野戰方艙智能電源系統設計研究

摘 要：為了更好地促進軍民融合式后勤保障體系，以民間科技手段不斷改進部隊保障裝備，針對野戰方艙供電系統的難題，提出利用風能、太陽能兩種最方便、無污染、無噪音的綠色再生資源。提出的野戰方艙智能電源系統設計方案，很好地綜合了風力發電和太陽能發電的優缺點，可以為野戰方艙提供連續、可靠的電力供應，系統維護量少、使用方便，能夠解決野戰方艙的各種用電需求，確保野戰方艙正常運轉。

關鍵詞：野戰方艙; 軍民融合式后勤保障體系; 智能電源; 風光互補

中圖分類號：TN8634 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09018103

收稿日期：201201060 引 言

近期民技軍用式后勤保障體系的提出，要求以最優、最大限度的民間科技手段不斷改進部隊保障裝備。所謂“民技軍用”，是將相對成熟的民用高新技術成果經過適應性開發研究，移植于武器裝備研制和國防科研生產的一種工程技術開發活動，這對于充分利用社會資源、逐步建立適應武器裝備建設需要和市場經濟發展要求的軍品市場監管體系，具有重要的現實意義。隨著科學技術的不斷進步、裝備的日益復雜化以及戰爭條件的日趨嚴酷，對后勤保障起關鍵作用的野戰方艙的性能要求也越來越高，野戰方艙不僅要具有較強的環境適應能力，較高的電磁屏蔽性能，還應具有穩定、方便、可靠的電源系統［12］。

我國可再生能源的儲備十分豐富，其中以太陽能和風能尤為突出。風能和太陽能具有天然的互補性:白天日照強，太陽能豐富；晚上風多，風能充足。夏日和冬日風能和太陽能也有很好的互補效果，風力太陽能互補系統的特點使它能成為持續穩定供電的電源［34］。由于野戰方艙的工作地區基本沒有電力供應，本文設計的風光互補智能投切電網系統可以作為獨立的電源系統應用于野戰方艙中，因此具有相當大的優勢。它不但能達到大量節能的目標，并且安裝程序大大簡化，應用和維護都方便許多，能夠滿足后勤保障快速穩定的供電要求。

1 軍民融合式后勤保障體系

軍民融合式后勤保障體系既以科學發展觀為指導，以使命任務為牽引，以提高遂行多樣化軍事任務綜合保障能力為目標，客觀上要求必須摒棄傳統的思想框架，把戰區軍民融合式后勤保障體系發展目標定位于“應對多種安全威脅，支援保障遂行多樣化軍事任務”上，統籌各項能力建設，提升整體保障功能［5］。

軍民融合式后勤保障體系提出的加強后勤核心保障能力建設，要求保障軍隊遂行作戰任務應具備的綜合能力，其中包括戰爭方式的軍事行動和非戰爭方式的軍事行動，這就要求從優化保障體制、改進保障裝備、提高指揮自動化建設水平等方面入手，以提高保障效益，增強保障能力。

2 野戰方艙

野戰方艙在后勤核心能力保障建設中發揮著極其重要的作用，主要包括方艙醫院，方艙指揮中心，方艙廚房等［6］。目前我國野戰方艙的電源系統主要是利用電站方艙或發電掛車發電的方式供電，該供電方式供電系統鋪設范圍大、噪聲大，而且油耗量大，需要頻繁加油，這些缺點限制了野戰方艙更好的應用［79］。本文提出的風光互補智能投切電網系統主要采用風光互補的供電方式，只有在極少數情況下使用發電機組供電，并且克服了有光沒有風，有風沒有光的情況，能夠確保在任何復雜條件下都能保證野戰方艙的正常穩定供電。

3 野戰方艙風光互補智能投切電網系統總體設計

3.1 系統構成介紹

野戰方艙風光互補智能投切電網系統由四大部分組成：

(1) 太陽能發電系統

太陽能發電系統主要采用太陽能帳篷的方式，代替傳統的太陽能電池板，太陽能帳篷即在野戰方艙的外壁涂上一層太陽電池材料制成的薄膜，并且太陽電池表面設有一層透明防護層，有效保護薄膜太陽電池不易劃傷。光伏陣列將太陽能通過光生伏打效應轉換成直流電，通過變換器為各部分負載供電［10］。其主要作用是有陽光的情況下，向野戰方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。太陽能發電部分原理框圖如圖1所示。

