风光互补环网柜除湿系统

作者：吴宇红楼建强尹绍杰纪涛时间：2019-04-28来源：电子产品世界收藏

　　Ring net switch dehumidification system of wind-solar hybrid吴宇红 1 ，楼建强 1 ，尹绍杰 2 ，纪涛 1（1. 国网浙江德清县供电有限公司，浙江湖州 313200；2. 浙江大学台州研究院，浙江台州，318000）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201904/400019.htm

　　摘要：传统的环网柜使用加热方式进行除湿环网柜器件表面凝露问题得以消除，但也导致了环网柜内空气湿度增大。采用半导体制冷除湿可以提高除湿效率并解决环网柜空气湿度问题，但需要解决电源供电问题。针对现有问题提出采用风光互补形式为环网柜半导体除湿系统提供电源解决方案，系统集成风光互补充电控制、半导体除湿以及无线数据传输等功能，确保了除湿系统的供电便捷性，并通过一套风光互补除湿系统验证供电和除湿的可靠性及可维护性。

　　关键词：风光互补；半导体除湿；NB_IOT

　　0 引言

　　随着城市配电的不断发展，具有紧凑性、灵活性的户外环网柜得到了大量的应用 ^[1] 。户外环网柜大量的投入以及使用越来越多的问题也逐渐的呈现出来。由于梅雨时节空气湿度大导致部分户外环网柜周边环境潮湿空气中的水分极容易在封闭的柜内形成凝露。户外环网柜的凝露使操作机构绝缘程度下降，长期后导致操作机构间放电短路，严重的影响了电力设备的正常安全运行。近年来，由于凝露的问题而引起的电力设备故障已经成为配电网线路跳闸的主要原因之一 ^[2] 。现阶段环网柜使用加热方式除湿效率低且水汽仍然存在环网柜中，一定条件下仍然出现绝缘能力降低导致的设备短路情况。由于环网柜电压为110 kV取电不便，加热方式除湿时一般使用蓄电池作为电源。所以本文采用风光互补供电的半导体除湿机集成系统方式解决供电不便以及除湿问题。采用半导体帕尔贴效应制冷除湿，当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是J.C.A.帕尔贴在1834年发现的。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热便转变成放热^[3] 。

　　1 风光互补半导体除湿系统

　　风光互补半导体除湿系统主要构成为：风力发电机、光伏组件、三相整流桥、二极管、充放电控制模块、锂电池、半导体制冷片、应急灯等构成风光互补除湿系统框图如图1所示。

　　如图1所示风机和光伏组件分别通过三相整流桥和二极管接入到充放电控制器的输入直流母线，充放电控制器控制锂电池的充电以及负载除湿器和应急灯的供电。锂电池充电通过降压斩波电路实现，除湿器供电通过降压斩波电路降压为12 V到TEC1-12706半导体制冷片以及制冷片散热风扇，应急灯通过双稳态继电器控制连接到锂电池。

　　1.1 系统硬件电路设计

　　系统硬件由STM32F103芯片作为系统的MCU，SHT10湿度传感器用于湿度检测通过IIC总线与MCU通讯，IRF4104作为功率管，NB_IOT模块采用WH-NB73通过串口与MCU连接通讯。

　　1.1.1 输入电路

　　如图2所示风机WP输入和光伏PV输入分别通过三相整流桥和二极管D7整流和隔离。风机WP输入功率高时D7负极高于正极截止此时风机为系统提供充电电源，光伏PV输入功率高时D7正极高于负极光伏为系统提供充电电源。Q1与电阻R1共同构成风机的卸荷电路，用于超速状态的能量泄放。

　　1.1.2 充放电控制电路

　　风机和光伏组件通过输入电路输入到直流母线DC_BUS再通过BUCK降压电路对锂电池进行充电以及为除湿器电路供电。

　　如图3续流二极管D16,储能电感L1,采样电阻R5，功率管Q10构成改良型BUCK降压电路为锂电池充电。通过更改功率管、电感以及续流二极管的节点位置，使功率管的驱动参考电压从DC_BUS的正极变更为DC_BUS的负极P_GND，降低了驱动电压并可以使用常规的NMOS。续流二极管D21，储能电感L2，功率管Q11，采样电阻R7，滤波电容C7以及二极管D9构成改良型BUCK降压电路为除湿电路供电。改良目的同充电电路。除湿运行时当光伏组件或者风机输入功率不足或者没有输入时D9导通，锂电池参与能量供应；当光伏电源或者风力输入功率满足除湿功率时D9截止，仅光伏组件或者风机提供运行能源。

　　1.1.3 功率管驱动电路

　　充放电电路和卸荷电路中的功率管驱动电路主要由光耦、PNP三极管以及NPN三极管共同构成。

　　如图4光耦U2作为MCU信号与MOS管驱动电源隔离以及放大，三极管Q5与Q6共同构成图腾柱结构放大驱动信号和加快驱动速度；此种形式的功率管驱动电路成本低于专用芯片。

　　1.1.2 温湿度检测电路

　　SHT10为温湿度传感器湿度精度为±4.5%，温度精度为±0.5 ℃，SHT10通过IIC接口与STM32F103连接，可以较为精确的测量环境中的湿度及温度。实际电路如图51.1.3 NB_IOT模块电路WH-NB73模块供电使用3.8 V，与3.3 V供电的主MCU之间串口通讯通过10 kΩ电阻电平匹配。

　　1.2 系统软件设计

　　系统软件由充电控制模块、除湿控制模块、通讯模块以及显示模块等主要4大模块组成，实现系统的充放电管理、数据显示以及数据通讯等功能。

　　1.2.1 通讯模块及显示模块

　　NB-IOT就应用场景而言，可以应用于位置跟踪、环境监测、智能泊车、远程抄表、农业等传统通信技术难以支持的场合，这将为人们的生活工作带来极大方便[4] 。本文中主要用于实现将风光互补除湿系统的运行数据上传到服务器。主要上传锂电池电压、电池电量、除湿模块工作状态等数据，维护人员能够及时掌握系统的运行状态以及及时处理当前的故障，保障环网柜系统的安全运行。显示模块主要用于人员现场维护时能够及时查看系统的运行参数以及运行状态。

　　1.2.2 充电控制模块及除湿控制模块

　　锂电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法 [5] 。本设计中亦采用此方法，第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。第一阶段过程中结合MPPT方法实现系统充电效率最大化，本设计中采用扰动观测法来实现MPPT。

　　如图7为锂电池充电流程，其在恒流充电过程中，如果此时充电电流小于20 A时启动MPPT通过扰动观测法寻找该时刻的最大功率点；如果最大功率点超过20 A充电电流，此时限制充电电流为20 A。

　　除湿器开启条件为锂电池有电且相对湿度大于40%条件下开启，此时BUCK降压电路将锂电池或风光互补输入降压为12 V电源提供给半导体制冷片。

　　2 实验验证

　　为验证本文所研制系统的稳定性和有效性，分别采用两种方式对比验证系统优势。选择德清郊区一环网柜安装加热式和半导体除湿系统分别单独开启验证系统。