漁光互補跟蹤系統穩定性研究

韓學棟　寇娟

摘要：漁光互補是將高效淡水漁業與光伏發電相結合，通過結合太陽能發電和現代養殖業，把太陽能光伏系統架設在魚塘之上直接低成本發電，不額外占用土地，形成“上面發電、下面養殖、科學開發、綜合利用”的漁光互補建設模式，充分最大化利用空間資源發展新能源。

漁光互補項目讓農業和新能源產業同步發展，農業資源的主題開發，深度開發與科學開發相結合，集水產養殖、可研示范、生態休閑、旅游觀光于一體的特色漁業產業園、綜合示范基地、情節能源生產示范基地、工業旅游與觀光農業示范基地。漁光互補是新能源項目應用的發展方向，是綜合利用土地和提高土地附加值的創新模式，其產生的漁業和光伏發電的雙重經濟效益，既有益補充了當地經濟發展的電力需要，又增加了地方財政稅收，是傳統漁業邁向高校漁業的代表。而跟蹤系統的穩定性一直是困擾業界的一大難題。此次研究項目提供了一種高可靠性設計的跟蹤系統。

關鍵詞：漁光互補；跟蹤系統

1 控制系統的穩定性

1.1 系統冗余設計總體介紹

系統采用雙MCU控制、第三方MCU監控、雙開關電源供電、雙傳感器、雙電機等冗余結構，在保證單路穩定的情況下又做了關鍵線路及零部件的備份，系統在運行過程中，當任一路發異常都會不需認為干涉并自動切換至備份系統、并將報警信息上傳至中控室，以保證系統可靠運行，達到系統永不停機。

由于系統做了4處冗余備份， 假如單MCU的線路可靠性為R1，單電源的線路可靠性為R2，單傳感器線路可靠性為R3，單電機線路可靠性為R4，其它線路可靠性為R5，備份前的系統可靠性為RF，備份后系統的可靠性為RB，則RF=R1 X R2 X R3 X R4 X R5RB=（1（1R1）X（1R2）X（1R3）X（1R4））X R5從公式可知RB遠大于RF，系統可靠性大幅度提高。

1.2 詳細設計介紹

1.2.1 主控制架構

控制架構主要采用三片MCU來完成，其中MCU3負責主從切換。上電后默認MCU1作為主系統運行，MCU2作為備份MCU，主從MCU也可以通過外部header來選擇，方便調試，正常工作時MCU1 MCU2同時給MCU3發出喂狗信號，如果MCU3接受不到喂狗信號，則切換MCU的控制權，同時復位有問題的MCU，如果復位不成功，則上傳報警信號至監控室。

1.2.2 電源設計

系統采用雙電源設計，當其中一方電源異常時則自動切換另一電源并報警輸出。

對于直流系統控制箱可以選用1000VDC與170VAC500VAC（范圍內任何電源輸入），平時運行采用交流供電，當交流電異常則自動切換直流供電。交流系統控制箱采用380VAC500VAC內任意電壓供電，系統雙電源設置。

為保證關鍵零部件開關電源模塊的穩定性，開關電源采用國內知名公司針對光伏行業開發的高性能電源模塊，起勁最長項目電源使用時間超過5年，正常運行后的故障率基本為0，電源開發專門用于戶外高低溫，高原等環境，系統電源設計通過浪涌測試標準IED6100045測試，及IEC612152005 10.3的絕緣測試標準如下圖：電源出廠100%老化檢測及兩次的功能檢測。

1.2.3 雙傳感器工作

當一個傳感器失效自動切換備份并報警通知中控室系統采用雙傳感器工作，傳感器采用數據傳輸模式，系統根據ID自動識別傳感器，平時雙傳感器同時工作，當工作正常時取主傳感器數值，當發生異常時則自動切換備份傳感器，并報警輸出。

1.2.4 雙電機工作模式

系統采用雙電機工作模式，采用奇偶電機自動選擇運行，保證每臺電機壽命的同時，時時判斷電機是否正常，一旦發現不正常自動切換到另一臺工作并報警。

1.3 PCBA

作為系統核心的PCB貼片板，我們對PCB板的品質要求也是極其的高。首先采用高精度儀器具有UL認證的廠商制板，板子嚴格采用三防漆噴涂，厚度不低于0.35MM，符合IEC6100064EMC測試標準。

1.4 通訊穩定性控制

1.4.1 核心芯片

通訊系統采用的是行業內通用的RS485 標準，為保證通訊的抗干擾能力，系統采用加強絕緣架構，所用線纜采用雙層屏蔽并內芯采用鍍錫處理，可以大大增加防止氧化效果，保證通訊質量。核心芯片采用MAX14782，

該芯片具有很高的靜電防護等級及短路輸出保護 熱插拔功能雙電壓兼容高傳輸速率等特性，在系統設計中又增加了TVS及氣體放電管設計，通訊線路通過標準IEC6100044電快速瞬變脈沖群抗干擾度測試及IEC6100045浪涌抗擾度測試。

