穩定供電系統在自然資源調查的應用范文

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摘要：自然資源調查的特點是野外環境復雜多變，而野外作業大都采用精密先進的電子儀器設備,遠離城鎮供電設施進行數據采集。電源在各種野外數據采集系統中的角色相當于人體心臟的作用，這些精密電子設備對供電系統的穩定性、持久性要求高，一旦電源出現問題，系統就會中止工作。因此選用超續航穩定供電系統是野外作業時要首先要保障和解決的問題。本文列舉在野外工作期間常用且穩定高效的3種供電系統，并進行比較分析。

關鍵詞：鐵鋰電池電源分配單元精密穩壓芯片風光互補供電便攜式UPS電源

引言

我國自然資源豐富，自然資源調查是指利用現代化的精密儀器設備，對山林草湖等自然資源進行從地表到地下的全方位探測。由于自然資源調查的工作特點，經常要深入西部無人區、海島等電網匱乏的地區進行數據采集，儀器設備的供電問題就十分關鍵。因此選用超續航穩定的電源供電系統，對保障自然資源調查工作的順利完成具有十分重要的意義。

1風光互補電源供電系統

風光互補電源系統適應于光照、風能資源豐富的西部偏遠山區、無人區、海島等地區的勘探調查。基于自然資源調查的特點，選用大容量小巧輕便的鐵鋰電池作為儲能設備，利用光能，風能等綠色自然能源發電，取之自然，用之于自然，選用性能穩定的開關電源為高功耗設備供電，同時配備好防雷保護措施，風光互補電源系統原理框圖如圖1.1所示。

1.1發電部分

風力發電機組和光伏電池組是該系統的發電部分。風力發電部分是先利用風力機將風能轉換成機械能,再通過風力發電機將機械能轉換成電能;光伏發電部分是利用太陽能電池板的光伏效應,將光能轉換成電能。在風光互補發電系統中,風能和太陽能可以獨立發電也可以混合共同發電,具體要采用哪種發電形式,主要取決于當地的自然資源條件和發電的綜合成本。需要提前收集自然資源勘查區的歷史天氣狀況，選擇效率最優的發電形式。通常情況下,在風能資源較豐富的地區宜采用風能發電,而在光照較好的地區宜采用光伏發電。就成本而言,風能發電的綜合成本要遠低于太陽能光伏發電的綜合成本。所以,根據風能和太陽能在時間和地域上的互補性,合理地將二者進行最佳匹配,既可實現供電的可靠性,又能降低發電系統的綜合成本。

1.2儲能部分

由于風能和太陽能的不穩定性和間歇性,供電時會出現忽高忽低、時有時無的現象。為了保證系統供電的可靠性,應該在系統中設置儲能環節,把風力發電系統或太陽能發電系統發出的電能儲存起來,以備供電不足時使用。考慮到野外作業的特點，一般選用能量密度大重量輕的磷酸鐵鋰電池作為儲能電池，磷酸鐵鋰電池具有安全性好、使用能量密度高、體積小、質量輕、壽命長、使用溫度范圍寬等優勢，磷酸鐵鋰電池是一款能循環使用2000次以上，可在-20-60攝氏度下正常工作，不含重金屬的無污染環保電池，續航時間長，廣泛應用于野外勘探中。目前市場上各種電池的能量密度如圖1.2所示，從圖1.2可看出，在已知的電池材料中鋰離子電池的體積能量密度和重量能量密度都是最高的。

1.3控制部分

控制部分主要是根據風力大小、光照強度及負載變化情況,不斷地對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節，同時加入天氣預報系統，根據天氣狀況選用風能還是光能發電，提高資源的最大利用效率，減輕電源設備的空間和重量。風光互補控制器,是整個系統中最重要的核心部件,一般采用PWM無極卸載方式對蓄電池進行管理與控制,利用單片微處理器處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制。一方面把調節后的電能直接送往直流或交流負載,現在還有有采用MPPT方法，能夠有效的提高風光互補發電系統的發電效率，另一方面把多余的電能送往蓄電池組儲存起來,當發電量不能滿足負載需要時,控制器把蓄電池儲存的電能送給負載。在這一過程中,控制器要控制蓄電池不被過充或過放,從而保證蓄電池的使用壽命,同時也保證了整個系統工作的連續性和穩定性。常見的控制部分的電路以TL431精密穩壓芯片構成誤差放大器，以PC817(或替代型號)光耦進行隔離的電路結構，如圖1.3所示，由TL431單芯片實現了電壓基準、限流穩壓、誤差放大、光耦驅動等功能，結構簡單、性能穩定可靠。

