渔光互补跟踪系统稳定性研究

韩学栋　寇娟

摘要：渔光互补是将高效淡水渔业与光伏发电相结合，通过结合太阳能发电和现代养殖业，把太阳能光伏系统架设在鱼塘之上直接低成本发电，不额外占用土地，形成“上面发电、下面养殖、科学开发、综合利用”的渔光互补建设模式，充分最大化利用空间资源发展新能源。

渔光互补项目让农业和新能源产业同步发展，农业资源的主题开发，深度开发与科学开发相结合，集水产养殖、可研示范、生态休闲、旅游观光于一体的特色渔业产业园、综合示范基地、情节能源生产示范基地、工业旅游与观光农业示范基地。渔光互补是新能源项目应用的发展方向，是综合利用土地和提高土地附加值的创新模式，其产生的渔业和光伏发电的双重经济效益，既有益补充了当地经济发展的电力需要，又增加了地方财政税收，是传统渔业迈向高校渔业的代表。而跟踪系统的稳定性一直是困扰业界的一大难题。此次研究项目提供了一种高可靠性设计的跟踪系统。

关键词：渔光互补；跟踪系统

1 控制系统的稳定性

1.1 系统冗余设计总体介绍

系统采用双MCU控制、第三方MCU监控、双开关电源供电、双传感器、双电机等冗余结构，在保证单路稳定的情况下又做了关键线路及零部件的备份，系统在运行过程中，当任一路发异常都会不需认为干涉并自动切换至备份系统、并将报警信息上传至中控室，以保证系统可靠运行，达到系统永不停机。

由于系统做了4处冗余备份， 假如单MCU的线路可靠性为R1，单电源的线路可靠性为R2，单传感器线路可靠性为R3，单电机线路可靠性为R4，其它线路可靠性为R5，备份前的系统可靠性为RF，备份后系统的可靠性为RB，则RF=R1 X R2 X R3 X R4 X R5RB=（1（1R1）X（1R2）X（1R3）X（1R4））X R5从公式可知RB远大于RF，系统可靠性大幅度提高。

1.2 详细设计介绍

1.2.1 主控制架构

控制架构主要采用三片MCU来完成，其中MCU3负责主从切换。上电后默认MCU1作为主系统运行，MCU2作为备份MCU，主从MCU也可以通过外部header来选择，方便调试，正常工作时MCU1 MCU2同时给MCU3发出喂狗信号，如果MCU3接受不到喂狗信号，则切换MCU的控制权，同时复位有问题的MCU，如果复位不成功，则上传报警信号至监控室。

1.2.2 电源设计

系统采用双电源设计，当其中一方电源异常时则自动切换另一电源并报警输出。

对于直流系统控制箱可以选用1000VDC与170VAC500VAC（范围内任何电源输入），平时运行采用交流供电，当交流电异常则自动切换直流供电。交流系统控制箱采用380VAC500VAC内任意电压供电，系统双电源设置。

为保证关键零部件开关电源模块的稳定性，开关电源采用国内知名公司针对光伏行业开发的高性能电源模塊，起劲最长项目电源使用时间超过5年，正常运行后的故障率基本为0，电源开发专门用于户外高低温，高原等环境，系统电源设计通过浪涌测试标准IED6100045测试，及IEC612152005 10.3的绝缘测试标准如下图：电源出厂100%老化检测及两次的功能检测。

1.2.3 双传感器工作

当一个传感器失效自动切换备份并报警通知中控室系统采用双传感器工作，传感器采用数据传输模式，系统根据ID自动识别传感器，平时双传感器同时工作，当工作正常时取主传感器数值，当发生异常时则自动切换备份传感器，并报警输出。

1.2.4 双电机工作模式

系统采用双电机工作模式，采用奇偶电机自动选择运行，保证每台电机寿命的同时，时时判断电机是否正常，一旦发现不正常自动切换到另一台工作并报警。

1.3 PCBA

作为系统核心的PCB贴片板，我们对PCB板的品质要求也是极其的高。首先采用高精度仪器具有UL认证的厂商制板，板子严格采用三防漆喷涂，厚度不低于0.35MM，符合IEC6100064EMC测试标准。

1.4 通讯稳定性控制

1.4.1 核心芯片

通讯系统采用的是行业内通用的RS485 标准，为保证通讯的抗干扰能力，系统采用加强绝缘架构，所用线缆采用双层屏蔽并内芯采用镀锡处理，可以大大增加防止氧化效果，保证通讯质量。核心芯片采用MAX14782，

该芯片具有很高的静电防护等级及短路输出保护 热插拔功能双电压兼容高传输速率等特性，在系统设计中又增加了TVS及气体放电管设计，通讯线路通过标准IEC6100044电快速瞬变脉冲群抗干扰度测试及IEC6100045浪涌抗扰度测试。