1.4.2 通訊線纜

線纜的選取對實際運行的穩定性起到了很大的作用。為保證通訊的抗干擾能力，系統采用加強絕緣架構，所用線纜采用雙層屏蔽并內芯采用鍍錫處理，可以大大增加防止氧化效果，保證通訊質量。

例：線纜型號為KLZRDJYJVPR22。

1.5 控制系統箱體

對于控制系統很重要的最外一層的保護殼，我們對其的密封材料的選擇進行了改進和優化，密封很重要的一層就是密封條，密封條的好壞直接影響了防水效果和使用壽命，密封條使用的品牌為德國RAMPF公司的3232508，主要參數如下：

產品符合UL50.設計壓縮高度為40%，根據箱體我們的設計高度為8MM 如下圖：

對于箱體材料我們選用的是SECC材料，噴涂采用的是業界知名的阿克蘇粉，型號K4825AH，戶外專用粉，且對噴涂的厚度達到100UM。

在保證了箱體的密封和防水測試后，對海運 運輸方面也做了全面的防潮方法，比如整個棧板箱體會抽真空處理。

箱體的包裝采用7層板設計，里面珍珠棉的設計密度達到0.028g/cm3.箱體在設計層面保證了完全可以使用戶外潮濕環境。

系統在防護等級方面通過了以下測試：

（1）防塵測試。氣流速度大于10M/s 粉塵濃度：24KG/M3

依據IEC 605292001 13.4第一特征數字5和6的灰塵測試：通過低壓的方法，將測試目標抽入機殼，在機殼中用不超過60體積每小時的抽速使80倍體積的機殼有一體積的空氣。負壓表不能顯示超過2千帕；若每小時可以獲得40到60體積的抽速，則測試持續時間為2小時。制定測試方案如下：

a.將被測控制箱放置于沙塵室中部，向機殼內部插入真空泵的連接氣管并確保連接端口密封；

b.設置沙塵試驗箱的運行總時間為2小時，連續運行10分鐘振動5秒；連續吹塵20分鐘間隔2分鐘；

c.選定吹塵、振動及真空泵功能，開啟設備運行；

d.調節玻璃球流量計，負壓表維持在2千帕以下。

（2）防水測試。IPX6：噴嘴內徑12.5MM，水流量100±5L/min，系統通過IPX6測試并功能檢測正常。

（3）震動試驗。為保證在運輸過程中對控制單元損傷，包裝通過15g加速度沖擊試驗，單元模塊本身符合IEC62817標準：

依據9.2.9.2嚴格性等級

加速度大小：15G

沖擊類型：halfsine

沖擊持續時間：11ms

沖擊頻率：1S

沖擊次數：18（6X3）

且箱體內部導軌全部采用德國原裝進口，提高防震能力。其它設計保證：

a）為保證接地良好，壁掛件及螺絲全部采用采用不銹鋼材料連接。

b）為保證戶外使用的穩定性，采用最大40KA的專用防雷設計。

c）對于開關電源部件，為適應行業需要定制開發，在電網適應能力、過流保護、浪涌吸收能力、耐高壓、高溫下降容性等方面均遠高于普通開關電源。

d）控制單元為防止陽光直射，為單元增加了防護罩，避免了太陽的直射及雨水的直接沖淋，增加了防水單元的壽命。

2 傳動部件的穩定性

2.1 電機及驅動裝置的外殼

作為核心部件電機在高濕環境中由于溫差速變可能會產生凝露現象（白天溫度比較高，夜晚溫度降到接近零點甚至以下），根據系統工作特性，每次運行時間在幾十秒左右很短暫，電機發熱量不大，電機內部封閉的又濕度的空氣可能會產品凝露現象，一旦凝露滴落到換向器上，則會導致換向器的氧化，發熱嚴重，時間長了導致電機失效，無力輸出。在設計時對電機的IP等級要求為IP55以上，符合雙85試驗要求。機械外殼為防止溫差及濕度大產生的生銹問題，電機外殼采用噴塑工藝，且塑粉厚度及要求為戶外專用粉，對噴塑的附著力提出更高要求：依照標準GBT92861998

ISO等級：1=ASTM等級4B

在切口的相交處有小片剝落，劃格區內實際破損≤5%

在抗紫外線方面在外殼的防護上直流電機再次增加了一層帶膠熱縮管（此為專用護衛防紫外設計）和電機專用防護罩（避免太陽直射和雨水直淋），保證電機性能達到最優，壽命最長。

2.2 關于有刷電機的碳刷壽命

根據系統運行特性，以系統運行±45°，跟蹤精度2°為例，電機一天中啟動運行的次數為90次，共運行角度為180°（包含夜飯，逆跟蹤），一天中運行時間為0.375小時（22.5分鐘），一天中只有22.5分鐘在運行，一個月運行時間為11.25小時在運行，20年的運行時間為2700小時，相當于3.75年運行，對碳刷的磨損程度僅僅相當于電機持續運行的3個多月磨損使用壽命，當然這其中會有一個啟動損害，為減小系統啟動電流過大引起電機壽命及結構件壽命降低，系統采用爬坡啟動，使系統的啟動電流降低為原來的1[]3，如下圖為滿載運行啟動爬坡前后對比圖。

