漁光互補(bǔ)跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

韓學(xué)棟　寇娟

摘要：漁光互補(bǔ)是將高效淡水漁業(yè)與光伏發(fā)電相結(jié)合，通過(guò)結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電和現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)，把太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)架設(shè)在魚(yú)塘之上直接低成本發(fā)電，不額外占用土地，形成“上面發(fā)電、下面養(yǎng)殖、科學(xué)開(kāi)發(fā)、綜合利用”的漁光互補(bǔ)建設(shè)模式，充分最大化利用空間資源發(fā)展新能源。

漁光互補(bǔ)項(xiàng)目讓農(nóng)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)同步發(fā)展，農(nóng)業(yè)資源的主題開(kāi)發(fā)，深度開(kāi)發(fā)與科學(xué)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，集水產(chǎn)養(yǎng)殖、可研示范、生態(tài)休閑、旅游觀光于一體的特色漁業(yè)產(chǎn)業(yè)園、綜合示范基地、情節(jié)能源生產(chǎn)示范基地、工業(yè)旅游與觀光農(nóng)業(yè)示范基地。漁光互補(bǔ)是新能源項(xiàng)目應(yīng)用的發(fā)展方向，是綜合利用土地和提高土地附加值的創(chuàng)新模式，其產(chǎn)生的漁業(yè)和光伏發(fā)電的雙重經(jīng)濟(jì)效益，既有益補(bǔ)充了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的電力需要，又增加了地方財(cái)政稅收，是傳統(tǒng)漁業(yè)邁向高校漁業(yè)的代表。而跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性一直是困擾業(yè)界的一大難題。此次研究項(xiàng)目提供了一種高可靠性設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：漁光互補(bǔ)；跟蹤系統(tǒng)

1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

1.1 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)總體介紹

系統(tǒng)采用雙MCU控制、第三方MCU監(jiān)控、雙開(kāi)關(guān)電源供電、雙傳感器、雙電機(jī)等冗余結(jié)構(gòu)，在保證單路穩(wěn)定的情況下又做了關(guān)鍵線路及零部件的備份，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)任一路發(fā)異常都會(huì)不需認(rèn)為干涉并自動(dòng)切換至備份系統(tǒng)、并將報(bào)警信息上傳至中控室，以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，達(dá)到系統(tǒng)永不停機(jī)。

由于系統(tǒng)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(jī)線路可靠性為R4，其它線路可靠性為R5，備份前的系統(tǒng)可靠性為RF，備份后系統(tǒng)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(yuǎn)大于RF，系統(tǒng)可靠性大幅度提高。

1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)介紹

1.2.1 主控制架構(gòu)

控制架構(gòu)主要采用三片MCU來(lái)完成，其中MCU3負(fù)責(zé)主從切換。上電后默認(rèn)MCU1作為主系統(tǒng)運(yùn)行，MCU2作為備份MCU，主從MCU也可以通過(guò)外部header來(lái)選擇，方便調(diào)試，正常工作時(shí)MCU1 MCU2同時(shí)給MCU3發(fā)出喂狗信號(hào)，如果MCU3接受不到喂狗信號(hào)，則切換MCU的控制權(quán)，同時(shí)復(fù)位有問(wèn)題的MCU，如果復(fù)位不成功，則上傳報(bào)警信號(hào)至監(jiān)控室。

1.2.2 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用雙電源設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一方電源異常時(shí)則自動(dòng)切換另一電源并報(bào)警輸出。

對(duì)于直流系統(tǒng)控制箱可以選用1000VDC與170VAC500VAC（范圍內(nèi)任何電源輸入），平時(shí)運(yùn)行采用交流供電，當(dāng)交流電異常則自動(dòng)切換直流供電。交流系統(tǒng)控制箱采用380VAC500VAC內(nèi)任意電壓供電，系統(tǒng)雙電源設(shè)置。

為保證關(guān)鍵零部件開(kāi)關(guān)電源模塊的穩(wěn)定性，開(kāi)關(guān)電源采用國(guó)內(nèi)知名公司針對(duì)光伏行業(yè)開(kāi)發(fā)的高性能電源模塊，起勁最長(zhǎng)項(xiàng)目電源使用時(shí)間超過(guò)5年，正常運(yùn)行后的故障率基本為0，電源開(kāi)發(fā)專門用于戶外高低溫，高原等環(huán)境，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)通過(guò)浪涌測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IED6100045測(cè)試，及IEC612152005 10.3的絕緣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如下圖：電源出廠100%老化檢測(cè)及兩次的功能檢測(cè)。

