- 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：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決磁流變阻尼器安裝位置遠離電網、不易獲得電能的問題，變頻技術北京市工程研究中心（北方工業大學）、北京電動車輛協同創新中心（北京理工大學）、國網北京市電力公司平谷供電公司、國網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、構筑物的影響，需要在建筑物、構筑物的結構中安裝阻尼器，以減小或消除自然外力對其產生的不利影響。工程上常用黏滯性阻尼器進行減震，其優點是結構簡單，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筑物、建筑物出力大小的隨機性。
為消除自然外力產生的不利影響，實時準確控制阻尼器出力大小，應采用磁流變阻尼器（Magneto Rheological Fluid Damper, MRFD），它可以根據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系，易于控制與實現。
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磁場的強度，使磁流變液的表觀黏度發生變化，進而改變其出力大小的一種減震設備。改變MRFD所需電流的大小可以控制其出力大小，因此需要電源系統具有能精確調節輸入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技術為基礎，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電流范圍內可調，驅動負載的上升時間和下降時間分別小于5ms和10ms。但它的拓撲結構所需器件多，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的MRFD內部狀態無線監測系統，利用發電機將服役狀態下的MRFD中磁流變液的動能轉換為電能，為MRFD提供能量，具有結構簡單、集成度高等優點。雖然該研究采用自供電技術給MRFD提供能量，但發電機不宜于安裝在構筑物、建筑物的結構框架上，不便于運行與維護，此外該系統控制電路的電能來源于電網，若MRFD安裝在遠離電網的場合時，無法解決電能來源問題。
圖1 MRFD實物圖
目前，所用的MRFD電能均來自電網（包括蓄電池），但實際中MRFD會工作在遠離電網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，變頻技術北京市工程研究中心、北京電動車輛協同創新中心、國網北京市電力公司平谷供電公司、國網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的光伏發電系統主電路拓撲。
其中前級采用Buck變換器的優點：結構簡單，控制容易，線路損耗小，轉換效率較高，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，再從結構分析可知，MRFD可等效為Buck輸出端的電感，電源所需器件少，結構和體積有所減小，總之后級采用Buck變換器最為適宜。
圖2 基于MRFD的光伏發電系統主電路拓撲
選用太陽能作為能量的來源是因為太陽能光伏電池在發電方面不會產生噪聲污染，也不會對環境造成污染，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太陽能光伏電池即可實現，為克服光伏發電的間歇性，增設了蓄電池，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。
圖3 系統運行模式判斷流程
而研究人員以MRFD為負載，所需電源為電流源，為此他們根據MRFD安裝位置遠離電網或不易獲得電能的實際情況，提出將新能源融入到電源中，結合太陽能光伏電池、蓄電池以及MRFD特性設計了兩級Buck主電路拓撲，該拓撲結構簡單，易于控制，所需器件少，成本低廉，易于實現。
圖4 系統控制框圖
因此為保證MRFD正常運行，實時控制其出力大小，研究基于MRFD的光伏發電系統能量管理控制具有實際意義，其控制目標是根據太陽能光伏電池、蓄電池以及MRFD之間能量流動關系，合理協調各級電路運行于不同模式，使電源系統工作在最佳狀態，給MRFD提供所需的電流。
研究人員通過搭建系統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，使電源系統能運行于最佳工作狀態，快速、準確地給MRFD提供所需電流，并產生相應阻尼力。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定供電，為此后續將用太陽能光伏電池在實際環境中進行實驗。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于光伏發電系統的磁流變阻尼器電源”，作者為陳亞愛、劉明遠、周京華、邱歡。
