南极中山站风光互补供电系统设计

摘要

本课题来源于“南北极环境综合考察与评估”（编号：CHINAER 2016-02-02）专项项目。在专项项目的资助下，主要对南极中山站开展风光互补供电系统的应用研究。 南极大陆从被发现至今，一直是各国紧密关注的地区之一。随着科考站的逐渐建立、科考设施的日益增多，人类对南极地区的影响力也在逐步扩大。柴油作为传统燃料被广泛用于各个科考站的科研供电及科考队员的生活用电。化石燃料的燃烧直接或间接地对南极环境造成污染，为了更有效地保护南极环境，同时继续对南极气象、生物、地质等作深入的科学考察，国际南极科学考察委员会多年来一直呼吁各考察站采用清洁能源发电。本研究针对南极科考站的供电系统考虑实施不同程度的电源替代。 本文以南极中山站为研究对象，考虑中山站的地理位置、海拔高度、气象条件及极昼极夜等特殊环境状况，设计了中山站特有的风光互补供电系统。 首先，在美国太空总署NASA数据平台上获取了南极中山站过去 8年的气象数据作为参考，结合风光互补供电系统的工作原理，对风力发电机、太阳能板和蓄电池进行选型，并根据光伏阵列和蓄电池组排列的一般原则确定了光伏阵列和蓄电池组的串并联数。 接着，为了能够最大程度的利用风光能源，分别对风力发电系统和光伏发电系统设计了MPPT控制策略。对蓄电池的几种充电控制策略进行比较，最终选择三段式充电法，并用MATLAB仿真软件对各个系统进行仿真建模，验证所选控制策略能够满足系统要求。 然后，在中国极地研究中心数据平台上搜集了中山站2016至2017 年两年的风速、光照强度和气温数据，同 NASA的数据进行汇总处理得出中山站气象数据的月平均值。并对中国南极第32次考察中带回的2013~2015年中山站柴油供电系统数据进行处理，总结中山站的用电规律及负载功率。结合以上数据对所选设备能否满足要求进行了能量匹配计算，结果证明所选型号可以满足系统要求。 在此基础上进一步提出了中山站风光互补供电系统的整体控制策略并介绍了系统在不同工作模式下的能量流动方向。针对南极特有的极昼极夜现象提出了极端环境下的切负荷控制策略，并利用仿真软件对控制策略进行模拟，实验证明：系统不仅可以满足子系统的最大功率跟踪要求，而且能在能源不足时实现风光蓄联合供电，在极端环境下，也能保证一级负荷长期不断电运行。 最后，为了验证控制策略的可行性，设计了风光互补控制器硬件电路与软件程序。该控制器以 MSP430 单片机为主控芯片，分别设计了风光互补主电路及控制器外围电路，并编写了相应的程序。经过对各个模块的分别验证以及整体硬件的实验，证明该控制策略可以实现，能够满足系统供电需求。 研究结果表明：南极中山站的气象条件适合利用风光互补进行供电，但由于气候条件特殊，尤其针对极昼极夜现象，需要制定特殊的控制策略以保证系统正常运行。本文设计的控制策略涵盖了所有的气象状况且能够实现，可以保证风光互补供电系统在南极中山站地区的正常工作。

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