1.2.3 雙傳感器工作

當(dāng)一個(gè)傳感器失效自動(dòng)切換備份并報(bào)警通知中控室系統(tǒng)采用雙傳感器工作，傳感器采用數(shù)據(jù)傳輸模式，系統(tǒng)根據(jù)ID自動(dòng)識(shí)別傳感器，平時(shí)雙傳感器同時(shí)工作，當(dāng)工作正常時(shí)取主傳感器數(shù)值，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)則自動(dòng)切換備份傳感器，并報(bào)警輸出。

1.2.4 雙電機(jī)工作模式

系統(tǒng)采用雙電機(jī)工作模式，采用奇偶電機(jī)自動(dòng)選擇運(yùn)行，保證每臺(tái)電機(jī)壽命的同時(shí)，時(shí)時(shí)判斷電機(jī)是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)不正常自動(dòng)切換到另一臺(tái)工作并報(bào)警。

1.3 PCBA

作為系統(tǒng)核心的PCB貼片板，我們對(duì)PCB板的品質(zhì)要求也是極其的高。首先采用高精度儀器具有UL認(rèn)證的廠商制板，板子嚴(yán)格采用三防漆噴涂，厚度不低于0.35MM，符合IEC6100064EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 通訊穩(wěn)定性控制

1.4.1 核心芯片

通訊系統(tǒng)采用的是行業(yè)內(nèi)通用的RS485 標(biāo)準(zhǔn)，為保證通訊的抗干擾能力，系統(tǒng)采用加強(qiáng)絕緣架構(gòu)，所用線纜采用雙層屏蔽并內(nèi)芯采用鍍錫處理，可以大大增加防止氧化效果，保證通訊質(zhì)量。核心芯片采用MAX14782，

該芯片具有很高的靜電防護(hù)等級(jí)及短路輸出保護(hù) 熱插拔功能雙電壓兼容高傳輸速率等特性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中又增加了TVS及氣體放電管設(shè)計(jì)，通訊線路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IEC6100044電快速瞬變脈沖群抗干擾度測(cè)試及IEC6100045浪涌抗擾度測(cè)試。

1.4.2 通訊線纜

線纜的選取對(duì)實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性起到了很大的作用。為保證通訊的抗干擾能力，系統(tǒng)采用加強(qiáng)絕緣架構(gòu)，所用線纜采用雙層屏蔽并內(nèi)芯采用鍍錫處理，可以大大增加防止氧化效果，保證通訊質(zhì)量。

例：線纜型號(hào)為KLZRDJYJVPR22。

1.5 控制系統(tǒng)箱體

對(duì)于控制系統(tǒng)很重要的最外一層的保護(hù)殼，我們對(duì)其的密封材料的選擇進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)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(guó)RAMPF公司的3232508，主要參數(shù)如下：

產(chǎn)品符合UL50.設(shè)計(jì)壓縮高度為40%，根據(jù)箱體我們的設(shè)計(jì)高度為8MM 如下圖：

對(duì)于箱體材料我們選用的是SECC材料，噴涂采用的是業(yè)界知名的阿克蘇粉，型號(hào)K4825AH，戶外專用粉，且對(duì)噴涂的厚度達(dá)到100UM。

在保證了箱體的密封和防水測(cè)試后，對(duì)海運(yùn) 運(yùn)輸方面也做了全面的防潮方法，比如整個(gè)棧板箱體會(huì)抽真空處理。

箱體的包裝采用7層板設(shè)計(jì)，里面珍珠棉的設(shè)計(jì)密度達(dá)到0.028g/cm3.箱體在設(shè)計(jì)層面保證了完全可以使用戶外潮濕環(huán)境。

