CN110034557A - 一种海洋锚泊浮台用能源供给系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋锚泊浮台用能源供给系统，包括发电单元、储能单元、监控单元和供配电单元；供配电单元包括直流母线架构的一次母线；发电单元包括光伏发电子单元或风力发电子单元或燃油发电子单元中的一种或多种，各子单元均与一次母线相连；监控单元用于监控储能单元的储能情况以实现各子单元的切换，以及在一次母线欠压时关闭储能单元的输出。本发明还相应公开了一种控制方法，当能量不足时，储能单元放电以补充不足的能量；当储能单元电量不足时，自动启动燃油发电子单元为负载供电，同时为储能单元充电；当储能单元电量充至上限时，自动关闭燃油发电子单元。本发明的系统及方法均具有长时间运行、可自恢复供电等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及海洋锚泊浮台技术领域，特指一种海洋锚泊浮台用能源供给系统及控制方法。
背景技术
锚泊式电子信息浮台是一种比现有浮标稳定性更高、恶劣海况生存能力更强、寿命更长、维护要求更低、任务系统负载能力大幅提高的锚泊浮台，作为海洋信息网络系统离岸平台，并以此为支撑点在浮台上建立与海域态势监视和海洋环境观测有关的各种数据采集管道，通过无线通信手段送至岸站，实现对海域态势和海洋环境的全天候综合感知，并对布放海域提供信息服务。
锚泊浮台能源供给系统应用于锚泊浮台这种特定的海洋平台中。对于锚泊浮台的开发，在我国以及全世界均属前沿技术。基于锚泊浮台在海域态势监视和海洋环境观测领域等优势，势必会成为未来的发展趋势，广泛应用于军用和民用领域。
现有的锚泊浮台能源供给系统的技术方案有以下几种：（1）单独采用柴油发电机提供动力，柴油发电机油箱箱体体积较大，柴油补充不方便，一旦用完没有及时补充柴油则不可再提供能量。（2）以光伏发电和柴油发电为动力的锚泊浮台能源供给系统，一次母线输出电压为AC220V，光伏发电量依赖白天太阳辐照度，光伏发电量无法满足浮台设备用的需求，一旦柴油用完就不可再提供能量，无法解决锚泊浮台长时间运行的问题；且采用的AC220V交流母线形式，系统欠压后双向逆变器无法自重启，导致系统不能自恢复供电。这两种方式的锚泊浮台均不能长时间运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可长时间运行、可自恢复供电的海洋锚泊浮台用能源供给系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种海洋锚泊浮台用能源供给系统，包括发电单元、储能单元、监控单元和供配电单元；
所述供配电单元，包括一次母线和二次电源，所述一次母线为直流母线架构；所述二次电源与所述一次母线相连，并从一次母线进行取能；
所述发电单元包括光伏发电子单元或风力发电子单元或燃油发电子单元中的一种或多种，各所述子单元均与所述一次母线相连；
所述储能单元，与所述一次母线相连，用于储存各子单元中多余的能量；
所述监控单元，用于监控储能单元的储能情况以实现各子单元的切换，以及在一次母线欠压时关闭储能单元的输出，并保留发电单元畅通以实现自恢复供电功能。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述光伏发电子单元包括多组太阳能电池阵和光伏MPPT模块，各太阳能电池阵均与光伏MPPT模块一一对应连接；光伏MPPT模块使用高频变压器驱动一个升-降型DC-DC全桥式逆变电路，利用扰动跟踪算法使太阳能电池阵输出功率跟踪最大功率点。
所述风力发电子单元包括风力发电机和风能控制器，所述风力发电机与所述风能控制器相连，所述风能控制器的输出端连接至所述一次母线。
所述燃油发电子单元包括柴油发电机和多个整流模块，所述柴油发电机经多个整流模块与所述一次母线相连。
所述储能单元包括多组高能量密度的锂电池组组成，各锂电池组之间分区设置且均具备独立供电的功能。
所述一次母线的电压为DC48V。
所述二次电源包括AC220V或DC12V或DC24V或DC48V中的一种或多种；所述一次母线通过DC-AC转换器与AC220V相连；所述一次母线通过DC-DC转换器与DC12V或DC24V或DC48V相连。