為進一步增加碳刷的使用壽命，碳刷的生產工藝中增加納米有機硅碳刷專用油浸泡，以降低碳刷和換向器之間的摩擦，降低碳刷的磨損程度，增加使用壽命。電機的絕緣等級提高至F級（155°），以適應在高溫環境下的運行壽命。且我們所選用碳刷的壽命為3000h，我們20年的總運行時間為2700h， 從設計上可以滿足20年的使用要求。

3 控制系統的保護機制

3.1對傳動系統的保護

系統保護采用三級保護，一級軟件保護（軟限位保護），二級硬保護（采用限位開關硬保護） 三級機械保護（結合軟件過流保護保證電機安全運行），以上三級保護能強有力的保證系統機械不會受到大的沖擊。

由于交流電機極易因為欠壓相不平衡缺相等導致過流損壞，系統針對交流系統增加了過欠壓 相不平衡 缺相保護等機制，有效的保證了電機損壞率。

3.2 云監控保護

增加云監控對系統進行時時監控，無論系統在任何地方，均可以在第一時間發現異常，協助客戶分析異常原因，保證系統正常運行。

3.3 控制系統對電機的保護

除去對電機本身的壽命提出要求外，為防止不當使用，對其進行了如下保護：

（1）為防止機械結構件在安裝過程中安裝不到位或是摩擦過大導致正常運行電流大，降低控制系統的使用壽命，控制單元對電機運行電流進行時時預警，現場工程師可根據電流大小對現場的機械安裝進行評估，是否有安裝不到位現象。一旦電流超過額定電流的1.2倍小于1.8倍時，將對電機進行重啟5次預警保護，一旦系統重啟5次電流仍超過則進入永久保護狀態并報警，如果系統一次超過額定電流的3倍時（力矩三倍狀態），則立即進入保護狀態永不啟動并報警輸出。

（2）對于感應電機，影響電機壽命的因素包含：電機外殼的耐腐蝕性，密封性（采用IP55以上等級，不采用風扇，風扇的壽命低，密封性差，防止進風沙），低壓發熱損壞，過壓發熱損壞，缺相發熱損壞，相不平衡發熱損壞等，進行了如下保護。

（3）電機的外殼采用噴塑處理以提高耐腐蝕性。

（4）由于風扇的壽命低，且密封性不好問題，采用無風扇處理使電機達到IP55等級，由于系統對的使用特性，系統發熱對系統的影響不大，所以采用相對密封性好的外殼更合適。

（5）由于電機低壓及過壓使用極易發熱導致損壞（增加熱量計算，銅線圈的比熱容溫升和時間 5S得關系），所以在控制中增加了欠壓保護，當電壓低于或高于電機要求電壓時即時保護。

（6）電機缺相情況下發熱短時間就會壞掉電機，系統增加了硬件缺相保護及軟件缺相判斷保護雙重保護機制，以保證系統在缺相狀態下及時有效保護。

（7）由于現場供電可能會存在相不平衡，系統運行于此情況下，會異常發熱，電機溫升增加，導致電機損壞并影響壽命。系統有硬件相序不平衡保護及軟件相序不平衡判斷保護雙重保護保證系統處于合格電網運行范圍之內。

4 生產檢驗保證品質輸出

作為一個“產品”來說，生產的品質保證為工作重中之中。在產品的最后一個也是最重要的環節中，我們采用了自主研發的檢測臺對控制系統進行全面功能檢驗。主要生產環節如下：

（1）來料檢驗。實行全檢模式：當檢驗合格率達到99.9%以上者，延續三次則實行免檢，當合格率達到93%時，進行全檢。低于93%時，則更換供應商，當供應商出現合格率低于80%甚至以下時，則永久不再啟用。

對于關鍵零部件均進行功能檢驗，例如：

箱體的防水測試，電子部件的功能檢驗等。

（2）功能檢驗。此項環節是保證接線正確與否的關鍵檢測，公司自主研發的全功能檢測臺，可以概括了系統基本全部的功能項目（包含硬件及軟件功能測試）。如有不通過則不能進行下一步，為防止人為出錯，系統全部采用二維碼掃描檢測，當有不合格出現時則無法進行下一步測試。

（3）老化測試。

（4）老化測試完成后進行功能全檢。

（5）針對不對項目地，進行不同的包裝設計并做不同級別的震動測試。

5 結語

綜上所述，跟蹤系統的穩定性包含各個環節的管控，研發產品階段就要保證整個系統的設計穩定性（包含硬件的開發，軟件的穩定），生產品質保證（組裝生產及檢測），運輸過程中的保證（包裝設計等），運維監控等環節，哪個環節都是必不可缺，且都要做到全面。

項目：中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司科技項目資助（合同號：SW2016162）

作者簡介：韓學棟（1987），男，山東菏澤人，從事新能源發電工程咨詢設計工作；

寇娟（1981），女，河北石家莊人，研究領域：太陽能跟蹤。