系統(tǒng)在防護(hù)等級(jí)方面通過(guò)了以下測(cè)試：

（1）防塵測(cè)試。氣流速度大于10M/s 粉塵濃度：24KG/M3

依據(jù)IEC 605292001 13.4第一特征數(shù)字5和6的灰塵測(cè)試：通過(guò)低壓的方法，將測(cè)試目標(biāo)抽入機(jī)殼，在機(jī)殼中用不超過(guò)60體積每小時(shí)的抽速使80倍體積的機(jī)殼有一體積的空氣。負(fù)壓表不能顯示超過(guò)2千帕；若每小時(shí)可以獲得40到60體積的抽速，則測(cè)試持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)。制定測(cè)試方案如下：

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

b.設(shè)置沙塵試驗(yàn)箱的運(yùn)行總時(shí)間為2小時(shí)，連續(xù)運(yùn)行10分鐘振動(dòng)5秒；連續(xù)吹塵20分鐘間隔2分鐘；

c.選定吹塵、振動(dòng)及真空泵功能，開(kāi)啟設(shè)備運(yùn)行；

d.調(diào)節(jié)玻璃球流量計(jì)，負(fù)壓表維持在2千帕以下。

（2）防水測(cè)試。IPX6：噴嘴內(nèi)徑12.5MM，水流量100±5L/min，系統(tǒng)通過(guò)IPX6測(cè)試并功能檢測(cè)正常。

（3）震動(dòng)試驗(yàn)。為保證在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)控制單元損傷，包裝通過(guò)15g加速度沖擊試驗(yàn)，單元模塊本身符合IEC62817標(biāo)準(zhǔn)：

依據(jù)9.2.9.2嚴(yán)格性等級(jí)

加速度大?。?5G

沖擊類型：halfsine

沖擊持續(xù)時(shí)間：11ms

沖擊頻率：1S

沖擊次數(shù)：18（6X3）

且箱體內(nèi)部導(dǎo)軌全部采用德國(guó)原裝進(jìn)口，提高防震能力。其它設(shè)計(jì)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(wěn)定性，采用最大40KA的專用防雷設(shè)計(jì)。

c）對(duì)于開(kāi)關(guān)電源部件，為適應(yīng)行業(yè)需要定制開(kāi)發(fā)，在電網(wǎng)適應(yīng)能力、過(guò)流保護(hù)、浪涌吸收能力、耐高壓、高溫下降容性等方面均遠(yuǎn)高于普通開(kāi)關(guān)電源。

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

2 傳動(dòng)部件的穩(wěn)定性

2.1 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的外殼

作為核心部件電機(jī)在高濕環(huán)境中由于溫差速變可能會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象（白天溫度比較高，夜晚溫度降到接近零點(diǎn)甚至以下），根據(jù)系統(tǒng)工作特性，每次運(yùn)行時(shí)間在幾十秒左右很短暫，電機(jī)發(fā)熱量不大，電機(jī)內(nèi)部封閉的又濕度的空氣可能會(huì)產(chǎn)品凝露現(xiàn)象，一旦凝露滴落到換向器上，則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向器的氧化，發(fā)熱嚴(yán)重，時(shí)間長(zhǎng)了導(dǎo)致電機(jī)失效，無(wú)力輸出。在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電機(jī)的IP等級(jí)要求為IP55以上，符合雙85試驗(yàn)要求。機(jī)械外殼為防止溫差及濕度大產(chǎn)生的生銹問(wèn)題，電機(jī)外殼采用噴塑工藝，且塑粉厚度及要求為戶外專用粉，對(duì)噴塑的附著力提出更高要求：依照標(biāo)準(zhǔn)GBT92861998

ISO等級(jí)：1=ASTM等級(jí)4B

在切口的相交處有小片剝落，劃格區(qū)內(nèi)實(shí)際破損≤5%

在抗紫外線方面在外殼的防護(hù)上直流電機(jī)再次增加了一層帶膠熱縮管（此為專用護(hù)衛(wèi)防紫外設(shè)計(jì)）和電機(jī)專用防護(hù)罩（避免太陽(yáng)直射和雨水直淋），保證電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)，壽命最長(zhǎng)。

