風(fēng)光互補環(huán)網(wǎng)柜除濕系統

　　Ring net switch dehumidification system of wind-solar hybrid吳宇紅 1 ，樓建強 1 ，尹紹杰 2 ，紀濤 1（1. 國網(wǎng)浙江德清縣供電有限公司，浙江湖州 313200；2. 浙江大學(xué)臺州研究院，浙江臺州，318000）

　　摘要：傳統的環(huán)網(wǎng)柜使用加熱方式進(jìn)行除濕環(huán)網(wǎng)柜器件表面凝露問(wèn)題得以消除，但也導致了環(huán)網(wǎng)柜內空氣濕度增大。采用半導體制冷除濕可以提高除濕效率并解決環(huán)網(wǎng)柜空氣濕度問(wèn)題，但需要解決電源供電問(wèn)題。針對現有問(wèn)題提出采用風(fēng)光互補形式為環(huán)網(wǎng)柜半導體除濕系統提供電源解決方案，系統集成風(fēng)光互補充電控制、半導體除濕以及無(wú)線(xiàn)數據傳輸等功能，確保了除濕系統的供電便捷性，并通過(guò)一套風(fēng)光互補除濕系統驗證供電和除濕的可靠性及可維護性。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補；半導體除濕；NB_IOT

　　0 引言

　　隨著(zhù)城市配電的不斷發(fā)展，具有緊湊性、靈活性的戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜得到了大量的應用 ^[1] 。戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜大量的投入以及使用越來(lái)越多的問(wèn)題也逐漸的呈現出來(lái)。由于梅雨時(shí)節空氣濕度大導致部分戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜周邊環(huán)境潮濕空氣中的水分極容易在封閉的柜內形成凝露。戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜的凝露使操作機構絕緣程度下降，長(cháng)期后導致操作機構間放電短路，嚴重的影響了電力設備的正常安全運行。近年來(lái)，由于凝露的問(wèn)題而引起的電力設備故障已經(jīng)成為配電網(wǎng)線(xiàn)路跳閘的主要原因之一 ^[2] ?，F階段環(huán)網(wǎng)柜使用加熱方式除濕效率低且水汽仍然存在環(huán)網(wǎng)柜中，一定條件下仍然出現絕緣能力降低導致的設備短路情況。由于環(huán)網(wǎng)柜電壓為110 kV取電不便，加熱方式除濕時(shí)一般使用蓄電池作為電源。所以本文采用風(fēng)光互補供電的半導體除濕機集成系統方式解決供電不便以及除濕問(wèn)題。采用半導體帕爾貼效應制冷除濕，當有電流通過(guò)不同的導體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著(zhù)電流方向的不同會(huì )分別出現吸熱、放熱現象。這是J.C.A.帕爾貼在1834年發(fā)現的。這一效應是可逆的，如果電流方向反過(guò)來(lái)，吸熱便轉變成放熱 ^[3] 。

　　1 風(fēng)光互補半導體除濕系統

　　風(fēng)光互補半導體除濕系統主要構成為：風(fēng)力發(fā)電機、光伏組件、三相整流橋、二極管、充放電控制模塊、鋰電池、半導體制冷片、應急燈等構成風(fēng)光互補除濕系統框圖如圖1所示。

　　如圖1所示風(fēng)機和光伏組件分別通過(guò)三相整流橋和二極管接入到充放電控制器的輸入直流母線(xiàn)，充放電控制器控制鋰電池的充電以及負載除濕器和應急燈的供電。鋰電池充電通過(guò)降壓斬波電路實(shí)現，除濕器供電通過(guò)降壓斬波電路降壓為12 V到TEC1-12706半導體制冷片以及制冷片散熱風(fēng)扇，應急燈通過(guò)雙穩態(tài)繼電器控制連接到鋰電池。

　　1.1 系統硬件電路設計

　　系統硬件由STM32F103芯片作為系統的MCU，SHT10濕度傳感器用于濕度檢測通過(guò)IIC總線(xiàn)與MCU通訊，IRF4104作為功率管，NB_IOT模塊采用WH-NB73通過(guò)串口與MCU連接通訊。

　　1.1.1 輸入電路

　　如圖2所示風(fēng)機WP輸入和光伏PV輸入分別通過(guò)三相整流橋和二極管D7整流和隔離。風(fēng)機WP輸入功率高時(shí)D7負極高于正極截止此時(shí)風(fēng)機為系統提供充電電源，光伏PV輸入功率高時(shí)D7正極高于負極光伏為系統提供充電電源。Q1與電阻R1共同構成風(fēng)機的卸荷電路，用于超速狀態(tài)的能量泄放。

　　1.1.2 充放電控制電路

　　風(fēng)機和光伏組件通過(guò)輸入電路輸入到直流母線(xiàn)DC_BUS再通過(guò)BUCK降壓電路對鋰電池進(jìn)行充電以及為除濕器電路供電。

　　如圖3續流二極管D16,儲能電感L1,采樣電阻R5，功率管Q10構成改良型BUCK降壓電路為鋰電池充電。通過(guò)更改功率管、電感以及續流二極管的節點(diǎn)位置，使功率管的驅動(dòng)參考電壓從DC_BUS的正極變更為DC_BUS的負極P_GND，降低了驅動(dòng)電壓并可以使用常規的NMOS。續流二極管D21，儲能電感L2，功率管Q11，采樣電阻R7，濾波電容C7以及二極管D9構成改良型BUCK降壓電路為除濕電路供電。改良目的同充電電路。除濕運行時(shí)當光伏組件或者風(fēng)機輸入功率不足或者沒(méi)有輸入時(shí)D9導通，鋰電池參與能量供應；當光伏電源或者風(fēng)力輸入功率滿(mǎn)足除濕功率時(shí)D9截止，僅光伏組件或者風(fēng)機提供運行能源。

