一种基于光伏和锂电池的卵苗采集平台供电系统

马 达 韦向星 黄永国 邹圣增 李继生 唐 静

（1．武汉市伊美净科技发展有限公司，湖北 武汉 430070；2．华能龙开口水电有限公司，云南 大理 671505）

在水利环保设施中，卵苗采集平台可以将卵苗采集器和动力船舶有机结合在一起。在水利水电枢纽工程中，卵苗采集平台通过真空罐式或蜗壳式卵苗采集器收集坝上水库的鱼苗、鱼卵，再将鱼苗、鱼卵转运到坝下流域进行放流，实现坝上到坝下鱼类物种的传播。目前，主流的卵苗采集平台采用柴油发动机和柴油发电机，当收集鱼苗、鱼卵时，其柴油发动机及柴油发电机的高振动高噪声以及排放的污染物会对卵苗采集效果产生持续影响。

采用基于光伏和锂电池的卵苗采集平台供电系统智能管理光伏系统和新能源锂电池系统的充/放电过程，有效延长卵苗采集平台的电力续航能力，以太阳能作为清洁能源的光伏系统和以新能源锂电池作为储能的电池可以实现碳零排放的目标。同时，电能以新能源锂电池为储能单元，当进行卵苗采集作业时可以提供低噪声低振动的作业环境，从而提高育苗鱼卵采集效率。

1 基于光伏和锂电池的卵苗采集平台供电系统总体设计

1.1 系统设计目标

通过调研国内外集鱼平台发展情况来了解国内外集鱼平台运行控制方法和运行方式，该文采用先进的计算机技术、网络通信技术、PLC控制技术、集成电路技术和半导体技术，通过电源管理系统进行监测和控制，将光伏发电系统与新能源锂电池储能系统进行结合，监测卵苗采集平台上的卵苗采集设备及其他用电设备的运行工况，在不同工况下对电池和光伏系统的管理策略进行控制，在实现锂电池最优充放工况的基础上，提高卵苗采集平台系统的电力续航能力。

1.2 系统设计原则

该系统的设计工作需要遵循以下5个原则：1）标准化原则。该系统要遵循国家和行业标准的规范要求。2）安全性原则。该系统必须以安全为首要目标，要保障人员和设备的安全。在设计中，必须充分考虑维护和保养，遵守各种相关的安全规定和标准。3）可靠性原则。该系统需要稳定、可靠地工作，避免因故障而造成生产过程停滞或者设备损坏等问题。在设计中，需要针对各种情况建立完善的故障排除系统。4）经济性原则。该系统须充分考虑经济性和可行性，尽量避免浪费和成本过高。在实际设计的过程中，需要根据实际情况优化设计。5）易维护原则。该系统应该易于维护和保养，保证设备长期稳定地运行。在设计中，需要考虑在维修过程中产生的影响和设备维护的费用。

1.3 系统总体结构设计

该卵苗采集平台供电系统由光伏发电系统、锂电池组、充电装置和供电管理系统组成（如图1所示）。其中，光伏发电系统包括布置在卵苗采集平台上面的光伏板和MPPT光伏控制板。该供电系统通过管理锂电池组为三相逆变器供电，将直流电逆变为交流电，实现对卵苗采集器供电的功能；同时，该供电系统对锂电池组进行管理，从而为推进驱动单元供电，使直流推进器运行。

图1 系统组成

该系统中各系统设备的功能如下：1）光伏发电系统。光伏板采用串联的形式对各块光伏板进行连接升压，将串联后的光伏板分组并联到MPPT光伏控制板上。MPPT太阳能控制板通过实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压、电流，使系统以最大功率输出为蓄电池充电[1]。2）锂电池组。选用安全且可靠度高的磷酸铁锂电池，同时由相应的传感器进行检测后，通过 CAN/MODBUS 通信的形式将各电池组中的电压、电流和温度等参数信息传输出去。3） 供电管理系统。通过CAN/MODBUS通信的形式与光伏发电系统的MPPT控制板、锂电池组和充电装置进行通信，获取光伏发电系统发电的电压、电流以及控制状态参数，同时获取锂电池组的电压、电流以及温度等参数，获取充电装置的电压、电流等参数，通过获取的各设备和系统的参数信息，采用系统自动构建的控制策略实现各种工况和状态下的自动控制，保证系统正常运行。4）推进驱动装置。推进驱动装置包括推进驱动单元和直流推进器。供电管理系统控制蓄电池为推进驱动单元供电，推进驱动单元通过控制电流电压和频率等电参数实现控制直流推进器螺旋桨转速和转矩的功能，最终实现控制卵苗采集平台推进航行的效果。5）三相逆变器。将蓄电池的直流电逆变为交流电的转换机构，转换成交流电后可以为卵苗采集器供电。6）卵苗采集器。采用真空罐形式或蜗壳泵形式在管路中形成负压，吸鱼管路连接吸鱼装置结构，由于管路及吸鱼装置为负压状态，因此水域中的鱼水卵苗混合物会经吸鱼装置、吸鱼管路吸入真空管或蜗壳泵中，达到无损吸鱼、吸卵苗的效果，再经过分离管路到鱼水分离装置的筛选机构中，对鱼水混合物进行物理分离，实现采集卵苗的功能。

