風光互補發電系統在地震監測設備中的應用研究

孔維信+王滌非+于輝+王鵬

摘 要：文章根據GM4型磁通門磁力儀的電氣參數，設計了一套小型風光互補發現系統，并采用最大功率點跟蹤技術對風力發電系統和太陽能發電系統進行控制，采用分段充電法和回差電壓法對鉛蓄電池的充放電進行控制，實踐表明，該供電系統可靠性高，運行穩定。

關鍵詞：GM4型磁通門磁力儀；風光互補；控制策略

隨著國家能源戰略結構的調整，新能源的開發利用勢在必行。風能、太陽能以其可再生、無污染的特點得到了世界各國的重視，并成為可再生能源領域中開發利用技術最成熟、應用最廣泛的新型能源[1]。我國風能、太陽能資源儲量豐富，其中風能可開發利用面積達我國國土面積的75%，太陽能可開發利用的面積占國土面積的67%，擁有巨大的開發利用前景和價值。在發電利用方面，風力發電和太陽能發電具有一定的互補性，白天當太陽光照較強時，風力很小，晚上陽光消失時風力加強；在夏季，太陽光照強度大而風力小，冬季太陽光弱而風力大，太陽能和風能在晝夜和季節的互補性使得風光互補發電系統在資源的有效利用上有很好的匹配性。

地震觀測儀器設備的應用對于環境要求較高，多安裝于擾動較小的偏遠地帶，而在我國的許多偏遠地區遠離電網覆蓋，市電的供應不便、投資成本高且維護困難。然而在偏遠地區一般蘊含著得天獨厚的風能、太陽能資源，因而，充分利用風能和太陽能發電可以解決地震觀測設備的供電問題。本設計采用小型風光互補發電系統，為地磁檢測臺站中GM4型磁通門磁力儀供電。

1 風光互補供電系統的組成

由于GM4型磁通門磁力儀采用直流供電，所以供電系統由小型風力發電機、太陽能電池板、風光互補控制器、穩壓器、蓄電池組成。其工作原理是：風能推動小型風力發電機葉片轉動，將風能轉化為機械能，葉片驅動異步發電機轉動，將機械能轉化為電能，小型風力發電機輸出交流電，通過AC/DC轉換器整流成直流電輸入到風光互補控制器中；太陽光的光能通過太陽能電池板轉化為電能，其產生的直流電通過DC/DC變換器輸入到風光互補控制器中[2]，風光互補控制器經過穩壓器，將高質量的電能一方面供給GM4型磁通門磁力儀使用，剩余的電能將儲存在蓄電池中，待風能和太陽能不足以供給磁通門時，由蓄電池給其提供電能。其結構示意如圖1所示。

2 系統參數設計

GM4型磁通門磁力儀是由中國地震局地球物理研究所研制的一種連續測量和記錄地磁場D，H，Z時間變化的數字化相對記錄儀，從2006年開始，已經全面裝配于我國各類地磁臺站中[3]。其主要電氣技術參數如表1所示。

小型風力發機采用某公司生產的型號為MINI5 300W-12V的發電機，其功率為300 W，輸出電壓12 V，葉片采用玻璃尼龍纖維復合材料，啟動風速為1.5 m/s，切入風俗為2 m/s，最大承受風速為35 m/s。太陽能電池板采用SN-200W型，這是一款單晶硅太陽能電池組件，轉換效率17%以上，最大輸出電壓為18 V，最大輸出電流為11.2 A。蓄電池采用兩塊BG200AH型高性能專用膠體電池，200 AH/塊，輸出電壓為12 V，其工作溫度范圍較寬，可在﹣40～60 ℃正常工作。風光互補控制器采用SN-WS06K-12V型號的控制器，該控制器采用PWM方式進行控制，可顯示欠壓、過載、短路等故障，同時可防止太陽能電池板反充、反接，并對電池充放電狀態進行實時監控。穩壓器采用DSN600AUD自動升降壓模塊，該模塊電壓輸出范圍為1.25～35 V，輸出電流為18 mA～3 A，開關頻率為400 kHz，負載調整率為±5%，電壓調整率為±5%，可高質量地達到所需的穩定電壓的要求。

3 控制策略

風力發電機的輸出受到風速的影響，太陽能電池板電能的轉換受到光照強度的影響，而在不同的時間和地域，風速和光照強度并非恒定，其變化也不盡相同，所以風光互補發電也具有不穩定性和不確定性，為了保證風力發電機和太陽能電池板始終工作在最大功率狀態，本系統采用最大功率點跟蹤控制技術。

3.1 風力發電系統的控制策略

根據風能和負載的情況，假定風力發電系統始終工作在最佳尖速比，根據發電機轉速推算出風電系統最佳輸出功率，將該輸出功率作為發電機功率的給定，調節DC/DC變換器的占空比進行阻抗變換，實現最大功率點跟蹤[4]。尖速比和最佳功率的計算方法如下：

其中，ωn（rad/s）為風力發電機的機械轉速；R（m）為葉片半徑；v（m/s）為來流的線性風速。

其中，P（W）是啟動功率，ρ（kg/m3）是空氣密度，s（m2）是掃掠面積；Kp是風輪機的功率系數。

3.2 太陽能發電系統的控制策略

太陽能發電系統常用的最大功率點控制方法有擾動觀測法、電壓跟蹤法、功率回授法、電導增量法和間歇掃描法，在比較其優缺點后，最終采用電導增量法。該方法通過比較太陽能電池陣列的瞬時電導變化量的方法實現最大功率點跟蹤。當太陽能發電系統工作在最大功率點P時，P=IU成立，該式兩端對U求導可得[5]：

在最大功率點時，dP/dU=0，帶入P=IU可得

電導增量法準確性較高，使太陽能發電系統隨環境的變化具有很好的跟蹤性。

3.3 蓄電池充放電控制策略

蓄電池充電方式可分為恒定電流充電、恒定電壓充電和分段式充電3種常用方式。本設計采用分段式充電方式。在開始充電階段，采用大電流充電，當端電壓達到設定值時降低充電電流，采用恒定電壓法充電。這種方法避免了過充電現象的發生，減少對于電池壽命的損害。蓄電池的放電控制策略采用回差電壓控制法，當蓄電池端電壓降低到過放保護電壓時，切斷負載供電回路，只有端電壓再次上升到啟動電壓時，才允許重新放電[4-6]。

4 結語

風能、太陽能作為清潔可再生能源，得到世界各國的重視。風光互補發電系統克服了單獨的風力發電和太陽能發電的缺點，具有較高的可靠性和穩定性。本文依據GM4型磁通門為目標載體，設計了一套小型風光互補發電系統，并采用最大功率點跟蹤技術對發電系統進行控制，采用分段充電法和回差電壓法對蓄電池充放電進行控制，取得了良好的效果。

[參考文獻]

[1]彭德奇，姚芳.風光互補發電系統研究設計[J].機械與電氣，2016（3）：49-52.

[2]劉江濤，孫德剛.風光互補發發電、蓄電、供電系統研究[J].綠色科技，2016（4）：158-159.

[3]宋臣田，宋彥云.地震監測儀器大全[M].北京：地震出版社，2008.

[4]喬琳楠.風光互補發電系統研究[J].中國高新技術企業，2016（21）：85-86.

[5]湯濟澤，王叢玲，房學法.一種基于電導增量的MPPT實現策略[J].電力電子技術，2011（4）：73-75.

[6]齊志遠，王生鐵，田桂珍.風光互補發電系統協調控制[J].太陽能學報，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 strategyendprint