稳定供电系统在自然资源调查的应用范文

摘要：自然资源调查的特点是野外环境复杂多变，而野外作业大都采用精密先进的电子仪器设备,远离城镇供电设施进行数据采集。电源在各种野外数据采集系统中的角色相当于人体心脏的作用，这些精密电子设备对供电系统的稳定性、持久性要求高，一旦电源出现问题，系统就会中止工作。因此选用超续航稳定供电系统是野外作业时要首先要保障和解决的问题。本文列举在野外工作期间常用且稳定高效的3种供电系统，并进行比较分析。

关键词：铁锂电池电源分配单元精密稳压芯片风光互补供电便携式UPS电源

引言

我国自然资源丰富，自然资源调查是指利用现代化的精密仪器设备，对山林草湖等自然资源进行从地表到地下的全方位探测。由于自然资源调查的工作特点，经常要深入西部无人区、海岛等电网匮乏的地区进行数据采集，仪器设备的供电问题就十分关键。因此选用超续航稳定的电源供电系统，对保障自然资源调查工作的顺利完成具有十分重要的意义。

1风光互补电源供电系统

风光互补电源系统适应于光照、风能资源丰富的西部偏远山区、无人区、海岛等地区的勘探调查。基于自然资源调查的特点，选用大容量小巧轻便的铁锂电池作为储能设备，利用光能，风能等绿色自然能源发电，取之自然，用之于自然，选用性能稳定的开关电源为高功耗设备供电，同时配备好防雷保护措施，风光互补电源系统原理框图如图1.1所示。

1.1发电部分

风力发电机组和光伏电池组是该系统的发电部分。风力发电部分是先利用风力机将风能转换成机械能,再通过风力发电机将机械能转换成电能;光伏发电部分是利用太阳能电池板的光伏效应,将光能转换成电能。在风光互补发电系统中,风能和太阳能可以独立发电也可以混合共同发电,具体要采用哪种发电形式,主要取决于当地的自然资源条件和发电的综合成本。需要提前收集自然资源勘查区的历史天气状况，选择效率最优的发电形式。通常情况下,在风能资源较丰富的地区宜采用风能发电,而在光照较好的地区宜采用光伏发电。就成本而言,风能发电的综合成本要远低于太阳能光伏发电的综合成本。所以,根据风能和太阳能在时间和地域上的互补性,合理地将二者进行最佳匹配,既可实现供电的可靠性,又能降低发电系统的综合成本。

1.2储能部分

由于风能和太阳能的不稳定性和间歇性,供电时会出现忽高忽低、时有时无的现象。为了保证系统供电的可靠性,应该在系统中设置储能环节,把风力发电系统或太阳能发电系统发出的电能储存起来,以备供电不足时使用。考虑到野外作业的特点，一般选用能量密度大重量轻的磷酸铁锂电池作为储能电池，磷酸铁锂电池具有安全性好、使用能量密度高、体积小、质量轻、寿命长、使用温度范围宽等优势，磷酸铁锂电池是一款能循环使用2000次以上，可在-20-60摄氏度下正常工作，不含重金属的无污染环保电池，续航时间长，广泛应用于野外勘探中。目前市场上各种电池的能量密度如图1.2所示，从图1.2可看出，在已知的电池材料中锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度都是最高的。

1.3控制部分

控制部分主要是根据风力大小、光照强度及负载变化情况,不断地对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，同时加入天气预报系统，根据天气状况选用风能还是光能发电，提高资源的最大利用效率，减轻电源设备的空间和重量。风光互补控制器,是整个系统中最重要的核心部件,一般采用PWM无极卸载方式对蓄电池进行管理与控制,利用单片微处理器处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。一方面把调节后的电能直接送往直流或交流负载,现在还有有采用MPPT方法，能够有效的提高风光互补发电系统的发电效率，另一方面把多余的电能送往蓄电池组储存起来,当发电量不能满足负载需要时,控制器把蓄电池储存的电能送给负载。在这一过程中,控制器要控制蓄电池不被过充或过放,从而保证蓄电池的使用寿命,同时也保证了整个系统工作的连续性和稳定性。常见的控制部分的电路以TL431精密稳压芯片构成误差放大器，以PC817(或替代型号)光耦进行隔离的电路结构，如图1.3所示，由TL431单芯片实现了电压基准、限流稳压、误差放大、光耦驱动等功能，结构简单、性能稳定可靠。