　　1.1.3 功率管驅動(dòng)電路

　　充放電電路和卸荷電路中的功率管驅動(dòng)電路主要由光耦、PNP三極管以及NPN三極管共同構成。

　　如圖4光耦U2作為MCU信號與MOS管驅動(dòng)電源隔離以及放大，三極管Q5與Q6共同構成圖騰柱結構放大驅動(dòng)信號和加快驅動(dòng)速度；此種形式的功率管驅動(dòng)電路成本低于專(zhuān)用芯片。

　　1.1.2 溫濕度檢測電路

　　SHT10為溫濕度傳感器濕度精度為±4.5%，溫度精度為±0.5 ℃，SHT10通過(guò)IIC接口與STM32F103連接，可以較為精確的測量環(huán)境中的濕度及溫度。實(shí)際電路如圖51.1.3 NB_IOT模塊電路WH-NB73模塊供電使用3.8 V，與3.3 V供電的主MCU之間串口通訊通過(guò)10 kΩ電阻電平匹配。

　　1.2 系統軟件設計

　　系統軟件由充電控制模塊、除濕控制模塊、通訊模塊以及顯示模塊等主要4大模塊組成，實(shí)現系統的充放電管理、數據顯示以及數據通訊等功能。

　　1.2.1 通訊模塊及顯示模塊

　　NB-IOT就應用場(chǎng)景而言，可以應用于位置跟蹤、環(huán)境監測、智能泊車(chē)、遠程抄表、農業(yè)等傳統通信技術(shù)難以支持的場(chǎng)合，這將為人們的生活工作帶來(lái)極大方便[4] 。本文中主要用于實(shí)現將風(fēng)光互補除濕系統的運行數據上傳到服務(wù)器。主要上傳鋰電池電壓、電池電量、除濕模塊工作狀態(tài)等數據，維護人員能夠及時(shí)掌握系統的運行狀態(tài)以及及時(shí)處理當前的故障，保障環(huán)網(wǎng)柜系統的安全運行。顯示模塊主要用于人員現場(chǎng)維護時(shí)能夠及時(shí)查看系統的運行參數以及運行狀態(tài)。

　　1.2.2 充電控制模塊及除濕控制模塊

　　鋰電池充電從安全、可靠及兼顧充電效率等方面考慮，通常采用兩段式充電方法 [5] 。本設計中亦采用此方法，第一階段為恒流限壓，第二階段為恒壓限流。第一階段過(guò)程中結合MPPT方法實(shí)現系統充電效率最大化，本設計中采用擾動(dòng)觀(guān)測法來(lái)實(shí)現MPPT。

　　如圖7為鋰電池充電流程，其在恒流充電過(guò)程中，如果此時(shí)充電電流小于20 A時(shí)啟動(dòng)MPPT通過(guò)擾動(dòng)觀(guān)測法尋找該時(shí)刻的最大功率點(diǎn)；如果最大功率點(diǎn)超過(guò)20 A充電電流，此時(shí)限制充電電流為20 A。

　　除濕器開(kāi)啟條件為鋰電池有電且相對濕度大于40%條件下開(kāi)啟，此時(shí)BUCK降壓電路將鋰電池或風(fēng)光互補輸入降壓為12 V電源提供給半導體制冷片。

　　2 實(shí)驗驗證

　　為驗證本文所研制系統的穩定性和有效性，分別采用兩種方式對比驗證系統優(yōu)勢。選擇德清郊區一環(huán)網(wǎng)柜安裝加熱式和半導體除濕系統分別單獨開(kāi)啟驗證系統。

　　如表1所示，加熱器無(wú)法有效解決環(huán)網(wǎng)柜密閉空間濕度高問(wèn)題而半導體除濕器可以有效除濕將水汽冷凝后排出室外。通過(guò)3個(gè)月的測試，風(fēng)光互補除濕系統能夠平穩高效運行，故障問(wèn)題可通過(guò)窄帶通訊及時(shí)通知維護人員。

　　3 結論

　　本文從工程實(shí)際出發(fā)設計研制環(huán)網(wǎng)柜風(fēng)光互補除濕系統，解決了環(huán)網(wǎng)柜除濕問(wèn)題以及除濕運行的能源問(wèn)題；該系統確保了環(huán)網(wǎng)柜內部環(huán)境不出現凝露以及濕度范圍可控制，確保了箱體電力設備的可靠運行。

　　參考文獻：

　　[1] 王陽(yáng). 戶(hù)外環(huán)網(wǎng)柜凝露現象分析及解決方案[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2014,(15):34-34

　　[2] 譚文兵, 錢(qián)建苗, 朱振洪. 基于帕耳帖效應解決戶(hù)外環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)站及環(huán)網(wǎng)柜凝露問(wèn)題的技術(shù)研究[J]. 科技風(fēng), 2017(6):29-29.

　　[3]柳承恩. 珀耳帖效應對無(wú)序絕緣襯底上多晶硅激光再結晶的影響[J]. Journal ofSemiconductors, 1985, 6(5):481-486[4] 趙艷薇. 3GPP通過(guò)NB-IoT標準物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)蓄勢待發(fā)[J]. 通信世界,2016(17):67-67.

　　[5]徐艷民.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及電源管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.11

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第50頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處