2.2 關(guān)于有刷電機(jī)的碳刷壽命

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特性，以系統(tǒng)運(yùn)行±45°，跟蹤精度2°為例，電機(jī)一天中啟動(dòng)運(yùn)行的次數(shù)為90次，共運(yùn)行角度為180°（包含夜飯，逆跟蹤），一天中運(yùn)行時(shí)間為0.375小時(shí)（22.5分鐘），一天中只有22.5分鐘在運(yùn)行，一個(gè)月運(yùn)行時(shí)間為11.25小時(shí)在運(yùn)行，20年的運(yùn)行時(shí)間為2700小時(shí)，相當(dāng)于3.75年運(yùn)行，對(duì)碳刷的磨損程度僅僅相當(dāng)于電機(jī)持續(xù)運(yùn)行的3個(gè)多月磨損使用壽命，當(dāng)然這其中會(huì)有一個(gè)啟動(dòng)損害，為減小系統(tǒng)啟動(dòng)電流過(guò)大引起電機(jī)壽命及結(jié)構(gòu)件壽命降低，系統(tǒng)采用爬坡啟動(dòng)，使系統(tǒng)的啟動(dòng)電流降低為原來(lái)的1[]3，如下圖為滿載運(yùn)行啟動(dòng)爬坡前后對(duì)比圖。

為進(jìn)一步增加碳刷的使用壽命，碳刷的生產(chǎn)工藝中增加納米有機(jī)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(jī)的絕緣等級(jí)提高至F級(jí)（155°），以適應(yīng)在高溫環(huán)境下的運(yùn)行壽命。且我們所選用碳刷的壽命為3000h，我們20年的總運(yùn)行時(shí)間為2700h， 從設(shè)計(jì)上可以滿足20年的使用要求。

3 控制系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制

3.1對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)采用三級(jí)保護(hù)，一級(jí)軟件保護(hù)（軟限位保護(hù)），二級(jí)硬保護(hù)（采用限位開(kāi)關(guān)硬保護(hù)） 三級(jí)機(jī)械保護(hù)（結(jié)合軟件過(guò)流保護(hù)保證電機(jī)安全運(yùn)行），以上三級(jí)保護(hù)能強(qiáng)有力的保證系統(tǒng)機(jī)械不會(huì)受到大的沖擊。

由于交流電機(jī)極易因?yàn)榍穳合嗖黄胶馊毕嗟葘?dǎo)致過(guò)流損壞，系統(tǒng)針對(duì)交流系統(tǒng)增加了過(guò)欠壓 相不平衡 缺相保護(hù)等機(jī)制，有效的保證了電機(jī)損壞率。

3.2 云監(jiān)控保護(hù)

增加云監(jiān)控對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)論系統(tǒng)在任何地方，均可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常，協(xié)助客戶分析異常原因，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.3 控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的保護(hù)

除去對(duì)電機(jī)本身的壽命提出要求外，為防止不當(dāng)使用，對(duì)其進(jìn)行了如下保護(hù)：

（1）為防止機(jī)械結(jié)構(gòu)件在安裝過(guò)程中安裝不到位或是摩擦過(guò)大導(dǎo)致正常運(yùn)行電流大，降低控制系統(tǒng)的使用壽命，控制單元對(duì)電機(jī)運(yùn)行電流進(jìn)行時(shí)時(shí)預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)工程師可根據(jù)電流大小對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械安裝進(jìn)行評(píng)估，是否有安裝不到位現(xiàn)象。一旦電流超過(guò)額定電流的1.2倍小于1.8倍時(shí)，將對(duì)電機(jī)進(jìn)行重啟5次預(yù)警保護(hù)，一旦系統(tǒng)重啟5次電流仍超過(guò)則進(jìn)入永久保護(hù)狀態(tài)并報(bào)警，如果系統(tǒng)一次超過(guò)額定電流的3倍時(shí)（力矩三倍狀態(tài)），則立即進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)永不啟動(dòng)并報(bào)警輸出。

（2）對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，影響電機(jī)壽命的因素包含：電機(jī)外殼的耐腐蝕性，密封性（采用IP55以上等級(jí)，不采用風(fēng)扇，風(fēng)扇的壽命低，密封性差，防止進(jìn)風(fēng)沙），低壓發(fā)熱損壞，過(guò)壓發(fā)熱損壞，缺相發(fā)熱損壞，相不平衡發(fā)熱損壞等，進(jìn)行了如下保護(hù)。

（3）電機(jī)的外殼采用噴塑處理以提高耐腐蝕性。

（4）由于風(fēng)扇的壽命低，且密封性不好問(wèn)題，采用無(wú)風(fēng)扇處理使電機(jī)達(dá)到IP55等級(jí)，由于系統(tǒng)對(duì)的使用特性，系統(tǒng)發(fā)熱對(duì)系統(tǒng)的影響不大，所以采用相對(duì)密封性好的外殼更合適。