本发明还相应公开了一种基于如上所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统的控制方法，在发电单元中，在有太阳光时控制启动所述光伏发电子单元，在有风时启动所述风力发电子单元，通过一次母线进行供电，并将多余的太阳能或风能能量存储至所述储能单元中；当所述光伏发电子单元或风能发电子单元输出的能量不足时，控制所述储能单元放电以补充不足的能量；当所述储能单元电量不足时，自动启动燃油发电子单元为负载供电，同时为储能单元充电；当储能单元电量充至设定值上限时，自动关闭燃油发电子单元。
作为上述技术方案的进一步改进：
当储能单元为能量充满状态，且光伏发电子单元输出的能量大于负载所需消耗的能量时，限制光伏发电子单元的输出功率，使得输出的能量与负载所需消耗的能量达到平衡，有效保护负载安全供电。
当储能单元为能量欠压状态，且光伏发电子单元或风能发电子单元等输出的能量均小于负载所需消耗的能量时，对储能单元进行过放保护而无法进行放电；当光伏发电子单元或风能发电子单元可以对储能单元进行充电时，限制储能单元的输出，保障发电单元的正常运行，以实现自恢复供电功能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，通过光伏发电子单元、风力发电子单元、柴油机发电子单元和储能单元的联合方式进行能源供应，利用高效的光伏发电子单元和风力发电子单元产生锚泊浮台负载所需的电量，同时通过将多余太阳能和风能通过储能单元进行存储，可以根据锚泊浮台的工况智能调整能源供应方式，实现实时可靠的供电控制，从而能够提供长时间、持续且稳定的能源，满足锚泊浮台的长期运行需求。
（2）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，进一步通过采用光伏MPPT控制器，可以提供高效率的太阳能供应，MPPT控制器调节太阳能电池组件阵列的工作点至最大功率点，该控制器体积小，重量轻，发热少。
（3）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，当储能单元为能量充满状态，且光伏发电子单元输出的能量大于负载所需消耗的能量时，通过多个光伏MPPT模块组成的MPPT控制器控制启动限功率模块，限制光伏发电子单元的输出功率，使得输出的能量与负载所需消耗的能量达到平衡，可以有效的保护负载安全供电；
（4）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，当储能单元为能量欠压状态，且光伏发电子单元或风能发电子单元等输出的能量均小于负载所需消耗的能量时，通过储能控制器内部的放电保护继电器，对储能单元进行过放保护，储能单元无法进行放电，但是光伏发电子单元或风能发电子单元可以对储能单元进行充电，只限制系统的输出，保障了发电单元的正常运行，可以有效的实现自恢复供电功能，保障了系统在无人值守条件下的能量循环。
（5）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，可以实现太阳能电池阵、风力发电机和锂电池组之间功率的合理分配，从而保证锚泊浮台的长时间运行。考虑到太阳能电池阵和风力发电机的输出功率间歇性的特点，配以高能量密度的大容量锂电池组和大功率柴油发电机，实现锚泊浮台负载的用电需求。在锚泊浮台处于大功率负载运行时，为满足动力性的要求，白天，一般通过太阳能电池阵和风力发电机提供能量；但当太阳能电池阵和风力发电机输出功率较小时，通过太阳能电池阵、风力发电机和储能单元锂电池联合提供能量；夜间，通过高能量密度的锂电池储能单元为负载提供能量；其它工况，主要是：储能单元电量过低时，由柴油发电机自启动，为负载供电和储能电池充电。
（6）本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，采用的是自主研制的高质量比功率轻质晶硅太阳能电池，太阳能阵列发电效率高，比功率大。采用MPPT控制器进行太阳能发电功率跟踪与对储能单元锂电池组充电，采用DC-AC和DC-DC转换器完成48V直流母线电压转换以及能源监控单元自动管理能源的供给，当系统自动关闭负载输出，保留发电单元畅通，太阳能或风能可以为系统充电，可实现自恢复供电。整个系统的发电效率与利用效率高，基本满足浮台能源系统的用电需求，可以解决锚泊浮台的长时间运行和自恢复问题。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的电气原理图。