圖1中，太陽電池方陣的支路通過二極管、充電控制器并聯向蓄電池和負載供電。其中充電控制器采用增量控制太陽電池方陣對蓄電池的充電過程，當蓄電池組的充電電壓到達設定的最高充電電壓時，自動依次切斷一個或數個方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續增長，確保蓄電池的壽命，并最大限度地利用和儲存太陽電池發出的電能。

(2) 風力發電系統

風力發電系統的風輪通過可折疊的支架安裝在野戰方艙頂部，使用時打開支架現場安裝風輪，并調節風輪的方向，不影響野戰方艙的運輸。風輪將風能通過空氣動力學原理轉換成機械能，驅動永磁同步發電機發出與風速成一定關系的交流電，經整流變成直流電，并經過變換器為各部分負載供電。風力發電機的設計功率可根據野戰方艙供電容量的實際需要進行調整。其主要作用是有風情況下，向野戰方艙提供電力，并將多余電能儲存在蓄電池里。

(3) 蓄電池系統

蓄電池系統主要由鉛酸蓄電池組組成，其主要作用是平時將多余的風電或光電儲存，在即無風，又無光的情況下，向野戰方艙提供電力。由于野戰方艙的工作環境比較復雜，且存在一定的不確定性，因此在本系統中選用了抗高低溫特性好的蓄電池，同時選配的蓄電池組除具有儲能的功能外，還具有一定的穩壓功能。

(4) 柴油機組供電部分

當連續多日無太陽、無風且蓄電池系統儲存的電能已經無法繼續支持負載的正常工作時，可啟動備用柴油機組供電部分為負載供電。該系統利用原有的野戰方艙的柴油機組供電部分，未作功能性改動。

3.2 系統基本原理

本文設計的風光互補供電系統包括風力發電機、太陽能電池組件陣列、AC整流濾波模塊、電壓調節控制器、逆變器、旁路切換單元、蓄電池組及輸入/輸出配電等。其供電原理如下：

(1) 白天：太陽能電池組件產生的直流電流與風力發電機組發出的交流電經整流后，其中一部分通過電壓調節控制器、主控制單元及逆變器轉化為交流電供負載使用，另一部分對蓄電池進行充電，當陽光或風能不足時，蓄電池的電能通過逆變器轉化為交流電供交流負載使用。供電系統充分利用了太陽能資源和風力資源并使這兩種資源相互補充，有效利用。

(2) 夜間：夜間光伏陣列無功率輸出，此時采用風力發電機組和蓄電池組共同供電的模式。系統自動檢測分析負載功率的大小，而采用風力發電經逆變器供電和蓄電池經逆變器供電，即ACDCAC和PVDCAC，兩種模式復合供電，系統根據風力發電系統的發電功率來確定兩者供電的比例，此模式能夠充分利用風力發電系統發電，比常規的風力發電系統中風機的利用率提高10%~20%。

風光互補智能投切電網供電系統的系統結構圖如圖2所示。

另外，本系統利用電壓調節控制器，控制DC母線電壓、檢測分析負載功率，AC整流功率，光伏陣列功率及風機發電功率等來調節供電方式，此種控制模式精確度高，系統穩定性強，運行效果良好。同時，系統關鍵設備都設有過載、過壓、限流、短路、防反、防雷和接地等各種保護功能和措施，大大提高了系統運行的安全性。

4 系統對控制及主電路結構的保護

4.1 正弦波逆變器主電路拓樸結構和驅動電路

正弦波逆變器的作用是把兩個發電系統產生的電能轉換成同頻同相的正弦波交流電，兩者之間的能量的傳遞，可以有多種方法和形式。本設計采用可調度式并網逆變器，將太陽能電池組件產生的直流電能和風力發電組件產生的交流電能進行逆變輸送給負載，然后根據負載的需要進行調節，從而提高電能的使用率。本系統設計為一個具有三級變換的系統。功率輸入一級是將組件輸出電壓變換成逆變輸入電壓。中間級包括一個DCAC逆變環節，功率器件采用MOSFET，工作頻率為50 kHz。逆變輸出的電壓直接向負載供電且為蓄電池充電，該級的變換效率可達到80%。