1.4.2 通讯线缆

线缆的选取对实际运行的稳定性起到了很大的作用。为保证通讯的抗干扰能力，系统采用加强绝缘架构，所用线缆采用双层屏蔽并内芯采用镀锡处理，可以大大增加防止氧化效果，保证通讯质量。

例：线缆型号为KLZRDJYJVPR22。

1.5 控制系统箱体

对于控制系统很重要的最外一层的保护壳，我们对其的密封材料的选择进行了改进和优化，密封很重要的一层就是密封条，密封条的好坏直接影响了防水效果和使用寿命，密封条使用的品牌为德国RAMPF公司的3232508，主要参数如下：

产品符合UL50.设计压缩高度为40%，根据箱体我们的设计高度为8MM 如下图：

对于箱体材料我们选用的是SECC材料，喷涂采用的是业界知名的阿克苏粉，型号K4825AH，户外专用粉，且对喷涂的厚度达到100UM。

在保证了箱体的密封和防水测试后，对海运 运输方面也做了全面的防潮方法，比如整个栈板箱体会抽真空处理。

箱体的包装采用7层板设计，里面珍珠棉的设计密度达到0.028g/cm3.箱体在设计层面保证了完全可以使用户外潮湿环境。

系统在防护等级方面通过了以下测试：

（1）防尘测试。气流速度大于10M/s 粉尘浓度：24KG/M3

依据IEC 605292001 13.4第一特征数字5和6的灰尘测试：通过低压的方法，将测试目标抽入机壳，在机壳中用不超过60体积每小时的抽速使80倍体积的机壳有一体积的空气。负压表不能显示超过2千帕；若每小时可以获得40到60体积的抽速，则测试持续时间为2小时。制定测试方案如下：

a.将被测控制箱放置于沙尘室中部，向机壳内部插入真空泵的连接气管并确保连接端口密封；

b.设置沙尘试验箱的运行总时间为2小时，连续运行10分钟振动5秒；连续吹尘20分钟间隔2分钟；

c.选定吹尘、振动及真空泵功能，开启设备运行；

d.调节玻璃球流量计，负压表维持在2千帕以下。

（2）防水测试。IPX6：喷嘴内径12.5MM，水流量100±5L/min，系统通过IPX6测试并功能检测正常。

（3）震动试验。为保证在运输过程中对控制单元损伤，包装通过15g加速度冲击试验，单元模块本身符合IEC62817标准：

依據9.2.9.2严格性等级

加速度大小：15G

冲击类型：halfsine

冲击持续时间：11ms

冲击频率：1S

冲击次数：18（6X3）

且箱体内部导轨全部采用德国原装进口，提高防震能力。其它设计保证：

a）为保证接地良好，壁挂件及螺丝全部采用采用不锈钢材料连接。

b）为保证户外使用的稳定性，采用最大40KA的专用防雷设计。

c）对于开关电源部件，为适应行业需要定制开发，在电网适应能力、过流保护、浪涌吸收能力、耐高压、高温下降容性等方面均远高于普通开关电源。

d）控制单元为防止阳光直射，为单元增加了防护罩，避免了太阳的直射及雨水的直接冲淋，增加了防水单元的寿命。

2 传动部件的稳定性

2.1 电机及驱动装置的外壳

作为核心部件电机在高湿环境中由于温差速变可能会产生凝露现象（白天温度比较高，夜晚温度降到接近零点甚至以下），根据系统工作特性，每次运行时间在几十秒左右很短暂，电机发热量不大，电机内部封闭的又湿度的空气可能会产品凝露现象，一旦凝露滴落到换向器上，则会导致换向器的氧化，发热严重，时间长了导致电机失效，无力输出。在设计时对电机的IP等级要求为IP55以上，符合双85试验要求。机械外壳为防止温差及湿度大产生的生锈问题，电机外壳采用喷塑工艺，且塑粉厚度及要求为户外专用粉，对喷塑的附着力提出更高要求：依照标准GBT92861998

ISO等级：1=ASTM等级4B

在切口的相交处有小片剥落，划格区内实际破损≤5%

在抗紫外线方面在外壳的防护上直流电机再次增加了一层带胶热缩管（此为专用护卫防紫外设计）和电机专用防护罩（避免太阳直射和雨水直淋），保证电机性能达到最优，寿命最长。

2.2 关于有刷电机的碳刷寿命

根据系统运行特性，以系统运行±45°，跟踪精度2°为例，电机一天中启动运行的次数为90次，共运行角度为180°（包含夜饭，逆跟踪），一天中运行时间为0.375小时（22.5分钟），一天中只有22.5分钟在运行，一个月运行时间为11.25小时在运行，20年的运行时间为2700小时，相当于3.75年运行，对碳刷的磨损程度仅仅相当于电机持续运行的3个多月磨损使用寿命，当然这其中会有一个启动损害，为减小系统启动电流过大引起电机寿命及结构件寿命降低，系统采用爬坡启动，使系统的启动电流降低为原来的1[]3，如下图为满载运行启动爬坡前后对比图。