1.4电源分配单元

由于蓄电池输出的是直流电,因此只能给直流负载供电，而在实际自然资源调查生产中,用电负载有直流负载和交流负载两种。电源分配单元将蓄电池输出的电压转换成用电负载需要的电源形式，当给交流负载供电时,必须将直流电转换成交流电提供给用电负载，电源分配单元中的逆变器就是将直流电转换为交流电的装置,也是风光互补发电系统的核心部件之一。同时电源分配单元还具有防雷击、电涌防护，电路过载保护，保障勘察设备供电稳定。此外,电源分配单元还具有自动稳压的功能,可有效地改善风光互补发电系统的供电质量。

2大容量便携式UPS电源系统

大容量便携式UPS电源系统适用于能接入市电的观测基地。如图2.1所示，便携式电源系统装在拉杆箱中，携带移动方便，便于适应野外勘探机动灵活的特点。勘探测量所用的都是精密仪器，对电源稳定度要求高。由于市电的纹波干扰大，采用UPS电源可以避免勘探仪器来自市电的纹波干扰。UPS采用了IGBT逆变技术和PWM脉宽调制技术，不论市电输入是否正常，都按照市电输入——整流——逆变输出负载的流程进行，将输入的市电进行整流滤波后，把能量存入到锂电池组中，同时UPS系统配备电池管理系统(BMS)对电池进行管理，由微处理器、传感器、开关及其相关电路自动收集和报告所需的数据，以准确了解电池系统的健康状况，延长系统的使用时间。UPS电源系统按其应用的功率可分为大、中、小三个类别。小功率UPS电源系统为功率小于3kVA的UPS电源产品，小功率电源系统在勘探基站设备供电系统使用较为广泛;中等功率UPS电源系统为大于等于3kVA同时小于10kVA的UPS电源产品，一些大型高功率的勘探设备，如地质雷达;大功率UPS电源系统为大于或等于10kVA的UPS电源产品，超大功率的勘探设备使用大功率的UPS电源系统，如地震仪等设备。应根据勘探设备对电源的功率要求选择合理的供电系统。

3大功率发电机供电系统

适用于大功率勘探系统，由于季节变换、天气恶劣或线路故障等原因电网停止供电。发电机组不含市电中的高次谐波，输出效率高，发电机输出的电压，进行变相输出，输出220v市电，然后经开关电源进行电压整流滤波，输出设备需要的电压。发电机组功率必须能够满足在停电时，输出功率可以达到所有用电设备及勘探设备的输出功率总和。发电机组必须具备自动启动、自动切换功能。一旦遇到紧急停电时，发电机组必须能在30秒之内自动启动、自动发电，自动合闸，不影响勘探设备的正常使用。勘探使用的发电机组的还必须达到一定的环保要求，特别是噪音。一般的开架式发电机组的噪音都在105分贝以上，如果正常发电，完全不能达到噪音的环保要求，所以必须进行降噪处理。勘探作业的地点随时变换，需要发电机组具有灵活的移动性，轻便性。

4三种电源系统比较

以上三种供电电源系统的比较如表1.1所示，风光互补供电电源系统的能量来源于自然界的风能和光能，可持续循环给设备供电，缺点是发电功率小，发电效率低。UPS电源系统和发电机供电系统适用于大功率供电系统，系统效率也很高。结论自然资源调查中所需供电系统需要适应恶劣自然环境，供电系统续航时间长，工作稳定，在备用供电系统切换迅速，满足野外作业的要求。应当根据野外实际环境，选择适宜的电源配置方案，保障野外勘探的顺利进行。

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作者：朱自强 李兆亮 李冰 周锡华 姜作喜 何辉 单位：中国国土资源航空物探遥感中心