功率輸出級仍然為一個DCAC逆變器，該逆變器具有兩種運行模式，當太陽能組件或者風力發電組件正常發電時優先向負載供電，剩余電能向蓄電池充電。當沒有風時，太陽能組件獨立供電，當沒有陽光時，風力發電系統作為獨立供電系統為負載提供電能。兩種工作方式的切換由一個開關控制。

4.2 大容量正弦波逆變和保護技術

SPWM正弦脈寬調制波形產生電路是整個系統設計的一個關鍵環節，尤其是其開關頻率fs的高低對輸出波形失真度和輸出正弦化濾波器影響較大。本系統采用SPWM波形產生專用芯片輸出單相50 Hz正弦脈寬調制脈沖，倒相后形成兩路相位相反的脈沖，去控制逆變全橋的四個功率器件導通和截止，將SPWM信號進行功率放大。由于半導體功率器件(GTR，MOSFET，IGBT等)工作在前后沿陡峭的開關狀態，可使其自身功耗大大減小，從而提高逆變器整機的轉換效率，所以大功率逆變器均采用SPWM正弦脈寬調制信號。在本系統中，為了能夠使得并網電流和電壓嚴格保持同頻和同相(在補償無功功率時，需要有一定的相位差)，使用先進的頻率鎖相環技術，從而有效地將各種可再生能源轉化同頻同相的交流電流饋送給負載，達到建立分布式供電系統的目的。

為了防止逆變器輸出過載產生大電流而燒壞功率開關器件，本系統設計有直流過流、交流過流、過熱、欠壓等多種保護電路，一旦出現故障，首先通過硬件保護電路快速封鎖所有驅動信號的輸出；同時通過軟件在中斷程序中也封鎖所有驅動信號，并顯示錯誤信息。當故障排除后，手動復位，系統才能重新啟動。

4.3 計算機智能監控和多路模擬參量數據采集、存儲和處理技術 為了對風光互補智能發電系統的運行狀況和故障狀況進行詳細的分析，在可調度式風光互補并網發電系統中，還需要根據負荷的情況，人為或自動決定并網的有功功率和無功功率的大小。這些功能的實現建立在數據采集和監控的基礎之上。為此，開發出基于PC機的光伏并網發電系統的數據采集和監控軟件包。快速采集風力發電機、太陽電池、蓄電池等器件的關鍵工作參數和太陽能輻射量、環境溫度等氣象參數，并且隨時將采集的數據存入裝置內的大容量非易失性數據存儲器，最大容量可存入十年的工作數據。根據需要，還可隨機將記錄的數據打印出來，供設計或使用部門進行系統定量分析及資料存檔，為今后風光互補發電系統更合理的設計提供寶貴的科學依據。同時經常定期分析檢查采集的工作數據，還可及時發現系統各部件的故障或隱患，隨時排除故障或調整設計參數，以保證電源系統穩定可靠工作并有效地延長發電系統的工作壽命。

5 結 論

本文提出了野戰方艙智能電源系統，論述了其系統結構和運行控制策略。風力發電和太陽能發電是清潔的可再生能源，符合全世界發展的方向，風光互補電源系統實現了對自然資源的合理利用，而風光互補的技術方案保證了系統的高可靠性。野戰方艙風光互補智能投切電網不僅在理論上有保證，而且在實際應用中也得到了檢驗。本系統能夠適應野戰方艙工作環境復雜、工作地點不確定、要求快速供電等情況，很好地解決了野戰方艙展開區域廣、供電系統鋪設范圍大的問題，大大提高了軍隊的后勤保障能力，是保障手段科技化的充分體現， 這對于促進軍民融合式后勤保障體系的發展、提高軍隊的核心保障能力方面具有重要的意義。

參 考 文 獻

［1］ 馬強，劉海斌，王江山.軍用方艙的舒適性設計［J］.國防技術基礎，2009(10)：4851.

［2］ 徐新喜.外軍方艙式機動醫院的發展和我軍機動醫療系統裝備的現狀［J］.醫療衛生裝備，1997(4):2123.