1.4電源分配單元

由于蓄電池輸出的是直流電,因此只能給直流負載供電，而在實際自然資源調查生產中,用電負載有直流負載和交流負載兩種。電源分配單元將蓄電池輸出的電壓轉換成用電負載需要的電源形式，當給交流負載供電時,必須將直流電轉換成交流電提供給用電負載，電源分配單元中的逆變器就是將直流電轉換為交流電的裝置,也是風光互補發電系統的核心部件之一。同時電源分配單元還具有防雷擊、電涌防護，電路過載保護，保障勘察設備供電穩定。此外,電源分配單元還具有自動穩壓的功能,可有效地改善風光互補發電系統的供電質量。

2大容量便攜式UPS電源系統

大容量便攜式UPS電源系統適用于能接入市電的觀測基地。如圖2.1所示，便攜式電源系統裝在拉桿箱中，攜帶移動方便，便于適應野外勘探機動靈活的特點。勘探測量所用的都是精密儀器，對電源穩定度要求高。由于市電的紋波干擾大，采用UPS電源可以避免勘探儀器來自市電的紋波干擾。UPS采用了IGBT逆變技術和PWM脈寬調制技術，不論市電輸入是否正常，都按照市電輸入——整流——逆變輸出負載的流程進行，將輸入的市電進行整流濾波后，把能量存入到鋰電池組中，同時UPS系統配備電池管理系統(BMS)對電池進行管理，由微處理器、傳感器、開關及其相關電路自動收集和報告所需的數據，以準確了解電池系統的健康狀況，延長系統的使用時間。UPS電源系統按其應用的功率可分為大、中、小三個類別。小功率UPS電源系統為功率小于3kVA的UPS電源產品，小功率電源系統在勘探基站設備供電系統使用較為廣泛;中等功率UPS電源系統為大于等于3kVA同時小于10kVA的UPS電源產品，一些大型高功率的勘探設備，如地質雷達;大功率UPS電源系統為大于或等于10kVA的UPS電源產品，超大功率的勘探設備使用大功率的UPS電源系統，如地震儀等設備。應根據勘探設備對電源的功率要求選擇合理的供電系統。

3大功率發電機供電系統

適用于大功率勘探系統，由于季節變換、天氣惡劣或線路故障等原因電網停止供電。發電機組不含市電中的高次諧波，輸出效率高，發電機輸出的電壓，進行變相輸出，輸出220v市電，然后經開關電源進行電壓整流濾波，輸出設備需要的電壓。發電機組功率必須能夠滿足在停電時，輸出功率可以達到所有用電設備及勘探設備的輸出功率總和。發電機組必須具備自動啟動、自動切換功能。一旦遇到緊急停電時，發電機組必須能在30秒之內自動啟動、自動發電，自動合閘，不影響勘探設備的正常使用。勘探使用的發電機組的還必須達到一定的環保要求，特別是噪音。一般的開架式發電機組的噪音都在105分貝以上，如果正常發電，完全不能達到噪音的環保要求，所以必須進行降噪處理。勘探作業的地點隨時變換，需要發電機組具有靈活的移動性，輕便性。

4三種電源系統比較

以上三種供電電源系統的比較如表1.1所示，風光互補供電電源系統的能量來源于自然界的風能和光能，可持續循環給設備供電，缺點是發電功率小，發電效率低。UPS電源系統和發電機供電系統適用于大功率供電系統，系統效率也很高。結論自然資源調查中所需供電系統需要適應惡劣自然環境，供電系統續航時間長，工作穩定，在備用供電系統切換迅速，滿足野外作業的要求。應當根據野外實際環境，選擇適宜的電源配置方案，保障野外勘探的順利進行。

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作者：朱自強 李兆亮 李冰 周錫華 姜作喜 何輝 單位：中國國土資源航空物探遙感中心