（5）由于電機(jī)低壓及過(guò)壓使用極易發(fā)熱導(dǎo)致?lián)p壞（增加熱量計(jì)算，銅線圈的比熱容溫升和時(shí)間 5S得關(guān)系），所以在控制中增加了欠壓保護(hù)，當(dāng)電壓低于或高于電機(jī)要求電壓時(shí)即時(shí)保護(hù)。

（6）電機(jī)缺相情況下發(fā)熱短時(shí)間就會(huì)壞掉電機(jī)，系統(tǒng)增加了硬件缺相保護(hù)及軟件缺相判斷保護(hù)雙重保護(hù)機(jī)制，以保證系統(tǒng)在缺相狀態(tài)下及時(shí)有效保護(hù)。

（7）由于現(xiàn)場(chǎng)供電可能會(huì)存在相不平衡，系統(tǒng)運(yùn)行于此情況下，會(huì)異常發(fā)熱，電機(jī)溫升增加，導(dǎo)致電機(jī)損壞并影響壽命。系統(tǒng)有硬件相序不平衡保護(hù)及軟件相序不平衡判斷保護(hù)雙重保護(hù)保證系統(tǒng)處于合格電網(wǎng)運(yùn)行范圍之內(nèi)。

4 生產(chǎn)檢驗(yàn)保證品質(zhì)輸出

作為一個(gè)“產(chǎn)品”來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)的品質(zhì)保證為工作重中之中。在產(chǎn)品的最后一個(gè)也是最重要的環(huán)節(jié)中，我們采用了自主研發(fā)的檢測(cè)臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面功能檢驗(yàn)。主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)如下：

（1）來(lái)料檢驗(yàn)。實(shí)行全檢模式：當(dāng)檢驗(yàn)合格率達(dá)到99.9%以上者，延續(xù)三次則實(shí)行免檢，當(dāng)合格率達(dá)到93%時(shí)，進(jìn)行全檢。低于93%時(shí)，則更換供應(yīng)商，當(dāng)供應(yīng)商出現(xiàn)合格率低于80%甚至以下時(shí)，則永久不再啟用。

對(duì)于關(guān)鍵零部件均進(jìn)行功能檢驗(yàn)，例如：

箱體的防水測(cè)試，電子部件的功能檢驗(yàn)等。

（2）功能檢驗(yàn)。此項(xiàng)環(huán)節(jié)是保證接線正確與否的關(guān)鍵檢測(cè)，公司自主研發(fā)的全功能檢測(cè)臺(tái)，可以概括了系統(tǒng)基本全部的功能項(xiàng)目（包含硬件及軟件功能測(cè)試）。如有不通過(guò)則不能進(jìn)行下一步，為防止人為出錯(cuò)，系統(tǒng)全部采用二維碼掃描檢測(cè)，當(dāng)有不合格出現(xiàn)時(shí)則無(wú)法進(jìn)行下一步測(cè)試。

（3）老化測(cè)試。

（4）老化測(cè)試完成后進(jìn)行功能全檢。

（5）針對(duì)不對(duì)項(xiàng)目地，進(jìn)行不同的包裝設(shè)計(jì)并做不同級(jí)別的震動(dòng)測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性包含各個(gè)環(huán)節(jié)的管控，研發(fā)產(chǎn)品階段就要保證整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性（包含硬件的開(kāi)發(fā)，軟件的穩(wěn)定），生產(chǎn)品質(zhì)保證（組裝生產(chǎn)及檢測(cè)），運(yùn)輸過(guò)程中的保證（包裝設(shè)計(jì)等），運(yùn)維監(jiān)控等環(huán)節(jié)，哪個(gè)環(huán)節(jié)都是必不可缺，且都要做到全面。

項(xiàng)目：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司科技項(xiàng)目資助（合同號(hào)：SW2016162）

作者簡(jiǎn)介：韓學(xué)棟（1987），男，山東菏澤人，從事新能源發(fā)電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)工作；

寇娟（1981），女，河北石家莊人，研究領(lǐng)域：太陽(yáng)能跟蹤。