2 基于光伏和锂电池的卵苗采集平台供电系统功能设计

该供电系统实现了对光伏发电系统和新能源锂电池进行管理的功能，同时可以对用电设备进行管理。

2.1 光伏发电系统设计

该光伏发电系统由柔性光伏板的电缆接头（如图2所示）采用电缆接头的形式（如图3所示）进行连接后接到MPPT光伏控制板。光伏板的连接形式灵活多样，需要根据实际设备需求与MPPT进行匹配。

图2 柔性光伏板外形

图3 光伏板连接示意图

该柔性光伏板由前膜、封装EVA、光伏电池片、导电膜和背膜组成，具有质量轻、安装简单的特点。

柔性光伏板在不同辐照度下的电流电压曲线如图4所示。由图4可知，辐照度强度越强，其光伏板发出的电流和电压的乘积（即输出电功率）就越大。在电压相同的情况下，光伏板输出的电流越大。

图4 不同辐照度下的I-V曲线图

柔性光伏板在不同的温度下的电流、电压曲线如图5所示。由图5可知，在正常工作范围下，温度越低，其光伏板发出的电流和电压的乘积（即输出电功率）就越大[2]。在电流相同的情况下，光伏板输出的电压越大。

图5 不同工作温度下的I-V曲线

MPPT太阳能控制板使用DC/DC变换电路，太阳能光伏板阵列通过DC/DC电路与负载连接，最大功率追踪单元不断检测太阳能光伏板阵列的电流、电压，并根据其电流、电压的变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行自动调节。MPPT太阳能控制器会实时追踪太阳能板中的最大功率点，从而发挥太阳能板的最大功效。

2.2 供电管理系统设计

光伏经过串联升压后通过MPPT控制板对电压和电流进行整定，输出满足锂电池充电要求的电压和电流，将MPPT的正负极接到供电管理系统上，如图6所示。该供电管理系统的核心是PLC处理单元，通过PLC完成数据采集、程序处理以及发送动作命令的任务，PLC采集上述各接触器（KM1～KM5）的状态信息，同时通过CAN/MODBUS通信的形式获取光伏系统状态参数和新能源锂电池组的状态参数，通过程序分析来完成相应动作。

图6 电源管理系统典型硬件逻辑图

2.3 系统控制逻辑设计

该系统的锂电池类型为磷酸铁锂电池，基于其电池特性，如果对其进行浮充操作，就会影响电池寿命，该供电管理系统结合电池特性设置相应的控制逻辑方法（供电管理系统控制逻辑见表1）。设电池电压为V，为了保护蓄电池系统，设置电池正常工作电压范围为V1～V2（V1为正常工作极限最小电压；V2为正常工作极限最大电压）。设V1＜V3＜V2，当V3≤V＜V2时，电池可以同时进行充电和放电，且对电池性能影响不大，即V3为电池充放电允许电压（I（BE）为电池组电流报警值；I（E）为外供用电设备设置报警值）。

表1 供电管理系统控制逻辑图表

当电池电压V≥V2时，此时只能放电，不能充电，电源管理系统为放电模式，此时电源管理系统程序控制KM2断开，KM1、KM5接通；如果电源管理系统在T1s（可以设置为15 s）内没有成功自动切换为放电模式，那么电源管理系统程序强制断开KM2，保证电池不会出现过充的情况，以保护电池。

当电池电压V≤V1时，为了保护电池（避免过度放电），只能充电，不能放电，电源管理系统为充电模式，此时电源管理系统程序控制KM2，KM5接通，KM1断开；如果电源管理系统在T2s（可以设置为15 s）内没有成功自动切换为充电模式，那么电源管理系统程序强制断开KM1，保证电池不会出现过放电的情况，以保护电池。