图中标号表示：1、太阳能电池阵；2、风力发电机；3、柴油发电机；4、MPPT控制器；5、风能控制器；6、整流模块；7、储能单元；8、DC-AC转换器；9、能源监控单元；10、DC-DC转换器；11、交流负载；12、任务系统；13、直流负载。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的海洋锚泊浮台用能源供给系统，包括发电单元、储能单元7、监控单元和供配电单元；供配电单元，包括一次母线和二次电源，所述一次母线为直流母线架构；所述二次电源与所述一次母线相连，并从一次母线进行取能；发电单元包括光伏发电子单元或风力发电子单元或燃油发电子单元中的一种或多种，各所述子单元均与所述一次母线相连；储能单元7，与所述一次母线相连，用于储存各子单元中多余的能量；监控单元，用于监控储能单元7的储能情况以实现各子单元的切换，以及在一次母线欠压时关闭储能单元7的输出，并保留发电单元畅通以实现自恢复供电功能。
本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，通过光伏发电子单元、风力发电子单元、柴油机发电子单元和储能单元7的联合方式进行能源供应，利用高效的光伏发电子单元和风力发电子单元产生锚泊浮台负载所需的电量，同时通过将多余太阳能和风能通过储能单元7进行存储，可以根据锚泊浮台的工况智能调整能源供应方式，实现实时可靠的供电控制，从而能够提供长时间、持续且稳定的能源，满足锚泊浮台的长期运行需求。本实施例中，光伏发电子单元包括多组太阳能电池阵1和光伏MPPT模块，太阳能电池阵1与光伏MPPT模块一一对应连接，各光伏MPPT模块组成MPPT控制器4；光伏MPPT模块使用高频变压器驱动一个升-降型DC-DC全桥式逆变电路，利用扰动跟踪算法使太阳能电池阵1输出功率跟踪最大功率点。风力发电子单元包括风力发电机2和风能控制器5，风力发电机2与风能控制器5相连，风能控制器5的输出端连接至所述一次母线。燃油发电子单元包括柴油发电机3和多个整流模块6，柴油发电机3经多个整流模块6与一次母线相连。储能单元7包括多组高能量密度的锂电池组，各锂电池组之间分区设置且均具备独立供电的功能。
下面结合一具体实施例对本发明的供给系统进行详细说明：
如图1所示，本发明一种锚泊浮台的能源供给系统，该系统以太阳能电池阵1、风力发电机2和柴油发电机3为发电单元，MPPT控制器4、风能控制器5和整流模块6分别为储能单元7的充电装置；能源监控单元9为能源信息监控管理系统，DC-AC转换器8和DC-DC转换器10为电压调节装置，交流负载11为锚泊浮台所带的220V交流设备，直流负载13为锚泊浮台上的12V、24V或48V直流设备，如传感器、摄像设备、数传设备等电子负载，任务系统12为岸基的控制中心。
本实施例中，MPPT控制器4在有太阳光时控制启动光伏发电子单元（或叫太阳能发电子单元），风能控制器5在有风时启动风能发电子单元，通过储能单元7输出端向直流母线供电，并将多余的太阳能或风能能量存储至储能单元7中，当太阳能发电子单元或风能发电子单元输出的能量不足时，控制储能单元7放电以补充不足的能量，当储能单元7电量不足时，系统自动启动柴油机，通过柴油发电机3和整流模块6为负载供电，同时为锂电池组充电。当锂电池组电量充至设定值上限时，自动关闭柴油发电机3。
本实施例中，太阳能电池阵1 通过电缆与带最大功率跟踪的MPPT控制器4相连，以获得太阳能最大输出功率，太阳能发电子单元包括多个光伏组件，采用串并联方式与光伏MPPT控制器4连接，每一个或几个太阳能电池阵1对应一个光伏MPPT模块，多个MPPT模块构成整个光伏MPPT控制器4，整体体积小，重量轻，发热少。风力发电机2 通过电缆与风能控制器5相连；柴油发电机3 通过电缆与多个整流模块6相连；通过发电单元输出端汇流后，与锚泊浮台中的多组储能单元7相连，储能单元7的锂电池组输出端经过能源监控单元9连接到DC-AC转换器8和DC-DC转换器10，交流负载11和直流负载13再与c对应的DC-AC转换器8和DC-DC 转换器连接，确保负载能够获得合适的工作电压。能源监控单元9通过无线通讯方式与任务系统12相连，确保采集到的电压、电流等数据实时发送给岸基控制中心，并通过岸基控制中心对相应的负载通断发出控制指令。
