野战方舱智能电源系统设计研究

摘要：为了更好地促进军民融合式后勤保障体系，以民间科技手段不断改进部队保障装备，针对野战方舱供电系统的难题，提出利用风能、太阳能两种最方便、无污染、无噪音的绿色再生资源。提出的野战方舱智能电源系统设计方案，很好地综合了风力发电和太阳能发电的优缺点，可以为野战方舱提供连续、可靠的电力供应，系统维护量少、使用方便，能够解决野战方舱的各种用电需求，确保野战方舱正常运转。
关键词：野战方舱；军民融合式后勤保障体系；智能电源；风光互补

0 引言
近期民技军用式后勤保障体系的提出，要求以最优、最大限度的民间科技手段不断改进部队保障装备。所谓“民技军用”，是将相对成熟的民用高新技术成果经过适应性开发研究，移植于武器装备研制和国防科研生产的一种工程技术开发活动，这对于充分利用社会资源、逐步建立适应武器装备建设需要和市场经济发展要求的军品市场监管体系，具有重要的现实意义。随着科学技术的不断进步、装备的日益复杂化以及战争条件的日趋严酷，对后勤保障起关键作用的野战方舱的性能要求也越来越高，野战方舱不仅要具有较强的环境适应能力，较高的电磁屏蔽性能，还应具有稳定、方便、可靠的电源系统。
我国可再生能源的储备十分丰富，其中以太阳能和风能尤为突出。风能和太阳能具有天然的互补性：白天日照强，太阳能丰富；晚上风多，风能充足。夏日和冬日风能和太阳能也有很好的互补效果，风力太阳能互补系统的特点使它能成为持续稳定供电的电源。由于野战方舱的工作地区基本没有电力供应，本文设计的风光互补智能投切电网系统可以作为独立的电源系统应用于野战方舱中，因此具有相当大的优势。它不但能达到大量节能的目标，并且安装程序大大简化，应用和维护都方便许多，能够满足后勤保障快速稳定的供电要求。

1 军民融合式后勤保障体系
军民融合式后勤保障体系既以科学发展观为指导，以使命任务为牵引，以提高遂行多样化军事任务综合保障能力为目标，客观上要求必须摒弃传统的思想框架，把战区军民融合式后勤保障体系发展目标定位于“应对多种安全威胁，支援保障遂行多样化军事任务”上，统筹各项能力建设，提升整体保障功能。
军民融合式后勤保障体系提出的加强后勤核心保障能力建设，要求保障军队遂行作战任务应具备的综合能力，其中包括战争方式的军事行动和非战争方式的军事行动，这就要求从优化保障体制、改进保障装备、提高指挥自动化建设水平等方面入手，以提高保障效益，增强保障能力。

2 野战方舱
野战方舱在后勤核心能力保障建设中发挥着极其重要的作用，主要包括方舱医院，方舱指挥中心，方舱厨房等。目前我国野战方舱的电源系统主要是利用电站方舱或发电挂车发电的方式供电，该供电方式供电系统铺设范围大、噪声大，而且油耗量大，需要频繁加油，这些缺点限制了野战方舱更好的应用。本文提出的风光互补智能投切电网系统主要采用风光互补的供电方式，只有在极少数情况下使用发电机组供电，并且克服了有光没有风，有风没有光的情况，能够确保在任何复杂条件下都能保证野战方舱的正常稳定供电。

3 野战方舱风光互补智能投切电网系统总体设计
3．1 系统构成介绍
野战方舱风光互补智能投切电网系统由四大部分组成：
(1)太阳能发电系统
太阳能发电系统主要采用太阳能帐篷的方式，代替传统的太阳能电池板，太阳能帐篷即在野战方舱的外壁涂上一层太阳电池材料制成的薄膜，并且太阳电池表面设有一层透明防护层，有效保护薄膜太阳电池不易划伤。光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，通过变换器为各部分负载供电。其主要作用是有阳光的情况下，向野战方舱提供电力，并将多余电能储存在蓄电池里。太阳能发电部分原理框图如图1所示。

图1中，太阳电池方阵的支路通过二极管、充电控制器并联向蓄电池和负载供电。其中充电控制器采用增量控制太阳电池方阵对蓄电池的充电过程，当蓄电池组的充电电压到达设定的最高充电电压时，自动依次切断一个或数个方阵供电支路，以限制蓄电池的充电电压继续增长，确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳电池发出的电能。
(2)风力发电系统
风力发电系统的风轮通过可折叠的支架安装在野战方舱顶部，使用时打开支架现场安装风轮，并调节风轮的方向，不影响野战方舱的运输。风轮将风能通过空气动力学原理转换成机械能，驱动永磁同步发电机发出与风速成一定关系的交流电，经整流变成直流电，并经过变换器为各部分负载供电。风力发电机的设计功率可根据野战方舱供电容量的实际需要进行调整。其主要作用是有风情况下，向野战方舱提供电力，并将多余电能储存在蓄电池里。
(3)蓄电池系统
蓄电池系统主要由铅酸蓄电池组组成，其主要作用是平时将多余的风电或光电储存，在即无风，又无光的情况下，向野战方舱提供电力。由于野战方舱的工作环境比较复杂，且存在一定的不确定性，因此在本系统中选用了抗高低温特性好的蓄电池，同时选配的蓄电池组除具有储能的功能外，还具有一定的稳压功能。
(4)柴油机组供电部分
当连续多日无太阳、无风且蓄电池系统储存的电能已经无法继续支持负载的正常工作时，可启动备用柴油机组供电部分为负载供电。该系统利用原有的野战方舱的柴油机组供电部分，未作功能性改动。
3．2 系统基本原理
本文设计的风光互补供电系统包括风力发电机、太阳能电池组件阵列、AC整流滤波模块、电压调节控制器、逆变器、旁路切换单元、蓄电池组及输入／输出配电等。其供电原理如下：
(1)白天：太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后，其中一部分通过电压调节控制器、主控制单元及逆变器转化为交流电供负载使用，另一部分对蓄电池进行充电，当阳光或风能不足时，蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供交流负载使用。供电系统充分利用了太阳能资源和风力资源并使这两种资源相互补充，有效利用。
(2)夜间：夜间光伏阵列无功率输出，此时采用风力发电机组和蓄电池组共同供电的模式。系统自动检测分析负载功率的大小，而采用风力发电经逆变器供电和蓄电池经逆变器供电，即AC-DC-AC和PV-DC-AC，两种模式复合供电，系统根据风力发电系统的发电功率来确定两者供电的比例，此模式能够充分利用风力发电系统发电，比常规的风力发电系统中风机的利用率提高10％～20％。
风光互补智能投切电网供电系统的系统结构图如图2所示。