風(fēng)光互補(bǔ)環(huán)網(wǎng)柜除濕系統(tǒng)

　　Ring net switch dehumidification system of wind-solar hybrid吳宇紅 1 ，樓建強(qiáng) 1 ，尹紹杰 2 ，紀(jì)濤 1（1. 國(guó)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(tái)州研究院，浙江臺(tái)州，318000）

　　摘要：傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜使用加熱方式進(jìn)行除濕環(huán)網(wǎng)柜器件表面凝露問題得以消除，但也導(dǎo)致了環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)空氣濕度增大。采用半導(dǎo)體制冷除濕可以提高除濕效率并解決環(huán)網(wǎng)柜空氣濕度問題，但需要解決電源供電問題。針對(duì)現(xiàn)有問題提出采用風(fēng)光互補(bǔ)形式為環(huán)網(wǎng)柜半導(dǎo)體除濕系統(tǒng)提供電源解決方案，系統(tǒng)集成風(fēng)光互補(bǔ)充電控制、半導(dǎo)體除濕以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，確保了除濕系統(tǒng)的供電便捷性，并通過一套風(fēng)光互補(bǔ)除濕系統(tǒng)驗(yàn)證供電和除濕的可靠性及可維護(hù)性。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；半導(dǎo)體除濕；NB_IOT

　　0 引言

　　隨著城市配電的不斷發(fā)展，具有緊湊性、靈活性的戶外環(huán)網(wǎng)柜得到了大量的應(yīng)用 ^[1] 。戶外環(huán)網(wǎng)柜大量的投入以及使用越來越多的問題也逐漸的呈現(xiàn)出來。由于梅雨時(shí)節(jié)空氣濕度大導(dǎo)致部分戶外環(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(nèi)形成凝露。戶外環(huán)網(wǎng)柜的凝露使操作機(jī)構(gòu)絕緣程度下降，長(zhǎng)期后導(dǎo)致操作機(jī)構(gòu)間放電短路，嚴(yán)重的影響了電力設(shè)備的正常安全運(yùn)行。近年來，由于凝露的問題而引起的電力設(shè)備故障已經(jīng)成為配電網(wǎng)線路跳閘的主要原因之一 ^[2] 。現(xiàn)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(xiàn)絕緣能力降低導(dǎo)致的設(shè)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(bǔ)供電的半導(dǎo)體除濕機(jī)集成系統(tǒng)方式解決供電不便以及除濕問題。采用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)制冷除濕，當(dāng)有電流通過不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會(huì)分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這是J.C.A.帕爾貼在1834年發(fā)現(xiàn)的。這一效應(yīng)是可逆的，如果電流方向反過來，吸熱便轉(zhuǎn)變成放熱 ^[3] 。

　　1 風(fēng)光互補(bǔ)半導(dǎo)體除濕系統(tǒng)

　　風(fēng)光互補(bǔ)半導(dǎo)體除濕系統(tǒng)主要構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件、三相整流橋、二極管、充放電控制模塊、鋰電池、半導(dǎo)體制冷片、應(yīng)急燈等構(gòu)成風(fēng)光互補(bǔ)除濕系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　如圖1所示風(fēng)機(jī)和光伏組件分別通過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，充放電控制器控制鋰電池的充電以及負(fù)載除濕器和應(yīng)急燈的供電。鋰電池充電通過降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)，除濕器供電通過降壓斬波電路降壓為12 V到TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片以及制冷片散熱風(fēng)扇，應(yīng)急燈通過雙穩(wěn)態(tài)繼電器控制連接到鋰電池。

　　1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件由STM32F103芯片作為系統(tǒng)的MCU，SHT10濕度傳感器用于濕度檢測(cè)通過IIC總線與MCU通訊，IRF4104作為功率管，NB_IOT模塊采用WH-NB73通過串口與MCU連接通訊。