当开始电池电压V≤V1时，电源管理系统为充电模式，锁定KM2，KM5接通，锁定KM1断开。光伏系统经MPPT为电池充电，当电池电压V≥V3时，电池管理系统程序解除KM1的锁定，此时电池允许放电，这样可以防止出现充电时间过短就进入放电状态的情况，电池电压不会一直处于较低的状态，更有利于保护电池。

当白天且电池电压V≥V2时，蓄电池充电继电器断开，KM1、KM5接通，KM2断开。此时电池只能为放电模式。蓄电池放的电同时送入推进驱动单元和为卵苗采集器供电的逆变器中。

当集鱼平台和卵苗采集器持续耗电且电池电压V3≤V＜V2时，KM1、KM2和KM5都接通，光伏板通过MPPT整定发出的电接到电池管理系统中，由于KM1和KM2都接通，因此光伏发出的电从KM2经公共点再经KM1输出到推进单元和为卵苗采集器供电的逆变器的回路中。此时用电设备（包括推进单元和卵苗采集器）的电源一部分来自光伏系统，另一部分来自电池，由于光伏系统分担了原本由电池为用电设备供电的任务，因此电池放电速率降低。当用电设备供电输出回路的电流检测传感器检测到电流I（OUT）≥I1持续5 s（可以设置为1 A）时，那么判定用电设备持续耗电，保持KM1、KM2和KM5接通的控制状态；当持续检测5 s电流I（OUT）＜I1时，就可判定用电设备没有接入运行，此时KM1、KM5都接通，KM2断开。保证该状态只有设备运行状态下光伏系统才协同对外供电，不单独为电池充电。

当用电设备持续耗电（电池电量减少）且电池电压持续降至V1＜V＜V3时，电池管理系统的充电和放电可以分时段进行。当推进驱动单元及卵苗采集器运行时，光伏系统和电池同时为驱动单元和卵苗采集器供电，用电设备供电输出回路的电流检测传感器检测到电流I（OUT）持续5 s电流I（OUT）≥I1（可以设置为1A），电池管理系统为放电模式，此时KM1、KM2和KM5接通；当驱动单元和卵苗采集器没有运行时，持续检测5 s电流I（OUT）≤I1，就为充电模式，光伏系统给电池进行充电，KM1断开，KM2和KM5闭合，此时光伏系统可以给电池补电。

当电池持续对外供电（即电池电压V≤V1）时，电池管理系统只能为充电模式，电池无法对外放电，此时KM1断开，KM2和KM5闭合，在航行过程中只能通过光伏系统为蓄电池充电；当靠岸后通过电池充电器连接电源管理系统时，通过通信应答系统发现电池充电器，此时采用系统程序控制KM3闭合，可以持续为电池充电。

当外供用电设备总电流I（OUT）≥I（E）时，系统判定外供用电过载，执行断开KM1的动作，及时保护整个电源系统，同时发出报警。

当电源系统监测到电池组电流I（B）≥I（BE）时，系统判定电池电流过大，执行断开KM4的操作，及时保护整个电源系统，同时发出报警。

当电源系统监测到电池组温度T（B）≥T（E）时，系统判定电池温度过高，执行断开KM4的操作，及时保护整个电源系统，同时发出报警。

KM4为总回路控制，当KM4闭合时，电池系统各部分可以正常控制执行；当KM4断开时，充放电过程全部不能执行。

在不同状态以及设备工况下，供电管理系统通过采集的相应数据进行处理后，由PLC输出控制命令，以控制接触器动作，实现不同工况下供电管理系统不同的控制状态[3]。

3 结语

该供电管理系统将光伏发电系统作为电能补充装置，结合新能源锂电池的充/放电特性，由供电管理系统内的PLC控制单元接收相关检测元件的参数，根据程序进行分析，制定相应的控制策略，达到在卵苗采集平台在各种工况下智能供电管理的目的。

供电管理系统获取当前时间段内系统多个电压和电流参数，电压电流参数包括电池电压状态、输出总电流状态，根据检测的电池电压和外供用电设备总电流的相关参数序列确定电源系统常规控制策略，从而控制该供电管理系统内的接触器通/断，实现光伏充电和锂电池充/放电管理的功能。同时，当电池电流状态或电池温度状态为报警异常状态时，执行电源控制系统的保护动作策略。

通过供电管理系统对新能源蓄电池组和光伏发电系统进行综合智能管理，达到电池电能充/放电最佳运行状态以及整个电源系统持久续航的效果。