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  • 頭條用光伏電池給磁流變阻尼器電源供電,解決電能獲取問題
    2021-04-14 作者:陳亞愛 劉明遠 等  |  來源:《電工技術(shù)學報》  |  點擊率:
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    導語為解決磁流變阻尼器安裝位置遠離電網(wǎng)、不易獲得電能的問題,變頻技術(shù)北京市工程研究中心(北方工業(yè)大學)、北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心(北京理工大學)、國網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司、國網(wǎng)北京市電力公司房山供電公司的研究人員陳亞愛、劉明遠、周京華、邱歡,在2019年《電工技術(shù)學報》增刊2上撰文,提出兩級Buck主電路拓撲,該拓撲主要由太陽能光伏電池和蓄電池兩種供電單元組成,將新能源引入到磁流變阻尼器的供電電源中,很好地解決了磁流變阻尼器工作在遠離電網(wǎng)或不易獲得電能的問題。

    為抵御大風等自然界外力對建筑物、構(gòu)筑物的影響,需要在建筑物、構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器,以減小或消除自然外力對其產(chǎn)生的不利影響。工程上常用黏滯性阻尼器進行減震,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,無需電能就能工作,但不能實時準確地控制其出力大小,無法減少或消除自然外力對構(gòu)筑物、建筑物出力大小的隨機性。

    為消除自然外力產(chǎn)生的不利影響,實時準確控制阻尼器出力大小,應(yīng)采用磁流變阻尼器(Magneto Rheological Fluid Damper, MRFD),它可以根據(jù)自然外力大小來決定自身出力大小,控制精度較高,所需能量小,因此在制作電源方面造價較低。此外MRFD只需通過較小電流即可輸出較大阻尼力,其所需電流大小與阻尼力大小呈線性關(guān)系,易于控制與實現(xiàn)。

    圖1所示為MRFD實物圖,它是通過改變通入電流大小來改變工作腔內(nèi)磁場的強度,使磁流變液的表觀黏度發(fā)生變化,進而改變其出力大小的一種減震設(shè)備。改變MRFD所需電流的大小可以控制其出力大小,因此需要電源系統(tǒng)具有能精確調(diào)節(jié)輸入MRFD電流的功能。

    有學者以汽車磁流變緩沖裝置的阻抗特性和勵磁電流響應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ),提出推挽+Buck電路為主電路拓撲對磁流變緩沖器進行電流控制,其輸出電流在0~3A電流范圍內(nèi)可調(diào),驅(qū)動負載的上升時間和下降時間分別小于5ms和10ms。但它的拓撲結(jié)構(gòu)所需器件多,適用于汽車碰撞過程中的控制,不適合在大型框架上安裝運行。

    有學者采用自供電技術(shù)的MRFD內(nèi)部狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng),利用發(fā)電機將服役狀態(tài)下的MRFD中磁流變液的動能轉(zhuǎn)換為電能,為MRFD提供能量,具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高等優(yōu)點。雖然該研究采用自供電技術(shù)給MRFD提供能量,但發(fā)電機不宜于安裝在構(gòu)筑物、建筑物的結(jié)構(gòu)框架上,不便于運行與維護,此外該系統(tǒng)控制電路的電能來源于電網(wǎng),若MRFD安裝在遠離電網(wǎng)的場合時,無法解決電能來源問題。

    用光伏電池給磁流變阻尼器電源供電,解決電能獲取問題

    圖1 MRFD實物圖

    目前,所用的MRFD電能均來自電網(wǎng)(包括蓄電池),但實際中MRFD會工作在遠離電網(wǎng)或不易獲得電能的場合,例如,大型超高氣化爐、大型超高裂解爐等場合,MRFD被安裝于高處,不易架線對其供電,還有一些需安裝MRFD的構(gòu)建筑物,附近無架空線路,則存在無法獲得電能的問題。

    為了解決這一問題,變頻技術(shù)北京市工程研究中心、北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心、國網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司、國網(wǎng)北京市電力公司房山供電公司的研究人員,以太陽能光伏電池作為電能的能量來源,提出基于MRFD的光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓撲。

    其中前級采用Buck變換器的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,控制容易,線路損耗小,轉(zhuǎn)換效率較高,并且前級DC-DC變換器輸入端接太陽能光伏電池(電壓為17.5V左右),其輸出端接蓄電池(標稱電壓為12V),屬于降壓式,宜選用Buck變換器;后級采用Buck變換器的優(yōu)點:從能量守恒角度分析,在輸入相同能量的情況下,選用Buck降壓變換器,則輸出電流范圍較大,適合MRFD需要,再從結(jié)構(gòu)分析可知,MRFD可等效為Buck輸出端的電感,電源所需器件少,結(jié)構(gòu)和體積有所減小,總之后級采用Buck變換器最為適宜。

    用光伏電池給磁流變阻尼器電源供電,解決電能獲取問題

    圖2 基于MRFD的光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓撲

    選用太陽能作為能量的來源是因為太陽能光伏電池在發(fā)電方面不會產(chǎn)生噪聲污染,也不會對環(huán)境造成污染,易于運行與維護,相對于其他可再生能源(如風能等)受地理位置限制較小,無需特意架線進行供電,只需在用電場合鋪設(shè)太陽能光伏電池即可實現(xiàn),為克服光伏發(fā)電的間歇性,增設(shè)了蓄電池,彌補了夜晚、陰雨天不能供電的問題。

    針對主電路拓撲有太陽能光伏電池和蓄電池兩個供電單元的特點,許多文獻研究了系統(tǒng)能量管理控制策略,但其負載均為純阻性負載,所需電源為電壓源。

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    圖3 系統(tǒng)運行模式判斷流程

    而研究人員以MRFD為負載,所需電源為電流源,為此他們根據(jù)MRFD安裝位置遠離電網(wǎng)或不易獲得電能的實際情況,提出將新能源融入到電源中,結(jié)合太陽能光伏電池、蓄電池以及MRFD特性設(shè)計了兩級Buck主電路拓撲,該拓撲結(jié)構(gòu)簡單,易于控制,所需器件少,成本低廉,易于實現(xiàn)。

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    圖4 系統(tǒng)控制框圖

    因此為保證MRFD正常運行,實時控制其出力大小,研究基于MRFD的光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制具有實際意義,其控制目標是根據(jù)太陽能光伏電池、蓄電池以及MRFD之間能量流動關(guān)系,合理協(xié)調(diào)各級電路運行于不同模式,使電源系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài),給MRFD提供所需的電流。

    研究人員通過搭建系統(tǒng)仿真模型和實驗樣機,驗證了主電路拓撲的可行性和能量管理控制策略的正確性,使電源系統(tǒng)能運行于最佳工作狀態(tài),快速、準確地給MRFD提供所需電流,并產(chǎn)生相應(yīng)阻尼力。但在實驗階段僅用光伏模擬器進行供電,無法真正驗證天氣多變情況下進行穩(wěn)定供電,為此后續(xù)將用太陽能光伏電池在實際環(huán)境中進行實驗。

    以上研究成果發(fā)表在2019年《電工技術(shù)學報》增刊2,論文標題為“基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的磁流變阻尼器電源”,作者為陳亞愛、劉明遠、周京華、邱歡。

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