楠.风光互补发电系统研究[J].中国高新技术企业，2016（21）：85-86.

    [5]汤济泽，王丛玲，房学法.一种基于电导增量的MPPT实现策略[J].电力电子技术，2011（4）：73-75.

    [6]齐志远，王生铁，田桂珍.风光互补发电系统协调控制[J].太阳能学报，2010（5）：654-659.

    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 strategy