为进一步增加碳刷的使用寿命，碳刷的生产工艺中增加纳米有机硅碳刷专用油浸泡，以降低碳刷和换向器之间的摩擦，降低碳刷的磨损程度，增加使用寿命。电机的绝缘等级提高至F级（155°），以适应在高温环境下的运行寿命。且我们所选用碳刷的寿命为3000h，我们20年的总运行时间为2700h， 从设计上可以满足20年的使用要求。

3 控制系统的保护机制

3.1对传动系统的保护

系统保护采用三级保护，一级软件保护（软限位保护），二级硬保护（采用限位开关硬保护） 三级机械保护（结合软件过流保护保证电机安全运行），以上三级保护能强有力的保证系统机械不会受到大的冲击。

由于交流电机极易因为欠压相不平衡缺相等导致过流损坏，系统针对交流系统增加了过欠压 相不平衡 缺相保护等机制，有效的保证了电机损坏率。

3.2 云监控保护

增加云监控对系统进行时时监控，无论系统在任何地方，均可以在第一时间发现异常，协助客户分析异常原因，保证系统正常运行。

3.3 控制系统对电机的保护

除去对电机本身的寿命提出要求外，为防止不当使用，对其进行了如下保护：

（1）为防止机械结构件在安装过程中安装不到位或是摩擦过大导致正常运行电流大，降低控制系统的使用寿命，控制单元对电机运行电流进行时时预警，现场工程师可根据电流大小对现场的机械安装进行评估，是否有安装不到位现象。一旦电流超过额定电流的1.2倍小于1.8倍时，将对电机进行重启5次预警保护，一旦系统重启5次电流仍超过则进入永久保护状态并报警，如果系统一次超过额定电流的3倍时（力矩三倍状态），则立即进入保护状态永不启动并报警输出。

（2）对于感应电机，影响电机寿命的因素包含：电机外壳的耐腐蚀性，密封性（采用IP55以上等级，不采用风扇，风扇的寿命低，密封性差，防止进风沙），低压发热损坏，过压发热损坏，缺相发热损坏，相不平衡发热损坏等，进行了如下保护。

（3）电机的外壳采用喷塑处理以提高耐腐蚀性。

（4）由于风扇的寿命低，且密封性不好问题，采用无风扇处理使电机达到IP55等级，由于系统对的使用特性，系统发热对系统的影响不大，所以采用相对密封性好的外壳更合适。

（5）由于电机低压及过压使用极易发热导致损坏（增加热量计算，铜线圈的比热容温升和时间 5S得关系），所以在控制中增加了欠壓保护，当电压低于或高于电机要求电压时即时保护。

（6）电机缺相情况下发热短时间就会坏掉电机，系统增加了硬件缺相保护及软件缺相判断保护双重保护机制，以保证系统在缺相状态下及时有效保护。

（7）由于现场供电可能会存在相不平衡，系统运行于此情况下，会异常发热，电机温升增加，导致电机损坏并影响寿命。系统有硬件相序不平衡保护及软件相序不平衡判断保护双重保护保证系统处于合格电网运行范围之内。

4 生产检验保证品质输出

作为一个“产品”来说，生产的品质保证为工作重中之中。在产品的最后一个也是最重要的环节中，我们采用了自主研发的检测台对控制系统进行全面功能检验。主要生产环节如下：

（1）来料检验。实行全检模式：当检验合格率达到99.9%以上者，延续三次则实行免检，当合格率达到93%时，进行全检。低于93%时，则更换供应商，当供应商出现合格率低于80%甚至以下时，则永久不再启用。

对于关键零部件均进行功能检验，例如：

箱体的防水测试，电子部件的功能检验等。

（2）功能检验。此项环节是保证接线正确与否的关键检测，公司自主研发的全功能检测台，可以概括了系统基本全部的功能项目（包含硬件及软件功能测试）。如有不通过则不能进行下一步，为防止人为出错，系统全部采用二维码扫描检测，当有不合格出现时则无法进行下一步测试。

（3）老化测试。

（4）老化测试完成后进行功能全检。

（5）针对不对项目地，进行不同的包装设计并做不同级别的震动测试。

5 结语

综上所述，跟踪系统的稳定性包含各个环节的管控，研发产品阶段就要保证整个系统的设计稳定性（包含硬件的开发，软件的稳定），生产品质保证（组装生产及检测），运输过程中的保证（包装设计等），运维监控等环节，哪个环节都是必不可缺，且都要做到全面。

项目：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司科技项目资助（合同号：SW2016162）

作者简介：韩学栋（1987），男，山东菏泽人，从事新能源发电工程咨询设计工作；

寇娟（1981），女，河北石家庄人，研究领域：太阳能跟踪。