　　1.1.1 輸入電路

　　如圖2所示風(fēng)機(jī)WP輸入和光伏PV輸入分別通過三相整流橋和二極管D7整流和隔離。風(fēng)機(jī)WP輸入功率高時(shí)D7負(fù)極高于正極截止此時(shí)風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)提供充電電源，光伏PV輸入功率高時(shí)D7正極高于負(fù)極光伏為系統(tǒng)提供充電電源。Q1與電阻R1共同構(gòu)成風(fēng)機(jī)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(jī)和光伏組件通過輸入電路輸入到直流母線DC_BUS再通過BUCK降壓電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電以及為除濕器電路供電。

　　如圖3續(xù)流二極管D16,儲(chǔ)能電感L1,采樣電阻R5，功率管Q10構(gòu)成改良型BUCK降壓電路為鋰電池充電。通過更改功率管、電感以及續(xù)流二極管的節(jié)點(diǎn)位置，使功率管的驅(qū)動(dòng)參考電壓從DC_BUS的正極變更為DC_BUS的負(fù)極P_GND，降低了驅(qū)動(dòng)電壓并可以使用常規(guī)的NMOS。續(xù)流二極管D21，儲(chǔ)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(gòu)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(yùn)行時(shí)當(dāng)光伏組件或者風(fēng)機(jī)輸入功率不足或者沒有輸入時(shí)D9導(dǎo)通，鋰電池參與能量供應(yīng)；當(dāng)光伏電源或者風(fēng)力輸入功率滿足除濕功率時(shí)D9截止，僅光伏組件或者風(fēng)機(jī)提供運(yùn)行能源。

　　1.1.3 功率管驅(qū)動(dòng)電路

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

　　如圖4光耦U2作為MCU信號(hào)與MOS管驅(qū)動(dòng)電源隔離以及放大，三極管Q5與Q6共同構(gòu)成圖騰柱結(jié)構(gòu)放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)和加快驅(qū)動(dòng)速度；此種形式的功率管驅(qū)動(dòng)電路成本低于專用芯片。

　　1.1.2 溫濕度檢測(cè)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IIC接口與STM32F103連接，可以較為精確的測(cè)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10 kΩ電阻電平匹配。

　　1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的充放電管理、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)通訊等功能。

　　1.2.1 通訊模塊及顯示模塊

　　NB-IOT就應(yīng)用場(chǎng)景而言，可以應(yīng)用于位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能泊車、遠(yuǎn)程抄表、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)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極大方便[4] 。本文中主要用于實(shí)現(xiàn)將風(fēng)光互補(bǔ)除濕系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，維護(hù)人員能夠及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及及時(shí)處理當(dāng)前的故障，保障環(huán)網(wǎng)柜系統(tǒng)的安全運(yùn)行。顯示模塊主要用于人員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)能夠及時(shí)查看系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)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(shè)計(jì)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。第一階段過程中結(jié)合MPPT方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電效率最大化，本設(shè)計(jì)中采用擾動(dòng)觀測(cè)法來實(shí)現(xiàn)MPPT。

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

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

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證本文所研制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，分別采用兩種方式對(duì)比驗(yàn)證系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。選擇德清郊區(qū)一環(huán)網(wǎng)柜安裝加熱式和半導(dǎo)體除濕系統(tǒng)分別單獨(dú)開啟驗(yàn)證系統(tǒng)。

　　如表1所示，加熱器無法有效解決環(huán)網(wǎng)柜密閉空間濕度高問題而半導(dǎo)體除濕器可以有效除濕將水汽冷凝后排出室外。通過3個(gè)月的測(cè)試，風(fēng)光互補(bǔ)除濕系統(tǒng)能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行，故障問題可通過窄帶通訊及時(shí)通知維護(hù)人員。

　　3 結(jié)論

　　本文從工程實(shí)際出發(fā)設(shè)計(jì)研制環(huán)網(wǎng)柜風(fēng)光互補(bǔ)除濕系統(tǒng)，解決了環(huán)網(wǎng)柜除濕問題以及除濕運(yùn)行的能源問題；該系統(tǒng)確保了環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境不出現(xiàn)凝露以及濕度范圍可控制，確保了箱體電力設(shè)備的可靠運(yùn)行。

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