本实施例中，储能单元7分区设置，整个储能单元7包括两组或四组独立的高能量密度的大容量锂电池组，每个锂电池组均具有故障隔离功能，单一锂电池组故障不影响其它锂电池组工作；均具备独立为系统供电的能力；储能单元7配置充电保护继电器和放电保护继电器，并匹配相应的防反二极管。储能单元7具备欠压保护、电池过压保护、充电过流保护、放电过流保护、充放电高温保护和充放电低温保护等保护功能。当锂电池SOC过低，锂电池进行过放保护之后，锂电池无法进行放电，但是可以对锂电池进行充电；锂电池过充，进行过充保护之后，锂电池无法进行充电，但是仍能进行充电。以上的动作无需人为操作，锂电池内部电路自动完成，保障了系统在无人值守条件下的能量循环，可实现自恢复供电功能。
本实施例中，太阳能电池阵1，在白天为锚泊浮台负载提供能量，并在太阳能辐射强度高时，将多余的电量储存于储能单元7中；在太阳能辐射强度低的时候，联合锂电池组共同为锚泊浮台的负载提供能量；太阳能电池阵1采用300W功率的轻质晶硅太阳能电池，整个锚泊浮台铺设的光伏组件装机容量达到21kW；
风力发电机2，在有风时产生电能为锚泊浮台负载提供能量，并在风能大时，将多余的电量储存于储能单元7中；在风能低的时候，联合锂电池组共同为锚泊浮台的负载提供能量；风力发电机2采用2KW的小型风力发电机，为太阳能发电子单元做补充；
柴油发电机3，在储能单元7电量显示不足时，自动启动为锚泊浮台负载提供能量，并将多余的电量储存于储能单元7中；柴油发电机3采用30KW的船用柴油发电机，为系统进行后备供电；
储能单元7，在夜晚没有太阳能辐射强度或没有风能发电时，单独为锚泊浮台的负载提供能量，并根据实际工况需求通过能源监控单元9关闭部分负载，确保锂电池组容量能支撑锚泊浮台的重要负载正常工作到第二天太阳能电池阵1或风力发电机2能够重新发电；储能单元7总存储电量500KWh，分4组并联，各组独立运行，为系统供电。
光伏MPPT控制器4与太阳能电池阵1 之间通过105V-160V的高压电缆相连，光伏MPPT控制器4由多个光伏MPPT模块组成，光伏MPPT模块采用STM32芯片作为主控芯片，使用高频变压器驱动一个升-降型DC-DC全桥式逆变电路，利用扰动跟踪算法与全局扫描技术（属于本领域的常规技术），使太阳能电池阵1 输出功率跟踪最大功率点，并有效避免陷入局部功率最优点，减少阴影遮挡对太阳能电池阵1的发电影响。
光伏MPPT控制器4通过105V-160V的高压电缆与锚泊浮台的储能单元7相连，光伏MPPT控制器4通过反馈电路调节其输出电压，确保其给锂电池组充电，并在检测到锂电池组处于电量饱和状态时，降低光伏MPPT控制器4的输出功率，实现过充保护，保证储能单元7充电安全。线路采用105V-160V的高压，可以采用截面积较小的电缆传输电能，通常锚泊浮台有数十米长的传输电缆到底舱，采用截面积较小的电缆能有效降低电缆的重量，减少发热，保障浮台安全。
储能单元7的锂电池组输出端经过能源监控单元9连接到DC-AC转换器8和DC-DC转换器10，为锚泊浮台的设备供电。一次母线为DC48V，经过转换后，输出AC220V或DC48V/24V/DC12V，为浮台上的传感器、摄像设备、数传设备等负载供电。
储能单元7的锂电池组采用高能量密度的锂电池构成，由多个单体锂电池通过串并联构成，单体锂电池容量达到24Ah。采用保温与隔热材料、内置加热电路板的方式实现锂电池的环控功能，采用500kWh高能量密度的锂电池组，满足浮台负载对能源的需求，保障浮台的长时间运行要求。
能源监控单元9通过供配电柜内的电压采集电路、电流传感器、温度传感器、直流继电器、交流继电器和通信接口，采集配单元中各负载的输出电压、电流和开关状态，通过岸基系统手动或工控机系统自动监测和控制负载的运行状态，并与储能单元7的锂电池BMS柜通过CAN接口通信，采集其电压、电流、温度、电池容量和循环次数等数据，最后通过无线通讯方式发送给岸基的控制中心，保证对浮台能源系统所有部件的信息实时监控，确保锚泊浮台的安全。能源监控单元9内置直流继电器、交流继电器等电子开关，根据锂电池组容量与实际浮台工况智能判断并控制浮台负载的通断，确保锂电池电量能够使浮台的关键负载正常工作。
本发明的海洋锚泊浮台用能源供给系统，发电单元由太阳能电池阵1、风力发电机2和柴油发电机3组成，并预留市电接入口；发电单元能量并入直流母线，优先供给负载使用，剩余电能对蓄电池组充电；蓄电池组充满后，如果电能仍有剩余，系统对控制模块限功率输出，仅满足负载用电需求；太阳能、风能和蓄电池组都无法满足负载需求且蓄电池电量低至设定值时，系统自动启动柴油机，通过柴油发电机3和整流模块6为负载供电，同时为蓄电池组充电；当蓄电池电量充至设定值上限时，自动关闭柴油发电机3；系统对发电单元具备遥控功能，在遥控状态下，能源分系统运行在自动模式，柴油发电机3的启停根据蓄电池电量自动运行。上述控制策略可以解决锚泊浮台的长时间运行问题，同时采用48V直流母线架构，当系统欠压时，系统自动关闭负载输出，保留发电单元畅通，太阳能或风能可以为系统充电，可实现自恢复供电功能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，包括发电单元、储能单元（7）、监控单元和供配电单元；
所述供配电单元，包括一次母线和二次电源，所述一次母线为直流母线架构；所述二次电源与所述一次母线相连，并从一次母线进行取能；
所述发电单元包括光伏发电子单元或风力发电子单元或燃油发电子单元中的一种或多种，各所述子单元均与所述一次母线相连；
所述储能单元（7），与所述一次母线相连，用于储存各子单元中多余的能量；
所述监控单元，用于监控储能单元（7）的储能情况以实现各子单元的切换，以及在一次母线欠压时关闭储能单元（7）的输出，并保留发电单元畅通以实现自恢复供电功能。
2.根据权利要求1所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述光伏发电子单元包括多组太阳能电池阵（1）和光伏MPPT模块，各太阳能电池阵（1）均与光伏MPPT模块一一对应连接；光伏MPPT模块使用高频变压器驱动一个升-降型DC-DC全桥式逆变电路，利用扰动跟踪算法使太阳能电池阵（1）输出功率跟踪最大功率点。
3.根据权利要求1所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述风力发电子单元包括风力发电机（2）和风能控制器（5），所述风力发电机（2）与所述风能控制器（5）相连，所述风能控制器（5）的输出端连接至所述一次母线。
4.根据权利要求1所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述燃油发电子单元包括柴油发电机（3）和多个整流模块（6），所述柴油发电机（3）经多个整流模块（6）与所述一次母线相连。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述储能单元（7）包括多组高能量密度的锂电池组组成，各锂电池组之间分区设置且均具备独立供电的功能。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述一次母线的电压为DC48V。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统，其特征在于，所述二次电源包括AC220V或DC12V或DC24V或DC48V中的一种或多种；所述一次母线通过DC-AC转换器（8）与AC220V相连；所述一次母线通过DC-DC转换器（10）与DC12V或DC24V或DC48V相连。
8.一种基于权利要求1至7中任意一项所述的海洋锚泊浮台用能源供给系统的控制方法，其特征在于，在发电单元中，在有太阳光时控制启动所述光伏发电子单元，在有风时启动所述风力发电子单元，通过一次母线进行供电，并将多余的太阳能或风能能量存储至所述储能单元（7）中；当所述光伏发电子单元或风能发电子单元输出的能量不足时，控制所述储能单元（7）放电以补充不足的能量；当所述储能单元（7）电量不足时，自动启动燃油发电子单元为负载供电，同时为储能单元（7）充电；当储能单元（7）电量充至设定值上限时，自动关闭燃油发电子单元。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，当储能单元（7）为能量充满状态，且光伏发电子单元输出的能量大于负载所需消耗的能量时，限制光伏发电子单元的输出功率，使得输出的能量与负载所需消耗的能量达到平衡，有效保护负载安全供电。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，当储能单元（7）为能量欠压状态，且光伏发电子单元或风能发电子单元等输出的能量均小于负载所需消耗的能量时，对储能单元（7）进行过放保护而无法进行放电；当光伏发电子单元或风能发电子单元可以对储能单元（7）进行充电时，限制储能单元（7）的输出，保障发电单元的正常运行，以实现自恢复供电功能。
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